Кольцевые коммутационные установки с SF₆ (RMUs) и модернизация городских сетей

Обзор​
Старые распределительные сети в основном имеют радиальную структуру, с большинством входящих и исходящих линий, являющихся воздушными. Коммутационное оборудование обычно состоит из вакуумных выключателей с воздушной изоляцией или масляных выключателей с минимальным количеством масла. Эти сети часто подвержены отказам, имеют высокие эксплуатационные расходы и длительные, обширные отключения электроэнергии при возникновении неисправности, что значительно препятствует экономическому развитию.

С быстрым экономическим ростом и реализацией модернизации городских сетей увеличился спрос на более надежное электроснабжение. Полностью изолированные, полностью герметичные, не требующие обслуживания и компактные SF₆ кольцевые главные устройства (RMU) снова стали гарантией надежного электроснабжения.

​1 Типы и конструктивные особенности SF₆ RMU​

​1.1 Типы SF₆ RMU​
SF₆ RMU можно классифицировать на два основных типа по конструкции: Общий бак и Модульный блок. Ранние RMU с общим баком обычно имели один вход, одну петлю и один выход, подходящие для небольших нагрузок. Однако, с увеличением потребностей в нагрузке, появились расширяемые модульные блоки, предлагающие максимальную мощность распределения до 10 МВА.

SF₆ RMU можно классифицировать по функции на Кабельный тип, Плавкий тип и Тип SF₆ выключатель:

• ​Кабельный тип:​​ Используется для кабельных входов/выходов. Номинальный ток составляет 630A.
• ​Плавкий тип:​​ Может быть напрямую подключен к трансформаторам. Номинальный ток составляет 200A. Однако, учитывая эффект нагрева плавких вставок, каждый RMU фактически ограничен питанием трансформаторов до 1600 кВА в реальных условиях.
• ​Тип SF₆ выключатель:​​ Используется для защиты трансформаторов, превышающих 1600 кВА. Он также может служить входным или секционным устройством с защитой от перегрузки и короткого замыкания. Его номинальный ток составляет 630A, а общее время отключения составляет 95 мс.
  Основные конфигурации SF₆ RMU показаны на следующем рисунке.

​1.2 Конструктивные особенности SF₆ RMU​
Общий бак SF₆ RMU обычно состоит из газового бака, отсека механизма управления и отсека подключения кабеля. Модульный блок дополнительно требует отсека подключения шин.

SF₆ RMU имеют следующие четыре основные характеристики:

1. ​Газовый бак:​​ Это наиболее важная часть RMU. Газовый бак содержит коммутационный выключатель, шины, ось выключателя и SF₆ газ.
• Коммутационный выключатель является трехпозиционным, включающим изолирующий ножевой выключатель и дугогаситель.
• Подвижный контакт ножевого выключателя имеет две специальные заклепки из никро-хромового сплава, выполняющие две функции:
• Обеспечивает сухую смазку при открытии/закрытии выключателя, гарантируя, что контактное сопротивление между подвижным и неподвижным контактами не увеличивается после длительного использования.
• Из-за высокой температуры плавления никро-хромового сплава, подвижный контакт не расплавится из-за тепла, генерируемого током короткого замыкания при закрытии или выдержке.
• Дугогаситель содержит деионизирующие пластины, которые растягивают дугу, снижают энергию дуги и минимизируют количество металлического пара и продуктов разложения SF₆ при прерывании тока нагрузки.
• Часть шины, контактирующая с ножевым выключателем, является неподвижным контактом. Кроме того, что она соответствует требованиям номинальной силы тока и динамической/термической стабильности, дизайн и производство шины также учитывают влияние электромагнитного поля, чтобы минимизировать воздействие магнитного поля.
• Ось выключателя проникает через газовый бак и соединяется с отсеком механизма управления, позволяя операторам вне отсека контролировать состояние выключателя (закрыто, открыто, заземлено). В точке проникновения используется двойная герметизация (единственное движущееся соединение между баком и внешней средой), строго обеспечивая герметичность бака при вакуумировании и заполнении газом.
• Годовой коэффициент утечки SF₆ газа составляет всего 0,0035%. Этот низкий коэффициент утечки критически важен для долгосрочной безопасной работы RMU.
• Помимо SF₆ газа для изоляции и гашения дуги, газовый бак также содержит оксид алюминия (Al₂O₃), который ускоряет регенерацию SF₆ газа и действует как отличный десикант, поддерживая качество SF₆ газа и минимизируя дуговые неисправности. В случае такой неисправности взрывозащитная диафрагма под баком защищает персонал, выпуская горячие газы прямо в кабельный канал под или позади устройства,远离操作人员。气体罐由3毫米厚的不锈钢板双面焊接而成。 2. 操作机构隔室：内部的操作机构通过开关轴连接到负荷开关和接地开关。使用插入操作孔的操作杆，操作员可以轻松地以最小的努力（仅需60 N·m）执行闭合、断开和接地操作。 - 由于开关触点不可见，操作机构具有直接与开关轴相连的位置指示器，清楚地显示负荷开关和接地开关的当前状态。 - 负荷开关、接地开关和前面板之间安装了机械联锁，满足五防要求（防误操作功能）。 - 负荷开关和接地开关都配备了快速合闸/分闸机构，确保开关速度不受操作员速度的影响。 - 带有熔断保护的开关柜（TS型开关设备）还具有自动跳闸装置，可选择机械或电气版本。机械跳闸原理：在单元电路发生短路故障时，熔断器在第一个半周期（约10毫秒）内熔断。熔断器的撞击针撞击跳闸机构，使负荷开关断开。总故障中断时间仅为35毫秒，有效保护单元并防止故障传播到相邻单元。此外，由于出色的机械性能，熔断型开关设备的转移电流可达2300A。 - 可以在操作机构隔室前面板的操作手柄上加装挂锁，防止未经授权的操作。 - 为了安全操作，在隔室内安装了直接连接到气体罐并密封以防潮湿（防止表盘起雾）的气体压力表，允许维护人员随时准确监测RMU的状态。 - 在操作机构隔室内还安装了电压指示器，允许操作员监视电路通电（氖灯指示）并验证相位（使用测试插座）。 3. 电缆连接隔室：位于RMU的前面，高度为1220mm，提供了足够的电缆终端空间。 - 电缆连接到RMU套管使用无石棉触摸屏蔽（AFTS）或无石棉带套件（AWK）硅橡胶电缆附件。 - 铜或铝电缆截面范围从25–240 mm²（对于熔断型开关设备）或35–400 mm²（对于电缆型开关设备）。 4. 母线连接隔室（模块化单元）：位于气体罐下方。三个套管采用交错的“阶梯式”排列，有效减少了空间需求并便于母线连接。 - 套管是空心导电型，允许铜管母线直接螺栓连接到气体罐内的母线。 - 使用硅橡胶绝缘的铜管母线，有效增加了载流能力并减小了相间距（仅为110mm）。 - 母线与套管之间的连接使用硅橡胶连接器（E型端子连接器和T型扩展连接器）和螺纹盖，直接在套管上实现无缝电气连接。这些母线能够在潮湿凝结、导电粉尘和盐沉积等恶劣条件下不发生故障。 - 此外，母线隔室的前面用单独的接地钢板屏蔽，将其与电缆连接隔室分开。 ### 2 SF₆ RMU的技术参数和应用 **2.1 技术参数** | 项目 | 电缆型开关柜 | 熔断型开关柜 | 熔断型开关柜 | | --- | --- | --- | --- | | 额定电压 / kV | 12 | 12 | 12 | | 额定电流 / A | 630 | 200 | 630 | | 工频耐受电压 / kV·min⁻¹ | 50 - 60 | 42 - 48 | 42 - 48 | | 冲击耐受电压 / kV | 125 - 145 | 75 - 85 | 75 - 85 | | 额定分断电流 / A | 630 | 200 | 630 | | 额定转移电流 / A | - | 2300 | - | | 额定短路分断电流 / kA | - | 20 | 20 | | 分断电容电流 / A | 45 | 10 | 50 | | 分断电感电流 / A | 16 | 16 | - | | 额定峰值耐受电流 / kA | 50 | - | 50 | | 额定短时耐受电流 / kA·3s⁻¹ | 20 | - | 20 | | 额定关合电流 / kA | 50 | - | 50 | | 操作次数（630 A）/ 次 | >100 | >100 | 3000 | | 关合操作次数（50 kA）/ 次 | 5 | 5 | 5 | | 机械操作次数 / 次 | 2000 | 2000 | 4000 | | 环境温度 / °C | - | -25 - +55 | - | | 防护等级 | IP65/IP4X | IP65/IP4X | IP65/IP4X | | 泄漏率 / %, 每年 | - | 0.0035 | - | **2.2 SF₆ RMU的应用** 由于其紧凑的尺寸、免维护性和高可靠性，SF₆ RMU特别适合用于关键设施、高层建筑、住宅区和城市电网中的电力分配。它们显著降低了运营成本和占地面积。 - **三单元共箱型**：尺寸仅为980mm × 635mm × 1050mm，非常适合于配电变压器和户外应用。 - **模块化电缆型**：可以包含切换分接箱，支持最多一个进线和三个出线（即通过母线隔室进线，通过电缆连接隔室并联连接三个出线）。 - **模块化熔断型**：适用于远离变电站且只有一个变压器运行的地点。为了实现本地变压器控制而无需额外的进线单元，进线电缆可以直接连接到TS型开关设备单元的母线隔室，提供相同的功能。 - **断路器型开关柜**：配备过流和瞬时跳闸保护。它可以作为变压器保护单元、进线单元或母线段单元。为了实现远程跳闸或变压器气体保护继电器操作（对于熔断型开关柜），只需在操作机构中添加电磁跳闸线圈，并向电路提供220V AC或24V DC电源即可。 - **电动操作**： - 为了实现配电自动化，可以在操作机构隔室中添加电动机，并在顶部安装一个350mm高的控制箱。仍可以进行本地按钮操作（开/关）。 - 添加自动转换开关（ATS）设备，可以实现两个进线电源之间的自动切换，无论是否定义为主/备用配置。 - 电动机通常有多种电压等级（220V AC、220V DC、110V DC、48V DC、24V DC）供用户选择。 - 可以在操作机构隔室的前面板上安装短路故障指示器，信号传输到远程控制室。该指示器可以自动、手动或远程复位。 - 电缆连接隔室可以添加低压穿芯电流互感器（CT）进行电流测量。 - 电缆型开关柜单元内也可以安装避雷器以保护RMU。 - 配电自动化功能主要集中在五个方面：数据采集、监控与控制、故障隔离与服务恢复、地理信息系统（GIS）以及数据统计与报告。 - 实现配电自动化需要主设备具有电动操作机构和馈线终端单元（FTU）或远程终端单元（RTU）。 - 光纤电缆是首选的通信介质。通信协议应是用户熟悉的国际公认标准，如IEC 870、DNP 3.0或TCP/IP。 - 控制室SCADA软件平台应支持多任务和多用户，如UNIX。 - 数据库建议稳定且具有足够的处理能力，如Oracle。 - 该解决方案特别适合位于户外或远离低压电源的RMU，因为它可以保证同时操作两个150W电机超过50次。 ### 3 生命周期 SF₆ RMU的寿命通常为25-30年，并且可以方便地改造为配电自动化设备。因此，SF₆ RMU应该是城市电网改造项目的首选。