Новые распределительные устройства от ABB значительно ускоряют и упрощают установку. На рисунке показан компактный выключатель с элегазовой изоляцией ELK-3 compact
Комплексные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ) работают невидимо - никаких движений, лишь незначительное жужжание выдает наличие мощного потока электроэнергии переменного тока. Эти, на первый взгляд, довольно простые устройства, при внимательном изучении демонстрируют сложность разнообразия конфигураций, инженерных усилий, и затрат на установку типичного КРУЭ. Но теперь компания ABB предлагает новое распределительное оборудование с элегазовой изоляцией, которое значительно все упрощает. Даже те выключатели, которые рассчитаны на напряжение 400 кВ, полностью собираются в заводских условиях, в них выполняется необходимая проводка, и они проходят заводские испытания. Установка таких устройств выполняется быстро и легко: блок выключателя перемещается на колесах к месту назначения, и установка может быть выполнена в течение одного дня. Компактные размеры выключателя оставляют больше пространства для доступа, облегчают его установку даже в малых строениях, и обеспечивают экономию таких ресурсов, как элегаз и металлы.
На открытом воздухе устанавливается большое количество электрического распределительного оборудования, поэтому в их конструкции необходимо учитывать диэлектрические свойства воздуха. В результате, такое коммутационное оборудование может занимать заметный объем недвижимой собственности. В тех случаях, когда пространство ограничено, или дорого стоит, или где возникают проблемы с окружающей средой, КРУЭ представляют собой идеальную альтернативу. В этом оборудовании выключение осуществляется внутри герметичной камеры, заполненной элегазом. Этот газ обладает более высокими свойствами изоляции, чем воздух, поэтому размеры оборудования могут быть намного меньше. Подстанции, располагаемые под землей в городах, внутри плотин гидроэлектростанций, на дорогостоящих площадях недвижимости, или в контейнерах, практически, не могут быть реализованы без использования технологии КРУЭ.
Оборудование с элегазовой изоляцией пригодно для использования в окружающей среде с жесткими погодными условиями - в пустынях, в высокогорных районах, или на нефтяных платформах, расположенных в море. Благодаря низким уровням шума и небольшому электромагнитному излучению, их можно использовать и в жилых районах, и на предприятиях чувствительного к этим помехам производства. КРУЭ также улучшают эффективность электрической сети, позволяя передавать электроэнергию более высокого напряжения к местам повышенной нагрузки в городах.
Первые устройства с газовой изоляцией появились в 1965 году, и использовали в качестве изолирующей среды элегаз (гексафторид серы, SF6). Сегодня распределительное оборудование с элегазовой изоляцией доступно для напряжений от 52 до 1200 кВ. К сегодняшним тенденциям и потребностям технологии КРУЭ относятся:
- Менее сложная, более стандартизированная конструкция, которая, благодаря своим особенностям, улучшает надежность и облегчает разработку, производство, установку и обслуживание. Приобретение и использование КРУЭ должно стать проще, время его поставки - сократиться, а период эксплуатации - увеличиться.
- Меньшие размеры, экономящие ресурсы, дающие более удобный доступ к оборудованию, и позволяющие устанавливать его в меньших по размеру зданиях или контейнерах.
- Цифровые контроллеры и электронное измерительное оборудование, предоставляющие функции всестороннего мониторинга, контроля и управления.
- Более высокие уровни непрерывного тока и тока короткого замыкания.
- Применение меньшего количества SF6, и уменьшение эмиссии этого газа.
Этим тенденция отвечают новые продукты КРУЭ компании ABB, рассчитанные на работу с напряжениями в 66 кВ, 220 кВ и 400 кВ, и выпушенные в 2010, 2011 и 2012 году, соответственно. Все семейство этих продуктов построено на общих конструктивных принципах, и в разных продуктах используется большое количество одинаковых компонентов.
Компактные и эффективные
Новые продукты демонстрируют значительное снижение нагрузки на окружающую среду - как с точки зрения своих размеров, так и в использовании сырья и элегаза.
Новый набор продуктов основан на более развитых технологиях выключателей, позволяющих им иметь меньшие размеры, и более компактные приводы. Устройство КРУЭ ELK-14 compact, рассчитанное на 220 кВ, использует современный включатель двойного движения, Auto-PufferTM (с авто обдувом). Каждый полюс требует менее 900 джоулей аккумулированной энергии для прерывания тока короткого замыкания величиной в 50 кА. Выключатель ELK- 14 compact имеет на 43 процента меньше объема, и весит на 2 тонны меньше, чем предшествовавший ему продукт (рис 1.). В результате получается компактный блок, помещающийся в контейнер, используемый как для доставки, так и в качестве постоянного размещения.
ELK-14 compact, 220 кВ
Размеры 5000 х 2600 х 1600 мм
Объем 21 м3
Площадь 8 м2
Крюк крана 1.5 тонн
Грузоподъемность крана 5.5 тонн
Объем SF6 115 кг.
ELK-14, 300 кВ
Размеры 5900 х 3720 х 1680 мм
Объем 37 м3
Площадь 10 м2
Крюк крана 3 тонны
Грузоподъемность крана 7.5 тонн
Объем SF6 147 кг.
Рисунок 1. Выключатель ELK-14 compact, 220 кВ в сравнении со своим предшественником
КРУЭ ELK-3 compact, 400 кВ, снабжено новым выключателем с обдувом и одним прерывателем, и обеспечивает прекрасную, двухшаговую работу при 63 кА / 60 Гц. Этот выключатель имеет достаточный резерв для обслуживания коротких замыканий на линии, и других ситуаций. Выключатель ELK-3 compact использует только один прерыватель там, где в прошлом требовались два последовательных прерывателя и более мощный привод. Также имеет место значительная экономия в размерах и весе (рис 2).
ELK-3 compact, 400 кВ
Вес 14 тонн
SF6 - 308 кг.
Объем 66 м3
Площадь 17 м2
ELK-3, 400 кВ
Вес 16 тонн
SF6 - 601 кг.
Объем 98 м3
Площадь 20м2
Рисунок 2. Выключатель ELK-3 compact в сравнении со своим предшественником
Алюминиевое литье под низким давлением и расчет напряжений при помощи метода трехмерных конечных элементов дали возможность спроектировать такие корпуса устройств, которые имеют сложную форму, но при этом обеспечивают герметичность при жестких требованиях безопасности. В результате получились "тощие" корпуса, минимизирующие заключенный в них объем, а, следовательно, и количество используемого элегаза. Хорошим примером этого является КРУЭ ENK для напряжения 52.5 кВ, который использует 27 кг элегаза на один блок (для типичного двухшинного подключения к кабелям). Это меньше половины того, что используют выключатели традиционной конструкции. Еще одним примером служит ELK-14, который использует 115 кг элегаза, на 32 кг меньше своего предшественника.
Лучшие в обоих мирах
Традиционно КРУЭ для 220 кВ часто используют замкнутую однофазную конструкцию. Хотя это позволяет снизить сложность, но компоненты замкнутых трехфазных КРУЭ для 220 кВ имеют большие размеры, и их трудно проектировать. Выключатель ELK-14 compact является инновационным. Все его компоненты относятся к замкнутым трехфазным, но вместо трехфазных изоляторов разделения, как это применяется в КРУЭ для 145 кВ, в нем используется однофазные изоляторы. Вместе с небольшим корпусом, ELK-14 занимает место между традиционной однофазной и трехфазной конструкцией, объединяя в себе лучшие характеристики обоих подходов.
Простота
Новые КРУЭ компании ABB состоят из набора стандартных строительных блоков. Сами блоки могут быть сконфигурированы под конкретные требования пользователя на самой последней стадии производственного процесса. Это снижает время поставки. Даже для 400 кВ КРУЭ оборудуются интегрированными панелями локального управления, установленными непосредственно на стальных опорах, несущих блок всего устройства. Вместо того чтобы соединять блок с панелью дистанционного управления на месте установки, все кабельное хозяйство устанавливается в заводских условиях, в управляемой среде, с автоматическими испытательными средствами. Любые ошибки, связанные с прокладкой проводов, исправляются до того, как блок покинет завод.
Время установки снижается почти вдвое
Новая конструкция КРУЭ позволяет поставлять блоки с полной прокладкой проводов в контейнерах, или на плоских тележках. Теперь типичная подстанция на 400 кВ требует только 44 единиц поставки, и 53 операций их соединения, в то время как при использовании предшествующих продуктов требовалось поставка 80 единиц, и 74 операции их соединения.
На месте монтажа, блоки на 400 кВ скатываются с разгружаемой платформы, и закатываются в место из окончательного размещения. После выравнивания по горизонтали, смежные блоки соединяются, и подключаются к системе управления подстанции. На все это требуется несколько часов. Перед тем, как покинуть завод, блоки заранее заполняются элегазом при транспортировочном давлении (чуть больше 1 бара). Это значительно снижает время и усилия для работы с газом на месте установки.
В целом, время установки оборудования снижается процентов на 40.
Легкий доступ при эксплуатации
Хотя во время эксплуатации требуется минимальное обслуживание, доступ ко всем необходимым частям распределительного оборудования, таким, как приводы, смотровые порты, датчики плотности газа, клапаны заполнения газом, и термические блоки, сделан свободным - это значительно сокращает время обслуживания или ремонта.
Рисунок 3. Фронтальный доступ к приводам (ELK-14 compact)
Уникальной характеристикой является то, что приводы и индикаторы положения для разъединителей и переключателей заземления размещаются снизу локальной панели управления (Рис. 3). При проведении ручных операций при авариях, пользователь может получить доступ к приводам, находясь в проходе для оператора. Для этого используется коленчатый рычаг, или запирающий замок. Теперь больше не требуется использовать лестницы или подмостки. Кроме того, приводы являются вставляемыми элементами, и могут быть легко извлечены из блока для обследования или обслуживания.
Удобный доступ к смотровым портам, газовым клапанам и мониторам предоставляется благодаря опорной платформе или мостками. Они являются неотъемлемой частью КРУЭ, и больше не требуется специально проектировать их.
Рисунок 4. Объединенные датчики тока и напряжения для 400 кВ
Цифровые датчики и "умное" оборудование
Сегодняшняя практика измерения основных параметров с использованием индуктивных токовых трансформаторов и трансформаторов напряжения, развивалась параллельно с переходом от виниловых пластинок к CD. Отказ от виниловых пластинок позволил избавиться от искажений, создаваемых аналоговым воспроизведением, так как СD и оптические связи обеспечивали недорогое, свободное от искажений воспроизведение звука при каждом проигрывании. Измерения тока и напряжений на подстанциях претерпели аналогичные изменения. Старые проблемы, вызванные кратковременной работой и насыщением токовых трансформаторов, избыточными или недостаточными нагрузками, длиной и сечением кабелей, и входным импедансом аварийных реле, ушли в прошлое с появление электронных высокоточных датчиков для тока и напряжения. Такие датчики поставляются с цифровым интерфейсом и подключаются к реле защиты с цифровым входом столь же легко, как проигрыватель CD. Они имеют выдающуюся стабильность, динамический диапазон, и высокую точность - один токовый датчик обеспечивает и измерительные данные класса 0.2, и точные данные о токе в диапазоне тысяч ампер.
Поэтому большинство распределительного оборудования ABB c элегазовой изоляцией сегодня поставляется с компактными датчиками тока и напряжения, использующими катушки Роговски, и емкостные датчики напряжения [2] (рис.4). Датчики подключаются к любому реле, имеющему цифровой оптический интерфейс, соответствующий стандарту IEC 61850-9-2, например, к реле серии ABB Relion.
Заменяя массивные, с аппаратным монтажом, средства управления, и сложные электрические схемы, панель цифрового управления имеет сетевой интерфейс, основанный на модели данных IEC 61850, и протоколах связи. Блок КРУЭ поставляется с описаниями на языке XML их электронных возможностей - готовыми к загрузке, просмотру и объединению в автоматизированную систему подстанции (рис. 5).
Уровень станции - решения серии SDAS600 для автоматизации работы подстанции с шиной станции IEC 61850.
Уровень блока - Устройства управления и защиты IED серии 670, вместе с системой защиты шины REB500, в соответствии с IEC 61850 для станции и шины обработки.
Уровень обработки - ELK-CP14 и ELK-CP3NCITS для КРУЭ с подключением объединяемых устройств к шине обработки IEC 61850-9-2 для сбора аналоговых значений защиты и измерений.
Рисунок 5. Схематическая диаграмма системы цифрового управления блока КРУЭ
В составе пакета новых предложений инженеры АВВ разработали весьма изощренную, но простую в использовании систему мониторинга газа, названную модульным мониторингом распределительного оборудования. Эта система может быть установлена в виде дополнения, как к стандартным элементам управления, так и на цифровую панель управления (Рис. 6).
Рисунок 6. Система мониторинга плотности газа на месте установки
Основной задачей модульного мониторинга является обнаружение даже незначительных утечек газа, не превышающих 0.5 процента в год, с использованием набора фильтров линейного прогнозирования. Эти фильтры настраиваются таким образом, чтобы отличать утечки газа от естественных изменений его плотности, связанных с неоднородным распределением температуры внутри контейнера с газом. В отличие от традиционных мониторов плотности газа, модулярная система предупреждает оператора, когда происходит утечка газа в объеме 1-2 процентов.
Конкретный пример: Подстанция Revsing
Компания Energinet.dk владеет и управляет сетями передачи электроэнергии и системами подачи природного газа в Дании. Компания создает инфраструктуру, в которой будут интегрированы источники возобновляемой энергии, и которая будет ориентирована на обеспечение Дании "зеленой" энергией. Для новых подстанций для напряжения 400 кВ компания выбрала КРУЭ. Это позволит ей уменьшить расход пространства и визуальное воздействие.
В настоящее время этот проект находится в стадии выполнения. Ведется строительство нового соединения на 400 кВ между Kassø, недалеко от города Aabenraa, и Tjele. Эта линия, состоящая из двух цепей, прокладываемая на трубообразных опорах, которые вписываются в ландшафт, должна укрепить и обновить электрическую сеть Ютландии. Она заменит используемую сегодня линию из одной цепи, построенную около 45 лет назад. Проект финансируется из программы ЕС по созданию трансъевропейской энергетической сети
Частью проекта является подстанция Revsing. Она образует узел с другими соединениями напряжения 400 кВ, и с новой линией. Компания Energinet.dk выбрала ELK-3 compact на основе полного списка критериев выбора, отражающего требования компании. Решающими характеристиками были небольшое содержание элегаза, компактность оборудования (для которого требуется меньшее строение, кран и основание), и короткое время установки.
Подстанция Revsing будет введена в эксплуатацию в 2013 году. Новая линия электропередачи должна начать коммерческие операции в 32014 году.
Несмотря на то, что она появилась около 40 лет назад, технология КРУЭ все еще быстро развивается. Она продолжает служить в качестве ключевого элемента в растущих сетях передачи электроэнергии. Установка КРУЭ становится быстрее, а работа с этим оборудованием упрощается. Компактные конструкции используют меньше элегаза. Защищаемая цифровыми средствами управления и функциями мониторинга, технология КРУЭ постоянно улучшает свои прекрасные характеристики, относящиеся к окружающей среде.
