Zastosowanie inteligentnych szczelnie izolowanych pierścieniowych jednostek rozdzielczych (SIRMU) w sieci dystrybucyjnej Qinzhou

1 Wprowadzenie​

Regiony przybrzeżne stają w obliczu wyzwań środowiskowych, takich jak silne opady deszczu, pioruny, wysokie temperatury, wilgoć i korozja spowodowana solą morską. Aby zapewnić bezpieczeństwo miejskich sieci dystrybucji w takich warunkach, zminimalizować przerwy w dostawie energii spowodowane konserwacją sprzętu oraz zapobiec wypadkom wynikającym z zużycia sprzętu i innych czynników wpływających na bezpieczeństwo sieci, przeprowadziliśmy badania nad użyciem nowego typu Solid Insulated Ring Main Unit (SIRMU). Ten SIRMU oferuje długotrwałą żywotność, eksploatację bez konserwacji, zgodność z wymogami środowiskowymi, inteligencję oraz poprawioną niezawodność dostawy energii.

Obecnie ponad 90% średnionapięciowych Ring Main Units (RMU) opiera się na gazie SF₆ jako medium izolacyjnym. Gaz SF₆ jest chemicznie bardzo stabilny, posiada doskonałe właściwości izolacyjne i gaszące łuki elektryczne, a jest szeroko stosowany w urządzeniach energetycznych. Urządzenia przełącznikowe izolowane gazem SF₆ są kompaktowe. Jednak gaz SF₆ skrapla się w niskich temperaturach, co zmniejsza jego właściwości izolacyjne i gaszące łuki. W wysokich temperaturach rozkłada się na bardzo toksyczne produkty uboczne, stanowiąc znaczne zagrożenie dla ludzi. Ponadto przecieki i emisje są nieuniknione podczas wypełniania gazu, eksploatacji i odzysku, co sprawia, że SF₆ jest głównym zanieczyszczителем окружающей среды. Газ SF₆ признан одним из шести основных парниковых газов; с точки зрения охраны окружающей среды, его использование следует свести к минимуму или полностью прекратить. Принцип проектирования твердотельного изолированного коммутационного устройства в корне исключает необходимость использования газа SF₆, обеспечивая фундаментальную гарантию для сокращения выбросов и охраны окружающей среды в области распределительных сетей, что соответствует экологическим требованиям.

Inteligentny twardy izolowany moduł pierścieniowy (SIRMU) dla rozszerzeń sieci dystrybucji oferuje nie tylko ekologiczność i wybitną odporność na trudne warunki, ale także wysoki stopień inteligencji. Jego funkcjonalność obejmuje wszystkie cechy tradycyjnie zapewniane przez urządzenia systemów elektroenergetycznych zarówno pierwszego, jak i drugiego stopnia w jednym urządzeniu. Produkt wykorzystuje zintegrowane i modułowe podejście do projektowania zarówno elementów wysokiego, jak i niskiego napięcia, oferując doskonałą uniwersalność i rozszerzalność, reprezentując prawdziwe inteligentne urządzenie elektryczne.

​2 Techniczne zastosowanie inteligentnych twardych izolowanych modułów pierścieniowych (SIRMU)​​

​2.1 Zastosowanie technologii twardych izolacji​

Technologia twardych izolacji polega głównie na zakrywaniu i zabezpieczaniu części aktywnych głównego obwodu średnionapięciowego przełącznika za pomocą materiałów stałych lub przenoszeniu wysokiej intensywności pola elektrycznego do wnętrza materiału izolacyjnego stałego. To pozwala materiałowi stałemu wytrzymać wyższe potencjały, co redukuje natężenie pola w powietrzu. Najpopularniejszymi materiałami izolacyjnymi stałymi są żywice epoksydowe i kauczuk silikonowy.

Twardo izolowany moduł pierścieniowy (SIRMU) używa materiału izolacyjnego stałego jako głównego środka izolacji. Kluczowe elementy przewodzące, takie jak przerzutniki próżniowe i ich połączenia, wyłączniki, przestawiacze ziemne, główne szyny i szyny odgałęźne, są pojedynczo lub zbiorowo zakryte izolacją stałą, tworząc jeden lub kilka modułów. Te moduły są całkowicie izolowane, hermetyczne, mają określone funkcje i są zaprojektowane do ponownego połączenia i rozszerzalności. Dostępne powierzchnie są pokryte warstwami osłonowymi przewodzącymi lub półprzewodzącymi i bezpośrednio i niezawodnie zazemione. Kluczowe cechy to pełna izolacja, pełne szczelne zamknięcie, modułowość, kompaktowa wielkość i inteligencja. SIRMU wykazują znacznie lepsze wydajności niż RMU z gazem SF₆ w stawianiu czoła surowym warunkom, takim jak ekstremalne zimno, duże wysokości, wilgoć i silne wiatry/piórki. Posiadając całkowicie szczelny, wodoodporny projekt bez odsłoniętych przewodników wysokiego napięcia, są szczególnie odpowiednie dla wilgotnych i podatnych na powodzie obszarów, mogą zapewniać niezawodne zasilanie w warunkach wilgotności lub zalania.

​2.2 Zastosowanie technologii inteligentnej ochrony​

Integracja mikroprocesorów i technologii komputerowej do urządzeń elektrycznych nada im funkcje inteligentne, umożliwiając dwustronną komunikację z centrami sterowania. Tworzy to inteligentny system monitorowania, ochrony i zarządzania siecią. Poprzez proste konfiguracje parametrów, jedno inteligentne urządzenie może wygodnie wykonywać funkcje, które tradycyjnie wymagałyby kilku urządzeń.

Konstrukcyjny projekt SIRMU spełnia wymagania nowoczesnych elastycznych inteligentnych siatek. Wykorzystuje szybkie algorytmy, aby nadać przełącznikom szybkie zdolności wyłączania, umożliwiające szybkie izolowanie uszkodzonych linii i efektywne zapobieganie kaskadowemu wyłączaniu. Wyposażony w system ochrony przed przewodem jednofazowym, umożliwia on online wykrywanie takich uszkodzeń w niezazemionych (lub o wysokim impedancie zazemienia/PET/PEN) systemach bez potrzeby dodatkowej konfiguracji, dostarczając alarmy lub polecenia wyłączania zgodnie z ustawionymi wartościami. Główny obwód wykorzystuje modułowy projekt jednofazowy, który całkowicie unika przekładów między fazami podczas operacji i znacząco zwiększa efektywność konserwacji, jednocześnie obniżając koszty. Zintegrowany wbudowany system operacyjny ma architekturę CPU, w tym procesor ARM (ARMP) do ogólnego przetwarzania i sterowania systemem, obok potężnego DSP do efektywnego wielozadaniowego działania, umożliwiającego szybkie przetwarzanie danych, sterowanie i komunikację. Jednostki są kompaktowe, małe, lekkie i łatwe do montażu. Przerwy izolacyjne są widocznie zweryfikowane dla bezpiecznej operacji. Automatyczne rozpoznawanie trybu zasilania umożliwia elastyczną automatyczną zmianę dla podwójnych źródeł zasilania, zwiększając niezawodność zasilania. Elastyczne wsparcie komunikacyjne (GSM SMS, GPRS, CDMA uniwersalne usługi bezprzewodowe, światłowód, skrętki, bezprzewodowe, nośnik) i obsługa wielu protokołów komunikacyjnych ułatwia łatwe wdrożenie automatyzacji dystrybucji.

​2.3 Bezkonserwacyjne i ekologiczne​

Główny przełącznik wykorzystuje bezkonserwacyjny próżniowy przełącznik obwodowy znany ze stabilności i niezawodności, nie wymaga okresowej konserwacji. Zintegrowany projekt wyłącznika i przestawiacza ziemnego z przełącznikiem obwodowym zapewnia kompaktową strukturę z niezawodnymi zamekami mechanicznymi i elektrycznymi, skutecznie zapobiegając błędnym operacjom.

​2.4 Kluczowe procesy produkcyjne i zapewnienie jakości dla SIRMU​

Aby zapewnić stabilność produkcji, spójność i jakość produktu - co gwarantuje długoterminową wytrzymałość izolacji napięcia SIRMU - twardo izolowane słupy wykorzystują proces automatycznego gelenizowania pod ciśnieniem (APG) podczas wytwarzania z żywicy epoksydowej. Wymagania procesu produkcyjnego dla SIRMU przekraczają te dla RMU z gazem SF₆. Niewystarczająca kontrola procesu produkcyjnego znacznie zwiększa prawdopodobieństwo i nasilenie ukrytych defektów i uszkodzeń izolacji w porównaniu do jednostek z gazem SF₆. Surowa kontrola jakości surowców i zaawansowane możliwości procesowe są niezbędne.

Zewnętrzna izolacja przerzutnika próżniowego jest osiągana za pomocą wielu mediów, w tym żywicy epoksydowej, kauczuku silikonowego i powietrza. Dlatego siła izolacji poszczególnych materiałów i obróbka interfejsu między różnymi mediami izolacyjnymi są kluczowe. Oba materiały, żywica epoksydowa i kauczuk silikonowy, oferują doskonałą siłę dielektryczną, osiągając 5-6 razy większą niż powietrze. Osiągnięcie tej siły wymaga ścisłej kontroli procesu formowania - optymalnej temperatury i ciśnienia - wraz z zapewnieniem degazacji i wentylacji materiałów podczas formowania, aby uniknąć uwięzionych mikropęcherzyków. Niepowodzenie w tym nie tylko zmniejsza siłę izolacji, ale również powoduje nierównomierne rozłożenie pola elektrycznego, zwiększając aktywność częściowych rozładowań (PD) i tworząc ryzyko operacyjne. Obróbka interfejsu zapewnia wystarczającą siłę izolacji interfejsu pod naprężeniem, cyklicznymi zmianami temperatury itp., zapobiegając awariom izolacji. Są konieczne niezawodne metody detekcji jakości interfejsu. Obecnie pomiary PD, inspekcja rentgenowska i testy impulsów błyskawiczych mogą dokładnie ocenić siłę izolacji interfejsu.

Wykorzystanie inspekcji rentgenowskiej jako test fabryczny zapobiega defektom, takim jak bańki, porowatość lub pęknięcia w zestawach izolacji stałych, oraz zapewnia, że przerzutniki próżniowe, ich połączenia/terminaly i szyny izolowane stałą nie wykazują w obrazach rentgenowskich żadnych wizualnie widocznych nietypowych deformacji w stosunku do ich pozycji. Wykonywanie pomiarów PD zapobiega powstawaniu i zanikaniu PD w słabościach lub defektach izolacji SIRMU spowodowanych wysokimi polami elektrycznymi, unikając kumulatywnego degradacji prowadzącej do awarii izolacji w czasie.

​3 Techniczny projekt inteligentnego SIRMU​

Na podstawie szerokiego doświadczenia w operacjach sieci dystrybucji i analizy zaawansowanego sprzętu krajowego i międzynarodowego, uwzględniając praktyczne warunki operacji sieci i wymagania środowiskowe, określiliśmy poprzez kompleksowe porównanie, aby opracować i zastosować projekt "Badania zastosowania 10kV inteligentnego twardo izolowanego modułu pierścieniowego".

​3.1 Główna treść techniczna​

Nowe typy SIRMU AVR-12 są instalowane na oryginalnym miejscu. Wykorzystywana jest konfiguracja podwójnego zasilania, wykorzystująca funkcje inteligentne SIRMU do szybkiego izolowania uszkodzonych linii, szybkiego wykrywania przewodów jednofazowych i transmisji wszystkich informacji o przełącznikach za pomocą światłowodu do Głównego Stanu Automatyzacji Dystrybucji (DMS) lub za pomocą SMS do telefonów personelu konserwacyjnego. Wykorzystanie platformy monitorowania głównej stacji umożliwia statystykę danych i analizę uszkodzeń.

Ten projekt jest realizowany w następujących aspektach:

• Na podstawie oryginalnego schematu RMU i uwzględniając ważność użytkownika, zasilanie odbywa się poprzez podwójne linie wejściowe. W normalnym działaniu linia wejściowa #1 dostarcza zasilanie, podczas gdy linia wejściowa #2 jest w gorącym rezerwie.
• Głównym sprzętem jest jednostka pierścieniowa typu AVR-12, składająca się z 7 sekcji: 6 sekcji wyłączników obwodowych (CB) i 1 sekcja transformatora potencjalnego (PT).
• 6 sekcji CB wykorzystują strukturę CB + Wyłącznik (DS) + Przełącznik ziemny (ES), wyposażone w zintegrowane urządzenia ochronne.
• Sekcja PT wykorzystuje strukturę DS + jednofazowy PT, dostarczając zasilanie komunikacyjne. PT można włączać/wyłączać za pomocą DS w sekcji PT, umożliwiając konserwację PT lub linii bez konieczności wyłączenia całego SIRMU.
• Korzystanie z SIRMU typu CB pozwala na wielokrotne przerwanie prądów uszkodzeń krótkiego obwodu. W porównaniu do ochrony z użyciem bezpieczników, oprócz eliminacji nieporęczności i marnotrawstwa związanego z wymianą bezpieczników, zapewnia oni kompleksową ochronę przed krótkimi obwodami poprzez dostosowanie ustawień.

​Normalna operacja:​​
Inteligentny kontroler pobiera parametry (stan przełącznika, stan wyłącznika, prąd napięcia pierwotnego, napięcie zerowe, stan głównego stanu DMS) dla każdej sekcji wejściowej/wyjściowej. Real-time data upload via optical fiber to the Intelligent Distribution Switch Master Station enables remote operation.

​Krótki obwód:​​
Szybka funkcja ochrony inteligentnego kontrolera wykrywa prąd uszkodzenia i przepływ mocy w ciągu 15 ms i usuwa uszkodzenie w ciągu 25 ms, zapewniając normalne zasilanie linii, zapobiegając kaskadowemu wyłączaniu i minimalizując zakres przerwy w zasilaniu. Chwilowe charakterystyki (napięcie, prąd, stan przełącznika) umożliwiają kontrolę nad charakterystyką działania aktuatora magnesu trwałego, skracając czas usuwania uszkodzenia, aby szybko izolować uszkodzoną linię. Jednocześnie kontroler przesyła informacje o działaniu SIRMU za pomocą światłowodu do centrum monitorowania, umożliwiając及时性：确保在15毫秒内检测到故障电流和功率流，并在25毫秒内清除故障，保证线路正常供电，防止级联跳闸，并尽量减少停电范围。瞬时特性（电压、电流、开关状态）可以控制永磁执行器的动作特性，缩短故障清除时间，快速隔离故障线路。同时，控制器通过光纤将SIRMU动作信息传输到监控中心，以便及时评估产品状态并进行故障定位和恢复供电。 **单相接地故障：** 控制器使用零序电流幅值/相位和零序电压幅值/相位来判断SIRMU负载侧是否发生故障。只有当负载侧发生接地故障时，控制器才会发出保护跳闸或报警命令，并通过光纤上传故障信息。电源侧的故障不会触发该SIRMU控制器的动作。 **3.2 主要技术挑战** (1) 应用固体绝缘技术和APG制造工艺，确保SIRMU在高温高盐雾环境下的可靠性、长寿命和免维护。 (2) 采用集成灵活的设计理念，将断路器的高压一次部分与二次智能控制部分结合。内置组合式电流/电压传感器可实时获取一次电压/电流信号和开关状态，灵活控制断路器执行器，优化真空灭弧室的操作。 (3) 快速检测故障电流并执行保护动作。 **项目实施：** 该项目采用集成智能控制装置的固体绝缘环网柜。主开关采用由永磁驱动真空断路器（VCB）与隔离开关（DS）和接地开关（ES）组成的组合装置。配备智能控制系统，即使没有DMS协调也能实现自动控制功能。永磁执行器具有高可靠性和免维护的特点。光纤通信实现实时采集所有环网柜运行参数，简化远程恢复供电和电力故障分析，积累智能电网终端设备的经验。外部不锈钢柜体最大限度地减少了未来的维护工作。 **4 结论** 智能固体绝缘环网柜（SIRMU）是一种安全、环保、稳定、可靠且高度智能的下一代环网柜。特别适合部署在高海拔、极端温差、污染和潮湿等恶劣地点。