Применение кольцевых распределительных устройств в системах распределения электрической энергии

С непрерывным экономическим развитием и увеличением влияния электричества на жизнь людей, особенно в городских районах с высокой плотностью нагрузки, надежность энергоснабжения становится особенно важной. Создание распределительной сети, основанной в основном на кольцевой структуре, может эффективно повысить надежность энергоснабжения, обеспечить непрерывность подачи электроэнергии и минимизировать влияние отказов распределительного оборудования и отключений для технического обслуживания. В качестве ключевого устройства в режиме работы кольцевой сети КРУ (Комплектное распределительное устройство) широко используется в распределительных подстанциях и компактных подстанциях в центрах нагрузки, таких как городские жилые кварталы, высотные здания, крупные общественные сооружения и промышленные предприятия, благодаря своим преимуществам, таким как простая конструкция, компактные размеры, низкая стоимость и возможность улучшения параметров, производительности и безопасности энергоснабжения.

1. Типы КРУ

В распределительных системах оборудование, способное выполнять функции кольцевой сети, в основном включает кабельные разветвительные коробки типа кольцевой сети и КРУ. Кабельные разветвительные коробки типа кольцевой сети имеют более низкую стоимость и предлагают более гибкие места установки. Они особенно выгодны в застроенных городских районах, где трудно получить место для распределительной комнаты (необходимой для КРУ), что демонстрирует их гибкость. Однако, по сравнению с КРУ, основными недостатками кабельных разветвительных коробок являются низкие показатели безопасности (особенно в отношении мер против ошибочных действий), неудовлетворительные условия эксплуатации и определенные риски. Если условия позволяют, автор рекомендует приоритетное использование КРУ для конфигураций кольцевой сети. КРУ можно классифицировать на несколько типов в зависимости от типа используемого выключателя нагрузки: воздушные КРУ, поршневые КРУ, вакуумные КРУ и КРУ с SF6. Из них воздушные и поршневые КРУ были в основном выведены из эксплуатации из-за фатальных недостатков и низкой надежности их выключателей нагрузки. Вакуумные КРУ и КРУ с SF6 широко используются в распределительных системах из-за их высокой производительности, надежной эксплуатации и технического обслуживания.

1.1 Вакуумные КРУ

Многолетний опыт производства и использования вакуумных выключателей и вакуумных коммутационных аппаратов сделал вакуумную технологию относительно зрелой в Китае. Домашние разработанные вакуумные КРУ продемонстрировали высокую производительность в типовых испытаниях, но широкого применения не получили. Основная причина заключается в недостаточной производительности приводного механизма. Конструкция приводных механизмов для вакуумных выключателей относительно сложна, и из-за уровня отечественного сырья, технологии обработки и контроля качества качество приводных механизмов, произведенных отечественными производителями, пока не достигло должного уровня. Эксплуатация и техническое обслуживание затруднены, и измерение степени вакуума в вакуумных КРУ является серьезной проблемой при техническом обслуживании.

1.2 Преимущества и недостатки КРУ с SF6

Применение КРУ с SF6 в распределительных системах в основном доминируют импортные продукты. Они широко востребованы энергетическими компаниями благодаря своим отличным характеристикам, надежной работе, полностью изолированному герметичному дизайну и преимуществам без необходимости технического обслуживания. Типичные КРУ с SF6 включают Schneider's RM6, ABB's SafeRing и Siemens' 8DJ20. Однако, есть и некоторые недостатки при эксплуатации.

1.2.1 Преимущества КРУ с SF6:

(1) Высокие технические характеристики: КРУ с SF6 имеют высокую частоту операций, способны включать и отключать активные нагрузки до 100 раз. Они также обладают хорошей способностью отключения и могут выдерживать большие токи.

(2) Удобное техническое обслуживание: Дизайн поверхности шкафа удобен для пользователя. На панели имеются четкие схемы подключения, которые предоставляют руководство по эксплуатации. Некоторые продукты даже содержат предупреждения на поверхности шкафа, что еще больше снижает вероятность ошибок оператора. Большинство продуктов КРУ оснащены устройствами, которые могут определять состояние под напряжением основной цепи, предоставляя индикацию состояния под напряжением и, в сочетании с электромагнитными замками, предотвращая закрытие дверцы ручки при наличии напряжения, что снижает вероятность ошибочных действий. Кроме того, прозрачное акриловое окно для наблюдения на передней дверце позволяет напрямую видеть состояние открытости или закрытости выключателя, что очень удобно.

(3) Высокая гибкость: Современные КРУ могут очень гибко удовлетворять требованиям различных проектов распределительных сетей и могут быть произвольно объединены в зависимости от конкретных условий. Кроме того, способы подключения кабелей также очень гибки, позволяя адаптивное подключение даже на неровных поверхностях без возникновения локальных разрядов.

1.2.2 Недостатки КРУ с SF6:

(1) Негибкая конфигурация: Можно выбирать только из ограниченного числа схем, предоставляемых производителем, что делает сложно удовлетворить различные специфические потребности пользователей.

(2) Невозможность расширения: После ввода в эксплуатацию расширение обычно невозможно.

(3) Требование специализированных аксессуаров: Необходимы специализированные аксессуары, такие как специальные кабельные наконечники, которые могут быть дорогими.

(4) Строгие требования к установке: Если требования к установке не соблюдаются, устройства могут не достичь ожидаемой производительности.

Из-за негибкой конфигурации полностью герметичных КРУ с SF6, использование полугерметичных КРУ с SF6, которые можно расширять, в распределительных сетях увеличивается. Полугерметичные КРУ имеют независимые газовые камеры для каждого модуля, что делает их легко расширяемыми, устанавливаемыми и заменяемыми. В настоящее время широко используемые КРУ включают Schneider's SM6, ABB's Uniswitch и Siemens' 8DH10. По мере того, как отечественные производители постепенно осваивают технологию выключателей нагрузки с SF6, количество и качество отечественных КРУ с SF6 постепенно улучшаются. Однако, в настоящее время рынок отечественных КРУ с SF6 на 10 кВ и 20 кВ по-прежнему в основном контролируется зарубежными компаниями (например, Schneider или ABB).

2. Проблемы с КРУ с SF6

2.1 Содержание влаги в газе SF6

КРУ с SF6 редко поставляются с отчетами о тестировании на содержание влаги. Как операторы оборудования, энергетические компании часто не могут самостоятельно измерить содержание влаги. Уровень влажности в газе SF6直接影响了其灭弧性能和设备的安全运行性能。对于已经运行多年的SF6环网柜，评估其灭弧能力的状态是一个挑战。 **2.2 SF6气体泄漏问题** SF6环网柜可能存在密封问题导致气体泄漏。实践经验表明，虽然进口设备通常具有良好的密封性能，但仍然会发生泄漏事件。由于大多数装置缺乏气体监测装置，用户可能不知道泄漏情况，从而造成隐患。特别是在零表压下RMU的性能（绝缘、开关等）及其承受内部电弧故障的能力方面尤为关注。许多此类产品使用手动操作机构，操作人员在近距离工作，一旦发生事故后果严重。目前，包括压力指示器已成为强制性要求，作为半封闭式RMU的必要附件。 **2.3 机制问题** 在配电变压器保护中，常用的组合单元是负荷开关加熔断器。负荷开关切断负荷电流，熔断器切断短路和过载电流。在河北配电网中，曾发生全封闭RMU中熔断器熔断，但负荷开关未能可靠跳闸，导致故障变压器无法断电，造成严重损坏的情况。原因是操作机构用于跳闸的跳线行程过大，使得熔断器撞击针的冲击力无法成功激活负荷开关的跳闸机构。此缺陷可以通过调整跳线和螺母的紧固度来解决。此外，模拟熔断器操作的变压器馈线单元已被纳入强制性的预调试测试。 **2.4 均压屏蔽材料问题** 半封闭RMU通常不能使用可触摸电缆终端。均压屏蔽常用于解决电缆终端连接点相间距离不足的问题。然而，铝制均压屏蔽极易受潮湿环境影响。即使使用防凝露加热器，其在潮湿条件下的效果也有限。在20kV配电系统中，观察到这些屏蔽层的严重腐蚀。表面粗糙度和白色粉状腐蚀产物破坏了屏蔽层表面的电场均匀性，失去了均压效果。由于屏蔽层周围的相间距离小，加上日常温度变化，气室底部会形成凝露并回流到屏蔽区域，形成放电路径。气室底部绝缘隔板的环氧材料会遭受严重的电气腐蚀，最终导致相间放电路径和表面绝缘击穿。整个放电过程是渐进的。为了解决凝露问题，供电公司可以改进RMU的均压屏蔽，改用硅橡胶绝缘电缆端盖。这些端盖内部使用半导体层，仍能提供均压效果。改进后的RMU设计已通过凝露和耐压试验，并计划在配电网中试运行。 **3. SF6环网柜选型建议** (1) 选择可扩展的RMU：其灵活配置、易于安装和扩展代表了SF6 RMU使用的未来方向。 (2) 考虑维护：理想情况下，SF6负荷开关应配备SF6压力监测装置。否则，应通过零表压切换测试。 (3) 考虑气候和位置：选择通过凝露测试的产品。对于不考虑未来扩展的小型环网柜，如终端单元，使用全封闭RMU可以显著减少凝露对设备的影响。 **总结** 多年的运行实践表明，在各种类型的RMU中，SF6 RMU具有高性能、可靠性、紧凑尺寸、低空间需求和极少维护的特点，因此应用最广泛。考虑到维护成本、二次投资和可靠性等因素，建议在条件允许的情况下，在配电网改造和建设项目中优先使用SF6 RMU。在规划和建设过程中，应充分考虑自动化装置的引入，采用安全、可靠、先进的设备，提高配电水平，使配电网更加可靠和安全。