Primjena pametnih čvrsto izoliranih kružnih glavnih jedinica (SIRMU) u distribucijskoj mreži Qinzhou

1 Uvod​

Pobřežní oblasti čelí environmentálním výzvám, jako jsou silné deště, blesky, vysoké teploty, vysoká vlhkost a koroze způsobená solemi. Aby byla zajištěna bezpečnost městských distribučních sítí v takovém prostředí, minimalizovány přerušení dodávek elektrické energie způsobená údržbou zařízení a zabráněny nehody způsobené vyčerpáním životnosti zařízení a jinými faktory ovlivňujícími bezpečnost sítě, provádíme výzkum použití nového typu pevně izolovaného kruhového hlavního jednotky (SIRMU). Tento SIRMU nabízí dlouhou životnost, bezúdržbové provozování, shodu s požadavky na ochranu životního prostředí, inteligenci a zlepšení spolehlivosti dodávek elektrické energie.

V současné době více než 90% středně napěťových kruhových hlavních jednotek (RMUs) používá SF₆ plyn jako izolační médium. SF₆ plyn je chemicky velmi stabilní, má vynikající izolační a uhasívací vlastnosti a je široce používán v elektrotechnickém zařízení. SF₆ plynová izolační zařízení jsou kompaktní. Avšak SF₆ plyn tekutí při nízkých teplotách, což snižuje jeho izolační a uhasívací schopnosti. Při vysokých teplotách se rozkládá na významně toxické vedlejší produkty, což představuje významné riziko pro lidi. Kromě toho unikání a emise jsou nevyhnutelné během plnění, provozu a sběru plynu, což z SF₆ dělá významného environmentálního znečišťovatele. SF₆ je mezinárodně uznáván jako jeden ze šesti hlavních skleníkových plynů; z hlediska životního prostředí by jeho použití mělo být minimalizováno nebo zcela eliminováno. Návrhový princip pevně izolované kruhové hlavní jednotky (SIRMU) zásadně eliminuje potřebu SF₆ plynu, což poskytuje základní záruku pro snížení emisí a ochranu životního prostředí v odvětví distribuční sítě, což odpovídá environmentálním požadavkům.

Inteligentní pevně izolovaná kruhová hlavní jednotka (SIRMU) pro rozšíření distribuční sítě nabízí nejen ekologickou shodu a vynikající odolnost proti nepříznivým podmínkám, ale také vysokou míru inteligence. Funkčnost zahrnuje všechny funkce, které tradičně poskytují jak primární, tak sekundární zařízení elektrického systému v jednom zařízení. Produkt používá integrovaný a modulární návrhový přístup pro oba vysokonapěťové a níkonapěťové komponenty, což nabízí vynikající univerzálnost a rozšiřitelnost, představující opravdu chytré elektrické zařízení.

​2 Technické použití inteligentních pevně izolovaných kruhových hlavních jednotek (SIRMUs)​​

​2.1 Použití technologie pevné izolace​

Technologie pevné izolace se primárně týká zapouzdření a uzavření živých částí hlavní cesty středně napěťového přepínače pevnými materiály, nebo přenosu vysoké intenzity elektrického pole do vnitřku pevného izolačního materiálu. To umožňuje pevnému materiálu snést vyšší potenciály, čímž se snižuje síla pole ve vzduchu. Nejběžnější pevné izolační materiály jsou epoxidová smola a kaučukový silikon.

Pevně izolovaná kruhová hlavní jednotka (SIRMU) používá pevný izolační materiál jako hlavní izolační médium. Klíčové vodičové části obvodu, jako jsou vakuumové přerušovače a jejich spoje, oddělovače, zemnící přepínače, hlavní sběrnice a odbočné sběrnice, jsou individuálně nebo kolektivně zapouzdřeny v pevné izolaci, tvoříce jednu nebo několik modulů. Tyto moduly jsou plně izolované, plně uzavřené, mají specifické funkce a jsou navrženy pro rekombinaci a rozšiřitelnost. Plochy dostupné pro člověka jsou pokryty vodivými nebo polovodivými štítícími vrstvami a jsou přímo a spolehlivě zazemleny. Klíčové charakteristiky zahrnují plnou izolaci, plné uzavření, modularitu, kompaktnost a inteligenci. SIRMU ukazují výrazně lepší výkon v odolnosti proti nepříznivým podmínkám, jako jsou extrémní chlad, vysoké nadmořské výšky, vlhkost a silný vítr/písek. Díky plně uzavřenému, voděodolnému návrhu bez expozice vysokonapěťových vodičů jsou obzvláště vhodné pro mokré a zaplavované oblasti, schopné poskytovat spolehlivé dodávky elektrické energie v mokrých nebo zaplavených podmínkách.

​2.2 Použití inteligentních ochranných technologií​

Integrace mikroprocesorové a počítačové technologie do elektrického zařízení mu poskytuje inteligentní funkce a umožňuje bidirekční komunikaci s řídícími centry. Toto tvoří inteligentní systém sledování, ochrany a správy sítě. Prostřednictvím jednoduché konfigurace parametrů může jedno inteligentní zařízení pohodlně plnit funkce, které tradičně vyžadovaly několik zařízení.

Konstrukční návrh SIRMU odpovídá požadavkům moderních odolných inteligentních sítí. Používá rychlé algoritmy, aby přerušovačům poskytl rychlé trippovací schopnosti, umožňující rychlé izolování vadných linek a efektivní prevenci kaskádového trippování. Vybaven jednofázovým zemnicím ochranným systémem umožňuje online detekci takových poruch v nnezemněných (nebo vysokoodporově zemněných/PET/PEN) systémech bez potřeby další konfigurace, poskytující alarmy nebo příkazy k trippování podle nastavených hodnot. Hlavní obvod používá jednofázový modulární návrh, který úplně eliminuje fázové krátké spojení během provozu a výrazně zvyšuje efektivitu údržby a snižuje náklady. Integrovaný vestavěný operační systém má jádro CPU architektury, včetně ARM procesoru (ARMP) pro obecné zpracování a řízení systému, spolu s výkonným DSP pro efektivní multitasking, umožňující rychlé zpracování dat, řízení a komunikaci. Jednotky jsou strukturálně kompaktní, malé, lehké a snadno instalovatelné. Izolační mezery jsou viditelně ověřitelné pro bezpečné provozování. Automatické rozpoznávání režimu dodávky umožňuje flexibilní automatické přepínání pro dvojí dodávky, což zvyšuje spolehlivost dodávek elektrické energie. Nabízí flexibilní komunikační podporu (GSM SMS, GPRS, CDMA univerzální bezdrátové služby, optické vlákno, drátové páry, bezdrátové, nosič), a podporu více komunikačních protokolů, což usnadňuje snadné implementace distribuční automatizace.

​2.3 Bezúdržbové a ekologické​

Hlavní přepínač používá bezúdržbové vakuumové přerušovače známé svou stabilitou a spolehlivostí, které nevyžadují pravidelnou údržbu. Integrovaný návrh oddělovače a zemnícího přepínače s přerušovačem poskytuje kompaktní strukturu s spolehlivými mechanickými a elektrickými interlocky, což efektivně brání nesprávnému provozování.

​2.4 Klíčové výrobní procesy a kontrola kvality pro SIRMU​

Aby byla zajištěna stabilita výroby, konzistence a kvalita produktu – což zaručuje dlouhodobou izolační odolnost produktů SIRMU – pevné izolační tyče používají proces Automatického Tlakového Gelování (APG) při výrobě z epoxidové smoly. Požadavky na výrobní procesy pro SIRMU přesahují požadavky pro SF₆ plynově izolované RMU. Nedostatečná kontrola výrobního procesu významně zvyšuje pravděpodobnost a závažnost skrytých izolačních vad a poruch v porovnání s SF₆ jednotkami. Přísná kontrola surovin a pokročilé výrobní schopnosti jsou nezbytné.

Externí izolace vakuumového přerušovače je dosažena prostřednictvím několika médií, včetně epoxidové smoly, kaučukového silikonu a vzduchu. Proto je klíčová izolační síla jednotlivých materiálů a interfaciální zpracování mezi různými izolačními médiemi. Oba, epoxidová smola a kaučukový silikon, nabízejí vynikající dielektrickou sílu, dosahující 5-6krát tolik jako vzduch. Dosáhnout této síly vyžaduje přísnou kontrolu lisovacího procesu – optimální teplota a tlak – spolu s zajištěním degazace a vypouštění materiálů během lisování, aby se zabránilo uvěznění mikro bublin. Pokud tomu tak není, nejen snižuje to izolační sílu, ale také způsobuje nerovnoměrné rozdělení elektrického pole, zvyšuje aktivitu částečných výbojků (PD) a představuje operační riziko. Interfaciální zpracování zajišťuje dostatečnou interfaciální izolační sílu pod napětím, termickými cykly atd., zabírající před selháním izolace. Jsou nezbytné spolehlivé metody pro detekci kvality interfacií. Současně mohou měření PD, rentgenová kontrola a testy bleskového impulzu přesně posoudit interfaciální izolační sílu.

Použití rentgenové kontroly jako továrního testu prevence vad, jako jsou bubliny, póry nebo trhliny v pevných izolačních montážích, a zajišťuje, že vakuumové přerušovače, jejich spoje/kontakty a pevně izolované sběrnice neukazují žádné vizuálně zřetelné anomální deformace na rentgenových obrazech vzhledem k jejich poloze. Provádění měření PD prevence vzniku a zániku PD v slabých místech nebo defektů v izolaci SIRMU způsobených vysokým elektrickým polem, zabírá postupné degradaci vedoucí k prolomení izolace v průběhu času.

​3 Technický návrh pro inteligentní SIRMU​

Na základě rozsáhlého zkušeností s operací distribuční sítě a analýzy pokročilého domácího a zahraničního zařízení, s ohledem na praktické podmínky provozu sítě a požadavky na životní prostředí, jsme rozhodli o rozsáhlém srovnání vyvíjet a aplikovat projekt "Výzkum aplikace 10kV inteligentní pevně izolované kruhové hlavní jednotky".

​3.1 Hlavní technický obsah​

Nové AVR-12 typu pevně izolované kruhové hlavní jednotky (SIRMU) jsou nainstalovány na původním místě. Používá se konfigurace s dvojitým zdrojem dodávky, využívající inteligentní funkce SIRMU pro rychlé izolování vadných linek, rychlé detekce jednofázových zemnicích poruch a přenos všech informací o přepínačích přes optické vlákno na Distribuční Automatizační Hlavní Stanici (DMS) nebo přes SMS na telefony údržbářů. Využití monitorovací platformy hlavní stanice umožňuje statistiku dat a analýzu poruch.

Tento projekt je realizován v následujících aspektech:

• Na základě původního návrhu RMU a s ohledem na význam uživatele je dodávka elektrické energie zajištěna dvěma příchozími linkami. Během normálního provozu Incomer #1 dodává elektrickou energii, zatímco Incomer #2 je v horké pohotovosti.
• Hlavní zařízení je AVR-12 typ kruhové hlavní jednotky, skládající se ze 7 celků: 6 celků přerušovače (CB) a 1 celku napěťového transformátoru (PT).
• 6 celků CB používají strukturu CB + Oddělovač (DS) + Zemnící přepínač (ES), vybavené integrovanými ochrannými zařízeními.
• Celok PT používá strukturu DS + jednofázový PT, poskytující komunikační energii. PT může být přepnut do/vy z provozu pomocí DS v celku PT, což umožňuje údržbu PT nebo linky bez nutnosti úplného vypnutí SIRMU.
• Použití CB-typu SIRMU umožňuje několik přerušení krátkozaměnného proudového toku. V porovnání s ochranou fuze, kromě eliminace nevýhod a ztráty při výměně fuze, poskytují komplexní ochranu před krátkozaměnným proudem prostřednictvím nastavení.

​Normální provoz:​​
Inteligentní kontrolér získává parametry (stav přerušovače, stav oddělovače, primární proud/napětí, nulový sekvencní proud/napětí, stav hlavní stanice DMS) pro každý příchozí/odchozí celok. Reálná data jsou přenesena přes optické vlákno na Intelligent Distribution Switch Master Station, což umožňuje vzdálené řízení.

​Krátkozaměnná porucha:​​
Rychlá ochranná funkce inteligentního kontroléru detekuje poruchový proud a tok energie do 15ms a vyřeší poruchu do 25ms, což zajišťuje normální dodávku linky, prevenci kaskádového trippování a minimalizaci rozsahu výpadku. Okamžité charakteristiky (napětí, proud, stav přepínače) umožňují řízení charakteristik akce permanentního magnetu, což zkracuje dobu vyřešení poruchy a rychle izoluje vadnou linku. Současně kontrolér přenáší informace o akci SIRMU přes optické vlákno do monitorovacího centra, což umožňuje včasnou hodnocení stavu produktu a usnadňuje lokalizaci poruchy a obnovu dodávky elektrické energie.

​Jednofázová zemnicí porucha:​​
Kontrolér používá velikost/fázi nulového sekvencního proudu a velikost/fázi nulového sekvencního napětí k určení, zda došlo k poruše na zatížené straně SIRMU. Pouze pro zemnicí poruchy na zatížené straně kontrolér vydá příkaz k ochrannému trippování nebo upozornění a přenese informace o poruchách přes optické vlákno. Poruchy na straně zdroje nezpůsobí akce tohoto kontroléru SIRMU.

​3.2 Hlavní technické výzvy​

(1) Použití technologie pevné izolace a výrobního procesu APG k zajištění spolehlivosti, dlouhé životnosti a bezúdržbového provozu SIRMU v prostředí s vysokými teplotami a vysokou solnou mlhou.
(2) Použití integrovaného, flexibilního návrhového konceptu kombinujícího vysokonapěťovou primární část přerušovače s sekundární inteligentní kontrolní částí. Vestavěné kombinované senzory proudu/napětí umožňují reálné časové získávání signálů proudu/napětí a stavu přepínače pro flexibilní řízení aktuatoru přerušovače, optimalizující provoz vakuumového přerušovače.
(3) Rychlá detekce poruchového proudu a provedení ochranných akcí.

​Realizace projektu:​​
Tento projekt využívá pevně izolované RMU s integrovanými inteligentními kontrolními zařízeními. Hlavní přepínač používá kombinační zařízení složené z Permanent Magnet Actuated Vacuum Circuit Breaker (VCB) s integrovaným Oddělovačem (DS) a Zemnícím přepínačem (ES). Vybaven inteligentním kontrolním systémem provádí automatické kontrolní funkce i bez koordinace DMS. Permanentní magnetový aktuator nabízí vysokou spolehlivost a bezúdržbové provozování. Komunikace přes optické vlákno umožňuje reálné časové shromažďování všech provozních parametrů RMU, zjednodušuje vzdálenou obnovu dodávky elektrické energie a analýzu poruch, a akumuluje zkušenosti pro terminálová zařízení inteligentních sítí. Externí nerezová skříň minimalizuje budoucí údržbu.

​4 Závěr​

Inteligentní pevně izolovaná kruhová hlavní jednotka (SIRMU) je bezpečná, ekologická, stabilní, spolehlivá a vysoko inteligentní generace RMU. Je obzvláště vhodná pro nasazení v obtížných lokacích charakterizovaných vysokými nadmořskými výškami, extrémními kolísáními teplot, kontaminací a vlhkostí.