Anwendung intelligenter fester Isolier-Schaltanlagen (SIRMUs) im Verteilnetz von Qinzhou

1 Einführung​

Küstenregionen sind mit Umweltproblemen konfrontiert, darunter Starkregen, Blitzschlag, hohe Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit und hoher Salznebelkorrosion. Um die Sicherheit der städtischen Verteilnetze in solchen Umgebungen zu gewährleisten, Störungen durch Wartungsarbeiten an Geräten zu minimieren und Unfälle aufgrund des Endes der Lebensdauer von Geräten und anderer Faktoren, die die Netzsicherheit beeinträchtigen, zu verhindern, haben wir die Verwendung einer neuen Art von Feststoff-isolierten Ringkoppelgeräten (SIRMU) untersucht. Dieses SIRMU bietet eine lange Lebensdauer, wartungsfreie Betriebsweise, Umweltkonformität, Intelligenz und verbesserte Versorgungszuverlässigkeit.

Derzeit verlassen sich über 90% der mittelspannungsfähigen Ringkoppelgeräte (RMUs) auf SF₆-Gas als Isoliermedium. SF₆-Gas ist chemisch sehr stabil, besitzt ausgezeichnete Isolier- und Bögenlösch-Eigenschaften und wird in Elektroinstallationen weit verbreitet eingesetzt. SF₆-gasisolierte Schaltanlagen sind kompakt. Allerdings flüssigt sich SF₆-Gas bei niedrigen Temperaturen, was seine Isolier- und Bögenlöschfähigkeiten reduziert. Bei hohen Temperaturen zersetzt es sich in hochtoxische Nebenprodukte, die erhebliche Risiken für Menschen darstellen. Darüber hinaus sind Leckagen und Emissionen während des Gasfüllens, des Betriebs und der Rückgewinnung unvermeidlich, wodurch SF₆ ein wichtiger Umweltverschmutzer wird. SF₆ wird international als eines der sechs wichtigsten Treibhausgase anerkannt; aus umweltbezogener Sicht sollte sein Einsatz minimiert oder eliminiert werden. Das Designprinzip des Feststoff-isolierten Ringkoppelgeräts beseitigt grundsätzlich den Bedarf an SF₆-Gas und bietet eine grundlegende Garantie für Emissionsreduktion und Umweltschutz im Bereich der Verteilnetze, was stark den Umweltanforderungen entspricht.

Das intelligente Feststoff-isolierte Ringkoppelgerät (SIRMU) für die Erweiterung von Verteilnetzen bietet nicht nur Umweltfreundlichkeit und herausragende Beständigkeit gegenüber harschen Umgebungen, sondern auch einen hohen Grad an Intelligenz. Seine Funktionalität umfasst alle Funktionen, die traditionell sowohl von primären als auch sekundären Stromsystemgeräten bereitgestellt werden, in einem einzigen Gerät. Das Produkt verwendet einen integrierten und modularen Designansatz sowohl für Hoch- als auch Niederspannungskomponenten, bietet ausgezeichnete Vielseitigkeit und Erweiterbarkeit und stellt ein echtes intelligentes elektrisches Gerät dar.

​2 Technische Anwendung intelligenter Feststoff-isolierter Ringkoppelgeräte (SIRMUs)​​

​2.1 Anwendung der Feststoffisolierungstechnologie​

Die Feststoffisolierungstechnologie beinhaltet hauptsächlich das Einschließen und Abdichten der lebenden Teile des Hauptkreises der mittelspannungsfähigen Schaltanlagen in feste Materialien oder das Übertragen der hohen elektrischen Feldstärke in das Innere des festen Isoliermaterials. Dies ermöglicht es dem festen Material, höhere Potentiale zu ertragen, wodurch die Feldstärke in der Luft reduziert wird. Die gängigsten festen Isoliermaterialien sind Epoxidharz und Silikonkautschuk.

Das Feststoff-isolierte Ringkoppelgerät (SIRMU) verwendet festes Isoliermaterial als primäres Isoliermedium. Schlüsselleitungsbauteile wie Vakuumschalter und ihre Verbindungen, Trennschalter, Erdungsschalter, Hauptbusse und Nebenbusse werden einzeln oder gemeinsam in festem Isoliermaterial eingeschlossen, wodurch ein oder mehrere Module gebildet werden. Diese Module sind vollständig isoliert, vollständig abgedichtet, funktionsbestimmt und für Kombination und Erweiterung konzipiert. Oberflächen, die für den Menschen zugänglich sind, sind mit leitfähigen oder halbleitfähigen Abschirmungsschichten beschichtet und direkt und sicher geerdet. Die wichtigsten Merkmale sind volle Isolation, volles Abdichten, Modularität, kompakte Größe und Intelligenz. SIRMUs zeigen im Vergleich zu SF₆-RMUs signifikant bessere Leistungen bei der Beständigkeit gegenüber harschen Umgebungen wie extremer Kälte, hohen Lagen, Feuchtigkeit und starken Wind/Sand. Mit ihrer vollständig abgedichteten, wasserdichten Bauweise ohne freiliegende Hochspannungsleiter sind sie besonders geeignet für feuchte und überschwemmungsgefährdete Gebiete und können in feuchten oder untergetauchten Bedingungen eine zuverlässige Stromversorgung bieten.

​2.2 Anwendung intelligenter Schutztechnologien​

Die Integration von Mikroprozessor- und Computertechnologie in elektrische Ausrüstung verleiht ihr intelligente Funktionen und ermöglicht bidirektionale Kommunikation mit Steuerzentralen. Dies bildet ein intelligentes Überwachungs-, Schutz- und Netzwerkmanagementsystem. Durch einfache Parameterkonfiguration kann ein einzelnes intelligentes Gerät bequem die Funktionen ausführen, die traditionell mehrere Geräte benötigen.

Das Strukturdesign des SIRMU entspricht den Anforderungen moderner widerstandsfähiger Smart Grids. Es verwendet schnelle Algorithmen, um den Schaltern schnelle Auslösekapazitäten zu verleihen, was eine schnelle Isolierung defekter Leitungen und eine effektive Verhinderung von Kaskadenauslösern ermöglicht. Ausgestattet mit einem Einphasen-Erdfehlerschutzsystem ermöglicht es die Online-Detektion solcher Fehler in unverdichteten (oder hochimpedanzverdichteten/PET/PEN)-Systemen ohne zusätzliche Konfiguration und gibt nach eingestellten Werten Alarme oder Auslösebefehle. Der Hauptkreis verwendet ein Einphasen-Modulardesign, das Phasen-zu-Phasen-Kurzschlüsse während des Betriebs vollständig vermeidet und die Wartungseffizienz erheblich steigert, während Kosten gesenkt werden. Ein integriertes eingebettetes Betriebssystem mit einem Kern-CPU-Architektur, einschließlich eines ARM-Prozessors (ARMP) für allgemeine Verarbeitung und Systemsteuerung, sowie eines leistungsfähigen DSP für effiziente Multiaufgabenverarbeitung, ermöglicht Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung, -steuerung und -kommunikation. Die Einheiten sind strukturell kompakt, klein, leicht und einfach zu installieren. Isolationslücken sind sichtbar überprüfbar für sicheren Betrieb. Automatische Erkennung der Versorgungsmodi ermöglicht flexible automatische Umschaltung für Doppelspeisungen, was die Versorgungszuverlässigkeit verbessert. Flexible Kommunikationsunterstützung (GSM SMS, GPRS, CDMA universelle drahtlose Dienste, Glasfaser, Twisted Pair, drahtlos, Träger) und Unterstützung mehrerer Kommunikationsprotokolle erleichtern die einfache Implementierung der Verteilungsautomatisierung.

​2.3 Wartungsfrei und umweltfreundlich​

Der Hauptschalter verwendet einen wartungsfreien Vakuumschalter, der für Stabilität und Zuverlässigkeit bekannt ist und keine regelmäßige Wartung erfordert. Die integrierte Ausführung des Trennschalters und Erdungsschalters mit dem Schalter bietet eine kompakte Struktur mit zuverlässigen mechanischen und elektrischen Verriegelungen, die effektiv vor Fehlbetrieb schützen.

​2.4 Schlüssel-Fertigungsprozesse und Qualitätskontrolle für SIRMUs​

Um die Produktionsstabilität, Konsistenz und Produktqualität zu gewährleisten und damit die langfristige Isolierstandfestigkeit von SIRMU-Produkten zu garantieren, nutzen Feststoff-isolierte Stangen den Automatischen Druck-Gelationsprozess (APG), wenn sie aus Epoxidharz hergestellt werden. Die Herstellungsanforderungen für SIRMUs übertreffen die für SF₆-gasisolierte RMUs. Unzureichende Produktionsprozesskontrolle erhöht erheblich die Wahrscheinlichkeit und Schwere versteckter Isolierdefekte und -fehler im Vergleich zu SF₆-Geräten. Strengste Qualitätskontrolle von Rohstoffen und fortschrittliche Prozessfähigkeiten sind wesentlich.

Die externe Isolierung des Vakuumschalters wird durch mehrere Medien erreicht, darunter Epoxid, Silikonkautschuk und Luft. Daher sind die Isolierstärke einzelner Materialien und die Behandlung der Schnittstellen zwischen verschiedenen Isoliermedien entscheidend. Beide, Epoxid und Silikonkautschuk, bieten ausgezeichnete dielektrische Stärke, die 5-6 Mal so hoch ist wie die von Luft. Um diese Stärke zu erreichen, ist eine strenge Kontrolle des Abformprozesses erforderlich – optimale Temperatur und Druck – sowie die Gewährleistung der Entgasung und Entlüftung während des Abformens, um eingefangene Mikroblasen zu vermeiden. Wenn dies nicht getan wird, verringert sich nicht nur die Isolierstärke, sondern es kommt auch zu einer ungleichmäßigen elektrischen Feldverteilung, was die partielle Entladungsaktivität erhöht und Betriebsrisiken verursacht. Die Schnittstellenbehandlung gewährleistet ausreichende Schnittstellen-Isolierstärke unter Spannung, thermischer Zyklus usw., um Isolierdefekte zu verhindern. Zuverlässige Prüfmethoden für Schnittstellenqualität sind notwendig. Aktuell können PD-Messungen, Röntgenuntersuchungen und Blitzimpulsprüfungen die Schnittstellen-Isolierstärke genau bewerten.

Die Verwendung von Röntgenuntersuchungen als Fabrikprüfung verhindert Defekte wie Blasen, Poren oder Risse in Feststoff-Isolierassemblys und stellt sicher, dass Vakuumschalter, ihre Verbindungen/Terminals und fest isolierte Busse in Röntgenbildern keine optisch erkennbaren Abnormaldeformationen relativ zu ihren Positionen aufweisen. Die Durchführung von PD-Messungen verhindert die Entstehung und Auslöschung von PD in Schwächen oder Defekten innerhalb der Isolation des SIRMU, die durch hohe elektrische Felder verursacht werden, und vermeidet kumulative Degradation, die zu einer Isolierbruch über die Zeit führt.

​3 Technisches Designkonzept für das intelligente SIRMU​

Basierend auf umfangreicher Betriebserfahrung mit Verteilnetzen und Analyse fortschrittlicher in- und ausländischer Ausrüstung, unter Berücksichtigung der tatsächlichen Netzbetriebsbedingungen und Umweltanforderungen, haben wir durch eine umfassende Vergleichsanalyse das Projekt "Anwendungsforschung des 10kV-intelligenten Feststoff-isolierten Ringkoppelgeräts" entwickelt und angewendet.

​3.1 Haupttechnischer Inhalt​

Neue AVR-12-Typ Feststoff-isolierte Ringkoppelgeräte (SIRMUs) werden am ursprünglichen Standort installiert. Eine Doppelspeisungskonfiguration wird verwendet, die die intelligenten Funktionen des SIRMU nutzt, um defekte Leitungen schnell zu isolieren, Einphasen-Erdfehler schnell zu erkennen und alle Schaltinformationen über Glasfaser an die Verteilautomatisierungsmasterstation (DMS) oder per SMS an die Handys des Wartungspersonals zu übertragen. Die Nutzung der Masterstation-Überwachungsplattform ermöglicht Datenstatistik und Fehleranalyse.

Dieses Projekt wird in den folgenden Aspekten umgesetzt:

• Basierend auf dem ursprünglichen RMU-Schema und unter Berücksichtigung der Benutzerwichtigkeit wird die Stromversorgung über zwei Eingangsleitungen erfolgen. Im normalen Betrieb versorgt Eingang #1, während Eingang #2 in Warmstandby befindet.
• Die Hauptausrüstung besteht aus dem AVR-12-Typ Ringkoppelgerät, bestehend aus 7 Zellen: 6 Schaltzellen (CB) und 1 Spannungswandlerzelle (PT).
• Die 6 CB-Zellen verwenden eine CB + Trennschalter (DS) + Erdungsschalter (ES)-Struktur, ausgestattet mit integrierten Schutzgeräten.
• Die PT-Zelle verwendet eine DS + Einphasen-PT-Struktur, die Kommunikationsstrom bereitstellt. Der PT kann mithilfe des DS in der PT-Zelle eingeschaltet oder ausgeschaltet werden, was die Wartung des PT oder der Leitung ohne vollständige SIRMU-Ausfallzeit ermöglicht.
• Die Verwendung von CB-Typ SIRMUs ermöglicht mehrere Unterbrechungen von Kurzschlussfehlströmen. Im Vergleich zum Schutz durch Sicherungen bietet dies neben der Eliminierung der Unannehmlichkeiten und Verschwendung durch Sicherungswechsel durch Einstellungen umfassenden Kurzschlussfehlerschutz.

​Normaler Betrieb:​​
Der intelligente Controller erfasst Parameter (Schaltzustand, Trennschalterzustand, Primärstrom/Spannung, Nullfolgestrom/Spannung, DMS-Masterstatus) für jede Eingangs-/Ausgangszelle. Die Echtzeitdatenübertragung über Glasfaser an die intelligente Verteilschaltmasterstation ermöglicht die Fernsteuerung.

​Kurzschlussfehler:​​
Die schnelle Schutzfunktion des intelligenten Controllers erkennt den Fehlerstrom und den Leistungsfluss innerhalb von 15 ms und beseitigt den Fehler innerhalb von 25 ms, wodurch die normale Leitungszufuhr sichergestellt, Kaskadenauslöser verhindert und die Ausfallbereich minimiert wird. Momentane Eigenschaften (Spannung, Strom, Schaltzustand) ermöglichen die Steuerung der Wirkungscharakteristik des Permanentmagneten-Aktors, verkürzen die Fehlerbeseitigungszeit, um die Fehlerleitung schnell zu isolieren. Gleichzeitig sendet der Controller die SIRMU-Aktionsinformationen über Glasfaser an das Überwachungszentrum, was eine zeitnahe Bewertung des Produktstatus ermöglicht und die Fehlerortung und -behebung erleichtert.

​Einphasen-Erdfehler:​​
Der Controller verwendet die Nullfolgestromgröße/Phase und Nullfolgespannunggröße/Phase, um zu bestimmen, ob ein Fehler auf der Lastseite des SIRMU auftritt. Nur bei Erdfehlern auf der Lastseite gibt der Controller einen Schutzbefehl oder Alarm aus und überträgt die Fehlerinformationen über Glasfaser. Fehler auf der Quellseite lösen keine Aktionen durch den Controller dieses SIRMU aus.

​3.2 Hauptsächliche technische Herausforderungen​

(1) Anwendung der Feststoffisolierungstechnologie und des APG-Herstellungsprozesses, um die Zuverlässigkeit, die lange Lebensdauer und den wartungsfreien Betrieb des SIRMU in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hohem Salznebel zu gewährleisten.
(2) Verwendung eines integrierten, flexiblen Designkonzepts, das den Hochspannungsprimärabschnitt des Schalters mit dem sekundären intelligenten Steuerabschnitt kombiniert. Integrierte kombinierte Strom-/Spannungssensoren ermöglichen die Echtzeit-Erfassung von Primärspannungs- und -stromsignalen und Schaltzuständen für flexible Steuerung des Schalteraktors und optimieren die Vakuumschalteroperation.
(3) Schnelle Erkennung von Fehlerstrom und Ausführung von Schutzaktionen.

​Projektumsetzung:​​
Dieses Projekt setzt auf feststoff-isolierte RMUs mit integrierten intelligenten Steuergeräten. Der Hauptschalter verwendet ein kombiniertes Gerät, bestehend aus einem Permanentmagneten-aktuierten Vakuumschalter (VCB) mit integriertem Trennschalter (DS) und Erdungsschalter (ES). Ausgestattet mit einem intelligenten Steuerungssystem führt es automatische Steuerfunktionen auch ohne DMS-Koordination aus. Der Permanentmagneten-Aktor bietet hohe Zuverlässigkeit und wartungsfreien Betrieb. Die Glasfaserkommunikation ermöglicht die Echtzeit-Erfassung aller RMU-Betriebsparameter, vereinfacht die Fernwiederherstellung der Energieversorgung und die Analyse von Energiefehlern und sammelt Erfahrungen für intelligente Grid-Endgeräte. Ein äußerer Edelstahlgehäuse minimiert zukünftige Wartung.

​4 Schlussfolgerung​

Das intelligente Feststoff-isolierte Ringkoppelgerät (SIRMU) ist ein sicheres, umweltfreundliches, stabiles, zuverlässiges und hochintelligentes nächste Generation-RMU. Es ist besonders gut geeignet für den Einsatz an harten Standorten, die durch hohe Lagen, extreme Temperaturschwankungen, Verschmutzung und Feuchtigkeit gekennzeichnet sind.