Эволюция КРУЭ
На прочтение 15 минут
Предисловие
Со времен первых теоретических наблюдений Бенджамином Франклином об электричестве, который представлял поток энергии молнии как нематериальную жидкость, прошло уже почти 300 лет. С тех пор прошли целые эпохи человеческого быта и технологических эволюций. Сегодня электричесво является незаменимой частью нашей повседневности, а электроэнергетическая стабильность это залог комфорта и безопасности.
История
Передача энергии с места ее избытка в необходимую точку явилась трудновыполнимой задачей. К примеру, идеи передавать механическую энергию с помощью системы валов или пневматических труб была задачей сложновыполнимой. Форма энергии в виде электричества решила множество задач, а прокладывать кабели в любое необходимое место оказалось намного проще и выгоднее. При этом самым важным свойством электроэнергии является производство и потребление в один момент времени. Электричество не может быть произведено прозапас в неограниченном количество и не имеет отложенный спрос. Хотя это, конечно, возможно реализовать в непродолжительное время при использовании накопителей электроэнергии. Тем не менее, необходимость передавать электроэнергию от генерации к потребителям по распределенным проводам возникла практически сразу. Первыми источниками энергии были ветровые и водяные мельницы. Их расположение не всегда было удобным и возникла идея создания более мощных источников, которую приходилось передавать на более дальние расстояния. А чем длиньше проводник, тем больше его сопротивление, созданный закон Ома позволил поделить электроэнергию по различным классам напряжения, тем самым избавившись от потерь. Разработанные способы трансформации электроэнергии позволили преобразовывать напряжение в подходящее и цикл замкнулся. Дальше эффект масштабирования создавал целые энергосистемы, появилась противоаварийная автоматика и релейная защита.
Назначение
Остановимся более подробно на способах распределения электроэнергии и понятия распределительное устройство. Распределительное устройство (РУ) - это электроустановка, предназначенная для приема и перенаправления электрической энергии одного класса напряжения. Существуют различные типы РУ: генераторное распределительное устройство (ГРУ) - служит для обеспечения приема электроэнергии генераторов и направления ее к преобразовательному трансформатору; открытое распределительное устройство - предназначено для распределения энергии между линиями и трансформаторами в условиях открытого пространства подстанции; закрытое распределительное устройство (ЗРУ) - предназначено для распределения энергии в закрытом здании, помещении с защитой от осадков и факторов влияния окружающей среды. Изоляционной средой для электропроводников являются диэлектрические материалы различной плотности и гибкости, жидкости и газы. Естественным и универсальным диэлектриком является воздух, основным достоинством которого является его неограниченный ресурс в рамках наземных условий эксплуатации, а основным недостатком - необходимость выдерживать минимально допустимые изоляционные расстояния между электропроводящими частями, что при высоких значениях напряжений очень может быть существенно с точки зрения капитальных затрат и занимаемой площади.
Определения
Таким образом, изоляция распределительных устройств была воздушной, маслянной, с пропитанной бумагой. Позже начали появляться твердые компаундные виды изоляции и газовые на основе инертных газов. Также менялась и конструкция распределительных устройств, появлялись стационарные модули, которые в последующем стали компактнее, а комплекты модулей стали изготавливать на заводах. Так появились комплектные распределительные устройства. По определению комплектными распределительными устройствами называют распределительные устройства, состоящие из комплекта типовых блоков или их еще называют ячейками, высокой заводской готовности. При напряжении от 6 до 35 кВ КРУ выполняют в виде шкафов, блоков и моноблоков. Самые распространенные решения это ячейки с воздушной изоляцией, по стандарту IEC их называют AIS, у нас их принято считать классическим решением КРУ. Такие ячейки преимущественно имеют воздушную изоляцию токоведущих частей, где воздух помимо изоляции выполняет функцию вентиляции для отвода тепла. По этой причине КРУ на высокие токи всегда имеют конструкцию с воздушной изоляцией. Так, например, ячейка с выключателем 3150А может достигать тока 4000А при установке вентилятора для принудительной вентиляции ячейки. Связано это с тем, что чем больше ток разрывает автоматический выключатель, тем больше энергии выделяется в виде тепла. Также необходимо учитывать закон Джоуля-Ленца о зависимости сопротивления токоведущих частей от температуры элетропроводника. Соответственно чем меньше температура, тем больше мощности можно передать. К недостаткам можно отнести необходимость обслуживания, возможность поражения электрическим током, большие габариты и занимаемая площадь. Другой тип КРУ основан на блочной конструкции, состоящий из герметичного блока, изолированного от внешней среды. В таком блоке токоведущие части полностью изолированы, а коммутационные аппараты находятся в газовой или твердой изоляции. В качестве изолирующего газа применяют элегаз - шестивалентный фосфат серы.
Конструкция
Комплектные распределительные устройства обычно имеют типовые ячейки, которые делятся на следующие функции: ячейка ввода, ячейка фидерного подключения (с автоматическим выключателем, выключателем нагрузки и предохранителем), измерительная ячейка, ячейка заземления сборных шин, ячейка секционного выключателя, ячейка секционного разъединителя. В некоторых случаях эти ячейки могут комбинировать. В КРУ 6, 10, 20, 35 кВ принято ячейки делить по отсекам: отсек кабельного подключения, отсек коммутационного аппарата, отсек сборных шин, низковольтный отсек релейной защиты, автоматики и управления. В ячейках КРУЭ отсек коммутационного аппарата помещен в резервуар с элегазом, остальные токоведущие части имеют твердую литую герметичную изоляцию. Высоковольтные КРУЭ состоят из отсеков, модулей или блоков, в зависимости от требуемого компоновочного решения могут иметь разную форму, высоту, ширину. Здесь на первый план выходит компоновочный план всей подстанции, а отсеки заполняют уже предусмотренное под установку КРУЭ пространство. По аналогии отсеки могут быть кабельного или воздушного подключения, с выключателем, измерительными трансформаторами, иметь токопровод, трехпозиционный разъединитель и заземлитель, панель управления.
Высоковольтные и низковольтные элементы
К основным высоковольтным элементам КРУ и КРУЭ можно отнести: сборные шины (обычно медные), трансформаторы тока и напряжения, заземлитель кабельной линии, ограничитель перенапряжения, шинные спуски, коммутационный аппарат, проходные изоляторы, кабельные адаптеры, шинный мост и т.д. К низковольтным элементам относятся все вспомогательные устройства защиты, управления и контроля, такие как устройство релейной защиты и автоматики, указатель тока короткого замыкания, индикатор наличия напряжения, устройство автоматического ввода в резерв (АВР), счетчик электроэнергии, амперметры и вольтметры, обвязки выключателя и других коммутацилнных аппаратов, механические и электромагнитные блокировки, катушки расцепителей, катушки включения и отключения, кнопки, лампы, переключатели, жидкокристаллические дисплеи, устройства дуговой защиты оптические, на датчиках давления, на нелинейных элементах в цепях протекания токов короткого замыкания, комбинированные, датчики температуры (обычно сборных шин и шинных спусков), видеокамеры и т.д.
Производство
Технологии производства КРУ и КРУЭ претерпели эволюционные изменения. От массивных конструкций с ручной сваркой до полностью автоматизированного процесса раскройки, клепки и роботизированной лазерной холодной сварки швов. В заводских условиях сборка КРУ происходит на конвеерных линиях, для которых на отдельных участках заготавливаются укрупненные узлы. На каркас монтируется кассета, которая состоит из выключателя и выдвижного механизма, таким образом, получается энергокуб. В дальнейшем на него устанавливаются шинные спуски с трансформаторами тока и напряжения, монтируются дверцы и стенки, устанавливается низковольтный отсек, собирается обвяцка клеммных колодок. Сборные шины устанвливаются, как правило, при монтаже ячеек на объекте. Процесс производства КРУЭ имеет особенность, так как основной частью эвляется элегазовый резервуар, который обваривается холодной лазерной сваркой с установленным внутри коммутационным аппаратом и заваренными проходными изоляторами. Далее по аналогии бак монтируется на опорную раму ячейки и монтируются дверцы, стенки, низковольтный отсек. Трансформаторы тока и напряжения обычно устанавливаются на объекте.
Типовые испытания
При разработке КРУ и КРУЭ основной упор делается на международных требованиях по стойкости к внутренней дуге (AFLR) и способности непрерывного обслуживания распределительным устройством, т.е. наличию изолированных друг от друга отсеков, которые могут находится под напряжением и защищать сервисный персонал металлическими перегородками. Иными словами, при отключении одной ячейки и работе с одним из ее остеков, остальные могут находиться под напряжением без риска поражения током персонала (классификация LSC2B по МЭК). Это основные аспекты безопасности эксплуатации и обслуживания КРУ и КРУЭ. Признанной независимой лабораторией является лаборатория KEMA, которая имеет высокий рейтинг в международном сообществе и независимый подход к проведению испытаний. Услугами этой компании пользуются все мировые лидеры производства электротехнической продукции. В ней проводятся разрушающие тесты на пригодность оборудования к эксплуатации и выдается протокол проведенных испытаний, которые доступны на официальном сайте компании. Многие международные EPC заказчики обращают внимание на наличие таких протоколов при выборе оборудования. Для России и стран СНГ, которые работают по ПУЭ и ГОСТ проводятся дополнительные испытания для получения декларации соответствия. Китайский стандарт GB очень похож на ГОСТ и даже имеет более строгие требования, например, в части продолжительности стойкости к внутренней дуге. Внимательно нужно проверять толщину стали и сравнивать описание конструкции ячеек с оборудованием, которое фактически заказывается. Иными словами описание ячеек в протоколах типовых испытаний должно полностью совпадать с описанием ячеек серийного производства.
Приёмо-сдаточные испытания
Приемо-сдаточные испытания КРУ и КРУЭ регламентируются заводом изготовителем и обычно имеют стандартный перечень испытаний, которые можно поделить на визуальные, механические, высоковольтные, функциональные. Оборудование проходит обязательные испытания, по желанию заказчика могут проводиться и дополнительные испытания, которые оформляются соответствующими протоколами и являются частью сопроводительной технической документации к оборудованию.
Транспортировка
Требования к транспортировку формирует завод-изготовитель. Особенность транспортировки КРУ заключается в отдельной упаковки выкатных выключателей. Связано это с тем, что при транспортировке этот тяжелый элемент может привести к разрушению опорной конструкции ячейки вследсвии горизонтальных усилий качения. Этот факт может говорить о том, что ячейки могут иметь недостаточную прочность к воздействию сил качения и стоит проверить протоколы испытаний на сейсмическую устойчивость. Также рекомендуется использовать деревянную упаковку и зашивать оборудование полностью в дерево при транспортировке, особенно если на логистических участках предусмотрена перегрузка оборудования или используются компбинированные виды транспортировки. Важен также температурный режим, особенно это важно для измерительных трансформаторов, кабельных адаптеров, твердой изоляции шин, резиновых уплотнителей, которые крайне болезненно относятся к очень низким температурам.
Установка
Установочные площадки для КРУ и КРУЭ готовятся заранее. Обычно оборудование устанавливается на подготовленную по размерам металлическую раму. Основной способ крепления болтовой и сварка. При установке желательно присутствие шеф-инженера, который проконтролирует готовность объекта и правильность выполнения монтажа. Также в случае отклонения комплектности оборудования зафиксирует факт несоответсвия протоколами.
Пусконаладка
Самый ответственный этап ввода в эксплуатацию КРУ и КРУЭ это его пусконаладка. Обычно на этом этапе теория сталкивается с практикой и реальная физика ошибок не прощает. Поэтому грамотная организация пусконаладочного процесса является залогом безопасного запуска оборудования под напряжение, а отстройка защит и всех функций управления - его дальнейшую безаварийную эксплуатацию.
Эксплуатация
В современном оборудовании достаточно детально прописаны требования к эксплуатации оборудования. Тем не менее, ключевой особенностью оборудования является его защита от ошибочных действий персонала. Это обеспечивается наличием механических и электромагнитных блокировок, запретом функций автоматики, и классическими правами доступа к устройствам от многоуровневых ключей доступа до навесных замков.
Сервисное обслуживание
Периоды обслуживания оборудования могут иметь разные промежутки, обычно производитель регламентирует график обслуживания оборудования. Если речь идет о проведении ответственных работ, то их лучше поручить специалистам, имеющим соответствующую квалификацию и сертификацию от производителя. Любые самостоятельные работы и дооснащения оборудования без согласования с представителями завода-изготовителя могут быть опасны с точки зрения дальнейшей эскплуатации и несут потенциальную аварийную угрозу, ответственность за которую будет лежать на стороне заказчика.
Утилизация
В части КРУ проблем с утилизацией особых быть не должно, обычно это металлы, которые утилизируются под лом. Что касается КРУЭ, то здесь используется элегаз - инертный газ безвредный для человека, который тяжелее воздуха и спускать его в атмосферу нельзя так как он способен быстро заполнить подвальные и приземистые пространства, вытеснив оттуда воздух. Это может быть очень опасно для человека. Существуют специальные организации, которые откачивают элегаз, очищают его и готовят к повторному использованию.
Производители КРУЭ
Основными носителями технологий являются западные страны, в последнее десятилетие их активно вытесняют восточно-азиатские производители, которые сумели освоить технологии и зарекомендовали себя на международном рынке. Производители в России достигли существенного прогресса, но тем не менее зависят от западных и азиатских комплектующих, самостоятельного производства КРУЭ в России, к сожалению нет. Основными производителями и носителями технологий являются такие концерны как Schneider Electric, ABB, Siemens, Eaton, General Electric, Hundai, LG, Hitachi, Chint, TGOOD, XD, SIEYUAN, TAIKAI. Как можно заметить, рынок достаточно насыщенный и при достойных характеристиках по надежности и качеству основными критериями являются стоимость, срок поставки, сертификация, наличие представительства в РФ, обеспечения обслуживания и технической поддержки после поставки оборудования.
Заключение
Современный тренд перехода к распределенной генерации с применением возобновляемых источников энергии и литий-ионных аккумуляторов или даже ванадий-ионных систем накопления энергии делает электроснабжение более гибким и повышает его стабильность практически до эталонного уровня. При этом вопросы распределения электроэнергии на уровне 6, 10, 20, 35, 110 кВ имеют все большее распространение. Самоуправляемые компактные системы электроснабжения, не требующие обслуживания уже не фантастика из фильмов про будущее, а наша повседневная действительность. Незаметно мы вошли в век искусственного интеллекта, машинного зрения и больших данных, которы также вносят свои коррективы и в отрасль электроснабжения. Прогресс движется семимильными шагами, на повестке дня вопросы возобновляемости, экологичности и экономичности, повышения эффективности, которые формируют вектор будущего развития отрасли.
