Sulkuohjainopas: Miten se toimii & Miksi sähköverkot käyttävät sitä

1. Mikä on uudelleensuljeva laite?
Uudelleensuljeva laite on automaattinen korkean jännitteen sähkökytkin. Sillä on samankaltainen tehtävä kuin kotitalouksien sähköjärjestelmien pääkauppiassa, kun se keskeyttää sähkövoiman, jos tapahtuu virhe, kuten lyhyyskierre. Kuitenkin, erona kotitalouksien pääkauppiaasta, joka vaatii manuaalisen nollauksen, uudelleensuljeva laite valvoo automaattisesti linjaa ja päättelee, onko virhe poistunut. Jos virhe on väliaikainen, uudelleensuljeva laite sulkee itsensä automaattisesti uudelleen ja palauttaa sähkövoiman.

Uudelleensuljevia laitteita käytetään laajasti jakeluverkossa – alkaen siirtolaitoksista aina asuinalueiden sähkölinjoihin asti. Ne tulevat eri tyyppisinä, mukaan lukien kompaktit yhden vaiheen uudelleensuljevat laitteet yhden vaiheen linjoille ja suuremmat kolmen vaiheen uudelleensuljevat laitteet siirtolaitoksille ja korkean jännitteen jakeluverkolle jopa 38 kV asti.

Uudelleensuljevien laitteiden suunnittelu ja toiminta ohjautuvat kansainvälisillä standardeilla, kuten ANSI/IEEE C37.60 ja IEC 62271-111.

2. Miksi käyttää uudelleensuljevia laitteita?

Sähköalan yritykset ympäri maailmaa pitävät automaattisia uudelleensuljevia laitteita olennaisina laitteina saavuttaakseen perustavoitteensa: tarjota asiakkaille jatkuva ja luotettava sähköntarjonta yksinkertaisella ja kustannustehokkaalla tavalla.

Uudelleensuljevat laitteet voivat havaita ja keskeyttää virhetiedon, ja sitten automaattisesti palauttaa sähkövoiman, kun väliaikainen virhe on poistunut. Perinteisesti, uudelleensuljeva laite on itsenäinen älylaite, joka pystyy havaitsemaan ylijännitteen, ajastamaan, keskeyttämään virhetiedon ja automaattisesti uudelleensulkemaan, jotta linja voidaan uudelleenenergoitaa.

Jos virhe on pysyvä, uudelleensuljeva laite lukitsee itsensä esiasetetun toimintamäärän, tyypillisesti kolmea tai neljää yrittelyä, jälkeen – erottamalla viallisen osan muusta järjestelmästä. Tämä kyky säästää yrityksille huomattavan aikaa ja toimintakustannuksia, sillä sähkövoima usein palautetaan vain yhden tai kahden lyhyen jännitteen vilkun jälkeen, ilman mitään kenttätoimenpiteitä.

Tapauksissa, joissa henkilöstön lähettäminen paikalle on välttämätöntä, uudelleensuljevat laitteet auttavat minimoimaan sähkökatkoksen laajuutta ja ylläpitohenkilöstöä nopeasti löytämään virheen ja palauttamaan palvelun. Asukas-, kauppa-, teollisuus- ja instituutiokuluttajat hyötyvät vähäisemmästä häiriöstä ja siihen liittyvistä kustannuksista. Ilman tätä korkeaa toimituksen luotettavuuden tasoa monet kriittiset modernit kuormat, kuten tietokoneet, vesipumput ja automatisoidut tuotantolinjat, eivät pystyisi toimimaan luotettavasti.

3. Miten uudelleensuljeva laite toimii?

Kun virhe tapahtuu linjalla, uudelleensuljeva laite havaitsee sen ja keskeyttää automaattisesti sähkövoiman. Hyvin lyhyen ajanjakson, usein niin lyhyen, että se aiheuttaa vain hetkisen valon heilahduksen, jälkeen uudelleensuljeva laite yrittää sulkea itsensä uudelleen ja palauttaa sähkövoiman. Jos virhe jatkuu, se keskeyttää uudelleen.

Tavallisesti kolmesta epäonnistuneesta yrittelystä jälkeen, uudelleensuljeva laite luokittelee virheen pysyväksi ja pysyy auki (lukittuna). Tässä vaiheessa sähköyhtiön henkilöstön täytyy vierailta paikan päälle korjatakseen vaurioitunut infrastruktuuri ja manuaalisesti nollata uudelleensuljeva laite, jotta sähkövoima voidaan palauttaa.

Typiikkisiä pysyviä virheitä ovat:

• Salaman aiheuttama vaurio johtimiin tai laitteisiin

• Puun oksien putoaminen ja vaurioittaminen linjoja

• Ajoneuvojen törmäykset pylväisiin tai laitteisiin

4. Mitä ovat väliaikaiset virheet?

Suurin osa virheistä yläpuolella olevilla jakeluverkon linjoilla on väliaikaisia. Esimerkkejä ovat salamaniskut, tuulen aiheuttamat johtimet, tai tilapäinen kosketus lintujen tai pieneläinten aiheuttamina. Nämä virheet tyypillisesti poistuvat itsestään, kun sähkövoima keskeytetään, eivätkä ne aiheuta kestäviä vaurioita linjalle.

Yleisiä väliaikaisten virheiden tyyppejä:

• Tuulen aiheuttama johtimien törmäys

• Salaman aiheuttama ylikirjoitus isolatoorien pinnalla

• Lintujen, rodenttien tai muiden eläinten aiheuttama tilapäinen siltaus live-johtimiin ja maanjohdin välillä

• Puuhalkojen tilapäinen kosketus energoituun linjaan

• Kytkemisvuodat aiheuttavat isolatorin ylikirjoituksen

Pitkäaikaiset toimintatiedot ja kenttäkokemus osoittavat selvästi "keskeytys- ja uudelleensulkemisen" toiminnon tärkeyttä. Jos linja keskeytetään hetkellisesti, virheen lähteen usein katoaa – mikä tekee onnistuneesta uudelleensulkemisesta todennäköistä. Näin automaattiset uudelleensuljevat laitteet poistavat lähes kokonaan pitkiä sähkökatkoja, jotka aiheutuvat väliaikaisista virheistä tai tilapäisistä ylijännitteistä jakeluverkossa.

5. Uudelleensuljevien laitteiden tyypit

5.1 Yhden vaiheen uudelleensuljevat laitteet

Yhden vaiheen uudelleensuljevat laitteet käytetään yhden vaiheen piirien suojaamiseen, kuten haaroissa tai kolmen vaiheen syöttölinjan haaroissa. Niitä voidaan myös käyttää kolmen vaiheen piireissä, joissa suurin osa kuormasta on yhden vaiheen.

Jos tapahtuu pysyvä maan vastaise virhe, vain vaikutettu vaihe lukittuu, kun taas kolmannes järjestelmästä jatkaa sähköntarjoamista – parantaen yleistä palvelujatkuvuutta.

Niiden kevyempi paino verrattuna suuriin kolmen vaiheen uudelleensuljeviin laitteisiin tarkoittaa, että yhden vaiheen laitteet voidaan yleensä kiinnittää suoraan sähköpylväisiin tai siirtolaitoksen teräsruosteisiin integroituine kiinnitysbrakteineen, mikä poistaa lisäpuituen tarpeen.

Yhden vaiheen sulku- ja uudelleensulkijoiden suunnittelun mukaan niissä voi olla joko hydraulinen ohjaus (integroitu sulku- ja uudelleensulkijan öljytankkiin) tai sähköinen ohjaus (sijoitettu erillisessä ohjauskabinetissa).

Huomioitavaa on, että yhden vaiheen sulku- ja uudelleensulkijat ovat nyt myös saatavilla katkaisija-tyyppisessä muodossa, mikä edustaa korkeaa integraatiota ensi- ja toissijaisilla komponenteilla. Nämä voidaan asentaa suoraan standardisiin katkaisijan asennusperusteisiin ja ne käytetään yleisesti haarakierroksen suojaksi, tyypillisillä arvoina jopa 200 A.

Edustava valmistaja on S&C Electric Company (USA), jonka TripSaver® II -tuote esittelee tätä tyyppiä, kuten alla nähdään:

5.2 Kolmen vaiheen sulku- ja uudelleensulkijat

Kolmen vaiheen sulku- ja uudelleensulkijat käytetään kolmivaiheisen jakeluverkon luotettavuuden parantamiseksi. Pysyvän vian tapauksessa kaikki kolme vaihetta lukitaan samanaikaisesti, mikä estää riskin yhden vaiheen paljastumisesta kriittisille kolmivaiheisille kuormille, kuten isoille kolmivaiheisille moottoreille, jotka voivat muuten vaurioitua epätasapainoisesta tai puutteellisesta jännitehuonnosta.

Kolmen vaiheen sulku- ja uudelleensulkijan valinta perustuu vaadittuihin sähköisiin arvoihin, katkaisu- ja eristysvälineeseen (esimerkiksi öljy, vakuummi tai ympäristöystävälliset kaasut) sekä valintaan välillä hydraulinen ohjaus (integroitu laitteeseen) tai sähköinen ohjaus (sijoitettu erillisessä ohjauskabinetissa).

5.3 Toimintatila: Kolmen vaiheen katkaisu ja kolmen vaiheen lukitus

Tämä on suurten sulku- ja uudelleensulkijoiden standarditoimintatila. Riippumatta siitä, onko vika yhden vaiheen maajohdussa, vaiheiden välissä tai kolmen vaiheen vika, kaikki kolme palkkia katkaisevat samanaikaisesti jokaisella toiminnolla. Kaikkien kolmen vaiheen katkaisu ja uudelleensulku on mekaanisesti yhdistetty ja ajetaan yhdellä toimintamekanismilla, mikä takaa synkronoidun suorituksen.

Kolmen vaiheen sulku- ja uudelleensulkijat tukevat useita asennusmuotoja, mukaan lukien:

• Pylvässijoitukset (ilmaisjohtojen asennukseen)

• Asennuspylväät (asemien tai levyltä sijoitetuille sovelluksille)

5.4 Kolmi-yksi sulku- ja uudelleensulkijat

Kolmi-yksi sulku- ja uudelleensulkijat ovat sähköisesti ohjattuja ja tarjoavat kolme toimintatilaa:

• Kolmen vaiheen katkaisu ja kolmen vaiheen lukitus
  Kaikki kolme vaihetta katkaisevat samanaikaisesti ylikuljetuksen vuoksi, uudelleensulkevat samanaikaisesti ja toimivat samassa järjestyksessä.

• Yhden vaiheen katkaisu ja kolmen vaiheen lukitus
  Jokainen vaihe suorittaa itsenäisesti ylikuljetuksen katkaisun ja uudelleensulun. Jos mikä tahansa yksi vaihe menee lukitusjärjestelyyn pysyvän vian vuoksi, tai jos paikallinen/etä- "lukitus" -komento annetaan, muut kaksi vaihetta katkaisevat ja menevät lukitusjärjestelyyn, mikä estää kolmivaiheisten kuormien pitkäaikaisen yhden vaiheen paljastumisen.

• Yhden vaiheen katkaisu ja yhden vaiheen lukitus
  Jokainen vaihe katkaisee ja lukitsee itsenäisesti, ilman vaikutusta muihin. Tämä tila käytetään pääasiassa asuntojen kuormiin, tai tilanteissa, joissa kolmivaiheisia kuormia on jo suojattu yhden vaiheen paljastumista vastaan muilla tavoin.

Kolmi-yksi sulku- ja uudelleensulkijat voidaan asentaa pylväälle pylvässijoitusalustalla, tai asennetaan asemien alustoihin tai suoraan aseman teräsruosteisiin.

6. Sulku- ja uudelleensulkijan ohjaustyypit

"Äly", joka mahdollistaa sulku- ja uudelleensulkijan tunnistaa ylikuljetuksen, valita ajan-kuljetuspiirteet, suorittaa katkaisu- ja uudelleensulkuoperaatiot ja lopulta lukita, tulee sen ohjausjärjestelmästä. On olemassa kaksi pääohjaustyyppeä: sisäänrakennettu hydraulinen ohjaus ja sähköinen ohjaus, joka on sijoitettu erillisessä ohjauskabinetissa.

Hydraulinen ohjaus

Hydraulista ohjausta käytetään laajasti useimmissa yhden vaiheen sulku- ja uudelleensulkijoissa ja joissakin kolmen vaiheen sulku- ja uudelleensulkijoissa. Se on osa itse sulku- ja uudelleensulkijaa. Tällä ohjausmenetelmällä ylikuljetus havaitaan sarjakytkennässä olevan katkaisukierroksen avulla. Kun ylikuljetus kulkee katkaisukierrossa, kierros vetää plungerin, mikä aiheuttaa sulku- ja uudelleensulkijan yhteysten katkaisun.

Ajalliset ja järjestysoperaatiot saavutetaan hydraulisen öljyn virtaamisella eri hydraulisissa kammioissa tai orificeissa. Pienemmissä sulku- ja uudelleensulkijoissa uudelleensulkemiseen tarvittava energia tuotetaan keppeillä, jotka ladattavat sarjakytkennässä olevan katkaisukierroksen plungerin avulla ylikuljetussuojan toiminnon aikana. Suuremmissa sulku- ja uudelleensulkijoissa sulku toteutetaan erillisellä sulku-solenoidilla, joka toimittaa linjajännite sulku- ja uudelleensulkijan lähtöpuolelta.

7. Mikroprosessoripohjainen tai sähköinen ohjaus

Mikroprosessoripohjaiset tai sähköiset sulku- ja uudelleensulkijan ohjausjärjestelmät asennetaan yleensä erillisessä ohjauskabinetissa, mikä mahdollistaa toimintaparametrien säätämisen milloin tahansa. Niitä voidaan yhdistää erilaisiin lisävarusteisiin, jotta perustoiminnot voidaan mukauttaa laajaan sovellusalueeseen. Hydraulista ohjausta verrattuna nämä ohjausmenetelmät tarjoavat suurempaa joustavuutta, helpompaa ohjelmointia ja parametrien mukauttamista sekä edistyneitä suojauksen, mitatuksen ja automaation ominaisuuksia.

Mikroprosessoripohjainen ohjaus käytetään yleensä yhdessä PC-pohjaisen käyttöliittymäohjelmiston kanssa ohjausasetusten määrittämiseen, mittaridatan tallentamiseen ja viestintäparametrien asettamiseen. Ohjausjärjestelmä tarjoaa myös useita analyysityökaluja, kuten sijaintianalyysi-, tapahtumatallennus- ja oskilloskopifunktiot. Sähköinen ohjaus on ollut laajasti käytössä useimmissa kolmivaiheisissa uudelleenkytkentälaitteissa vuodesta 1980-luvun puoliväli lähtien, ja monet näistä laitteista ovat edelleen luotettavassa käytössä.

8. Uudelleenkytkentälaitteiden keskeyttämisvälineet

8.1 Öljykeskeyttäjät
Öljyllä toimivat uudelleenkytkentälaitteet käyttävät samaa öljyä pääeristäväksi välineeksi. Joissakin hydraulisella ohjauksella varustetuissa uudelleenkytkentälaitteissa sama öljy käytetään myös ajoitus- ja laskentafunktioihin.

8.2 Vakuumpesäkkeet
Vakuumpesäkkeet mahdollistavat nopean, alhaisen energian kaaren keskeyttämisen ja tarjoavat etuja, kuten pitkän kontakti- ja pesäkkeen elinkaaren, alhaisen mekaanisen rasituksen sekä korkean toiminnallisen turvallisuuden. Koska kaari suljetaan vakuussa, kontakti- ja pesäkkeen elinkaari ylittää muissa keskeyttämisvälineissä havaitun. Vakuumpohjaisissa uudelleenkytkentälaitteissa eristävä väline voi olla öljy, ilma tai epoksi riippuen mallista.