Hoe middenspanningsschakelaars werken in stroomdistributiesystemen

De ruggengraat tussen generatie en consumptie

Loop door een willekeurige moderne stad en je komt langs tientallen installaties die afhankelijk zijn vanmiddenspanningsschakelaarszonder er ooit een gezien te hebben. Ze bevinden zich in ongemarkeerde gebouwen, achter hekken van onderstations, in de kelders van commerciële torens en aan de rand van industrieparken. Het zijn de elektrische knooppunten waar de stroom overgaat van spanning op transmissieniveau naar de spanning die fabrieken, datacentra, ziekenhuizen en flatgebouwen daadwerkelijk gebruiken.

Middenspanningsschakelaars nemen een specifieke plaats in in de stroomdistributieketen. Het bevindt zich tussen het hoogspanningstransmissienetwerk (110 kV, 220 kV of 400 kV-lijnen die stroom over lange afstanden transporteren) en het laagspanningsdistributienetwerk op 400 V of 230 V dat wordt aangesloten op apparatuur van de eindgebruiker. Het middenspanningsbereik, doorgaans gedefinieerd als spanningen boven 1 kV en tot 40,5 kV of 52 kV, afhankelijk van de toegepaste norm, is waar bulkstroom wordt onderverdeeld en naar verschillende belastingen in een faciliteit of een geografisch gebied wordt geleid.

In dit artikel wordt uitgelegd hoe middenspanningsschakelapparatuur op systeemniveau werkt, welke functies het vervult en waarom de keuzes die bij de specificatie van schakelapparatuur worden gemaakt van invloed zijn op de veiligheid, betrouwbaarheid en bedrijfskosten van het gehele distributienetwerk stroomafwaarts.

Waar middenspanningsschakelaars zich in het systeem bevinden

Om te begrijpen wat middenspanningsschakelaars doen, helpt het om het pad van de stroom van het elektriciteitsnet naar een belasting te volgen.

Een typische industriële of commerciële faciliteit ontvangt stroom van het plaatselijke nutsbedrijf op middenspanning: 10 kV, 11 kV, 20 kV of 33 kV is gebruikelijk, afhankelijk van het land. Deze stroom komt binnen via ondergrondse kabels of bovengrondse leidingen en komt terecht in het hoofdschakelbord van de faciliteit, dat een middenspanningsschakelapparaat is. Van daaruit stroomt het via stroomonderbrekers en stroomrails naar verschillende bestemmingen. Sommige feeders gaan naar transformatoren die de spanning verlagen naar 400 V voor algemene distributie binnen de faciliteit. Andere feeders kunnen grote motoren, koelmachines of compressoren rechtstreeks op middenspanning bedienen, omdat de belasting te groot is om economisch op lage spanning te kunnen worden bediend. Nog andere feeders kunnen verbinding maken met opwekking ter plaatse, zoals gasturbines of back-updieselgeneratoren, of met hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie-omvormers op het dak.

Het middenspanningsbord is het controlepunt voor al deze stroomstromen. Het kan elke feeder afzonderlijk verbinden of isoleren. Het kan elke feeder tegen fouten beschermen. Het kan de bus in afzonderlijke secties opsplitsen om de betrouwbaarheid te verbeteren. En het biedt de meet- en monitoringpunten die de operators van de faciliteit gebruiken om te begrijpen wat hun elektrische systeem op een bepaald moment doet.

Kernfuncties vanMiddenspanningsschakelapparatuur

Middenspanningsschakelapparatuur vervult vier fundamentele functies in een stroomdistributiesysteem. Als u ze allemaal begrijpt, wordt uitgelegd waarom de apparatuur is ontworpen zoals deze is.

Functie één: Schakelen onder normale omstandigheden

De meest elementaire functie van elk schakelapparaat is het aansluiten en loskoppelen van circuits onder normale belasting. Een feeder naar een productielijn moet worden geactiveerd wanneer de lijn draait en spanningsloos worden gemaakt voor onderhoud. Een stroomonderbreker voor een generator moet sluiten wanneer de generator online wordt gebracht en openen wanneer deze offline wordt gehaald. Een buskoppelaar moet twee railsecties verbinden wanneer een transformator buiten dienst wordt gesteld en de resterende transformator moet beide secties voeden.

Deze schakelhandelingen zijn routinematig, maar niet triviaal. Het schakelapparaat moet de volledige belastingsstroom kunnen onderbreken zonder overmatige boogvorming of contacterosie. Het moet deze handeling tijdens zijn levensduur duizenden keren kunnen uitvoeren. En dat moet gebeuren op een manier die de veiligheid van de operator die voor het paneel staat niet in gevaar brengt.

Vacuümstroomonderbrekers vervullen deze taak tegenwoordig voor de meeste middenspanningstoepassingen. De vacuümonderbreker dooft de boog in een afgesloten keramische fles waar geen gas is om te ioniseren, geen olie om af te breken en niets om te onderhouden. Voor toepassingen met een lagere schakelfrequentie kunnen lastscheidingsschakelaars, die eenvoudiger en goedkoper zijn dan volledige stroomonderbrekers, worden gebruikt voor feeders waarvan niet wordt verwacht dat ze de foutstroom zullen onderbreken.

Functie twee: Foutbescherming

Als schakelen onder normale omstandigheden het routinewerk van schakelapparatuur is, is foutbeveiliging de cruciale missie ervan. Bij een storing (een kortsluiting tussen fasen, of tussen een fase en aarde) kan energie vrijkomen op een schaal die moeilijk te visualiseren is. De stroom op het foutpunt kan in milliseconden oplopen tot tienduizenden ampère. De thermische en mechanische krachten die door deze stroom worden gegenereerd, kunnen apparatuur vernielen, brand veroorzaken en personeel verwonden.

Het schakelapparaat moet de fout detecteren, de stroom onderbreken en het defecte gedeelte isoleren voordat een van deze gevolgen zich voordoet. Om samen te werken zijn drie dingen nodig: een beveiligingsrelais dat de abnormale stroom waarneemt, een stroomonderbreker die deze kan onderbreken, en een systeemontwerp dat bijkomende schade aan gezonde delen van het netwerk beperkt.

Middenspanningsbeveiligingsrelais zijn steeds geavanceerder geworden. Moderne numerieke relais kunnen onderscheid maken tussen verschillende soorten fouten, onderscheid maken tussen fouten op hun beschermde feeder en fouten stroomafwaarts, en golfvormgegevens registreren die ingenieurs helpen begrijpen wat er na de gebeurtenis is gebeurd. Maar het relais kan alleen een uitschakelsignaal verzenden. De stroomonderbreker moet vervolgens zijn contacten fysiek scheiden van de volledige elektromagnetische krachten van de foutstroom, de boog die zich daartussen vormt, doven en de diëlektrische sterkte snel genoeg herstellen om herontsteking te voorkomen. Dit is waarvoor een vacuümstroomonderbreker met een nominale kortsluitstroom van 25 kA of 31,5 kA is ontworpen en getest.

Functie Drie: Isolatie voor veiligheid

Foutbeveiliging heft gevaarlijke omstandigheden automatisch op. Isolatie is een doelbewuste actie die wordt ondernomen om apparatuur veilig te maken voor mensen om aan te werken.

Wanneer een onderhoudsteam toegang moet krijgen tot een transformator, een kabelaansluiting of een stroomonderbreker zelf, hebben ze een zichtbare, verifieerbare onderbreking in het circuit nodig. Ze moeten weten dat het circuit niet per ongeluk opnieuw kan worden geactiveerd. En ze willen dat de apparatuur op de aarde wordt aangesloten, zodat eventuele rest- of geïnduceerde spanning geen gevaar kan opleveren.

Middenspanningsschakelaars bieden dit door de combinatie van stroomonderbrekers, scheiders en aardingsschakelaars, allemaal onderling vergrendeld zodat de bediening een veilige volgorde moet volgen. De operator moet eerst de stroomonderbreker openen, vervolgens de scheider openen om een ​​zichtbare isolatieopening te creëren en vervolgens de aardingsschakelaar sluiten om het geïsoleerde gedeelte te aarden. De mechanische vergrendelingen voorkomen dat deze stappen in de verkeerde volgorde worden uitgevoerd. Dit is het vergrendelingssysteem met "vijf preventie" dat standaard is op alle moderne modellenmiddenspanningsschakelaars.

Functie Vier: Meting en monitoring

Geen enkel distributiesysteem kan worden beheerd zonder data. Stroommetingen vertellen de beveiligingsrelais wat het systeem doet. Spanningsmetingen maken monitoring van de netvoedingskwaliteit en synchronisatiecontroles mogelijk. Energiemetingen vormen de basis voor facturering en kostentoerekening. En steeds vaker worden conditiebewakingsgegevens van de schakelapparatuur zelf (temperatuur, gedeeltelijke ontlading, looptijd van het mechanisme) gebruikt om te voorspellen wanneer onderhoud nodig is voordat er een storing optreedt.

Middenspanningsschakelapparatuur integreert al deze meetfuncties. Stroomtransformatoren en spanningstransformatoren worden in het kabelcompartiment of op de rails gemonteerd. Hun secundaire uitgangen zijn aangesloten op beveiligingsrelais, meters en transducers in het laagspanningscompartiment. In moderne installaties communiceren deze apparaten via digitale protocollen zoals IEC 61850, Modbus of Profibus met het centrale SCADA- of energiebeheersysteem van de faciliteit. Het schakelpaneel is zowel een voedingsapparaat als een gegevensbron.

Schakelapparatuurconfiguraties in distributiesystemen

De fysieke opstelling van schakelpanelen in een distributiesysteem is niet willekeurig. Het weerspiegelt de operationele filosofie van de faciliteit en de betrouwbaarheidseisen van de ladingen die worden bediend.

Enkele busbar

De eenvoudigste configuratie is een enkele rail waarop alle inkomende en uitgaande feeders zijn aangesloten. Eén enkele transformator voedt de bus. Als de transformator uitvalt of buiten dienst wordt gesteld voor onderhoud, verliezen alle belastingen op die bus stroom. Deze configuratie is goedkoop en eenvoudig te bedienen, maar biedt geen redundantie. Het wordt gebruikt waar de gevolgen van een leveringsonderbreking aanvaardbaar zijn: een klein commercieel gebouw, een niet-kritisch industrieel proces of een tijdelijke bouwvoorziening.

Gesegmenteerde enkele rail

Door een bussectie-stroomonderbreker toe te voegen, ontstaan ​​twee railsecties die onafhankelijk kunnen werken of aan elkaar kunnen worden gekoppeld. Elke sectie wordt gevoed door een eigen transformator. Als één transformator uitvalt, sluit de buskoppelaar en voedt de gezonde transformator beide secties. Tijdens de overdracht ervaren de ladingen een korte onderbreking, maar de service is snel hersteld. Dit is de meest voorkomende configuratie voor middelgrote industriële installaties en commerciële faciliteiten waar enige stilstand acceptabel is voor onderhoud, maar totaal verlies van toevoer niet.

Hoofd-Tie-hoofd

Bij een main-tie-main-configuratie wordt een buskoppelaar tussen twee afzonderlijke bussecties geplaatst, elk met zijn eigen hoofdinkomende onderbreker en transformator. De koppeling is normaal gesproken open. Als een van de transformatoren verloren gaat, sluit de koppeling automatisch of door actie van de operator. Deze configuratie biedt een hogere betrouwbaarheid dan een eenvoudige, in secties verdeelde bus, omdat de werking van de koppeling kan worden geautomatiseerd en de overdracht kan plaatsvinden zonder tussenkomst van een operator. Het wordt gebruikt in kritieke faciliteiten zoals ziekenhuizen, datacenters en industriële installaties met continue processen.

Configuratie Ring-hoofdeenheid (RMU).

Voor distributienetwerken die meerdere geografisch verspreide belastingen bedienen (een universiteitscampus, een stedelijk distributienetwerk, een collectorsysteem voor windparken) is de configuratie van de ringhoofdunit de standaardoplossing. Verschillende RMU-panelen zijn in een ring verbonden, waarbij elk paneel doorgaans twee lastscheidingsschakelaars voor de ringfeeders en één stroomonderbreker of gezekerde schakelaar voor de lokale transformator bevat. Stroom kan in beide richtingen rond de ring stromen. Als er ergens in de ring een kabelfout optreedt, kunnen de twee RMU-panelen naast de fout het beschadigde gedeelte isoleren en blijven alle andere belastingen stroom ontvangen van de gezonde kant van de ring. Deze architectuur biedt een niveau van leveringsbetrouwbaarheid dat een radiaal systeem niet kan evenaren, tegen kosten die veel lager zijn dan het dupliceren van de gehele leveringsinfrastructuur.

COTENELE levert 24 kV SF₆-vrije RMU's voor ringhoofdtoepassingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van droge lucht als isolatiemedium in een voor de levensduur afgesloten roestvrijstalen tank. De RMU-modules (inkomend, uitgaand, transformatorbeveiliging, buskoppeling en directe meting) zijn opgebouwd uit gestandaardiseerde, typegeteste subassemblages die kunnen worden geconfigureerd om te passen bij het enkellijnsschema van het project.

De overgang naar SF₆-vrij in distributieschakelapparatuur

Een belangrijke ontwikkeling in middenspanningsschakelaars in de afgelopen tien jaar is de verschuiving van SF₆-gas als isolerend en boogdovende medium. Dit is met name relevant voor gasgeïsoleerde schakelapparatuur en ringhoofdeenheden, waarbij SF₆ traditioneel werd gebruikt om de afgesloten tank te vullen die alle onder spanning staande delen omsluit.

De drijvende kracht achter deze transitie is milieuregelgeving, met name de EU F-gassenverordening die nu nieuwe SF₆-schakelapparatuur tot 24 kV op de Europese markt verbiedt. Maar de transitie wordt ook ondersteund door gedegen technische logica. Droge lucht en stikstof hebben geen enkel broeikaseffect, vereisen geen speciale behandeling aan het einde van de levensduur en elimineren de administratieve lasten van het bijhouden van F-gassen en het melden van lekkages. Vacuümonderbreking, al tientallen jaren de standaard voor toepassingen met stroomonderbrekers, zorgt voor de boogdovende functie zonder enig gas.

Voor een exploitant van een faciliteit is het praktische verschil tussen een SF₆RMU en een RMU voor droge lucht minimaal in termen van elektrische prestaties; beide zijn typegetest volgens dezelfde IEC 62271-200-norm. Het verschil komt tot uiting in de operationele procedures. Een RMU met droge lucht en een voor de levensduur afgedichte tank hoeft geen gasdruk te controleren, geen bijvulschema te volgen en geen gasterugwinning aan het einde van de levensduur te regelen. Voor een nutsbedrijf of industriële exploitant die honderden substations beheert, heeft deze vereenvoudiging echte waarde.

Een distributiesysteem ontwerpen: de schakelapparatuurspecificatie

Voor ingenieurs die middenspanningsschakelaars specificeren, bepalen verschillende beslissingen de uiteindelijke systeemconfiguratie.

Spannings- en foutniveau. De systeemspanning bepaalt het diëlektrische ontwerp van de schakelapparatuur. De beschikbare foutstroom bepaalt het benodigde kortsluituitschakelvermogen. Beide worden tot stand gebracht door de stroomopwaartse netaansluiting en de impedantie van de transformator. Het is gevaarlijk om de foutclassificatie te laag te specificeren. Als u dit te veel specificeert, worden onnodige kosten met zich meegebracht. Het juiste getal komt uit een kortsluitonderzoek.

Busbar-configuratie. De keuze tussen enkelvoudige rail, gesegmenteerde rail en hoofdverbindingsconfiguraties hangt af van de betrouwbaarheidsvereiste en het budget. Configuraties met een hogere betrouwbaarheid zorgen voor meer panelen, kosten en complexiteit, maar bieden bescherming tegen de meest voorkomende oorzaak van langdurige uitval: transformatorstoringen.

Stroomonderbreker versus gezekerde schakelaar. Voor feeders die transformatoren voeden, biedt een stroomonderbreker bescherming tegen zowel overbelasting als kortsluiting. Voor feeders die motoren voeden, kan een gezekerde schakelaar zuiniger zijn en een betere bescherming bieden tegen motorspecifieke foutcondities. De beslissing hangt af van het belastingstype en het vereiste beveiligingscoördinatieniveau.

Vast versus opneembaar. Vaste schakelapparatuur is eenvoudiger en goedkoper, maar voor elk onderhoud aan de stroomonderbreker moet de gehele bussectie spanningsloos worden gemaakt. Met uittrekbare schakelapparatuur kan een onderbreker worden uitgeschakeld voor onderhoud terwijl de bus onder spanning blijft. Voor kritieke faciliteiten waar stilstand extreem duur is, is de uittrekbare configuratie meestal gerechtvaardigd.

Integratie en communicatie. De schakelapparatuur moet communiceren met het beveiligings- en controlesysteem van de faciliteit. Het communicatieprotocol, het type en aantal stroom- en spanningstransformatoren en de hulpvoeding voor beveiligingsrelais en stuurcircuits moeten allemaal in de specificatie worden gedefinieerd.