Thiết bị đóng cắt trung thế hoạt động như thế nào trong hệ thống phân phối điện

Xương sống giữa thế hệ và tiêu dùng

Đi bộ qua bất kỳ thành phố hiện đại nào và bạn sẽ vượt qua hàng tá công trình lắp đặt phụ thuộc vàothiết bị đóng cắt trung thếmà không bao giờ nhìn thấy một. Họ ngồi trong những tòa nhà không có biển hiệu, sau hàng rào trạm biến áp, dưới tầng hầm của các tòa tháp thương mại và ở rìa các khu công nghiệp. Chúng là các nút điện nơi chuyển đổi năng lượng từ điện áp cấp độ truyền tải sang điện áp mà các nhà máy, trung tâm dữ liệu, bệnh viện và khu chung cư thực sự sử dụng.

Thiết bị đóng cắt trung thế chiếm một vị trí nhất định trong chuỗi phân phối điện. Nó nằm giữa mạng lưới truyền tải điện áp cao—các đường dây 110 kV, 220 kV hoặc 400 kV truyền tải điện trên khoảng cách xa—và mạng phân phối điện áp thấp ở 400 V hoặc 230 V kết nối với thiết bị của người dùng cuối. Dải điện áp trung thế, thường được định nghĩa là điện áp trên 1 kV và lên đến 40,5 kV hoặc 52 kV tùy thuộc vào tiêu chuẩn được áp dụng, là nơi nguồn điện lớn được chia nhỏ và định tuyến đến các tải khác nhau trên toàn bộ cơ sở hoặc khu vực địa lý.

Bài viết này giải thích cách thức hoạt động của thiết bị đóng cắt trung thế ở cấp hệ thống, chức năng của nó và lý do tại sao các lựa chọn trong thông số kỹ thuật của thiết bị đóng cắt ảnh hưởng đến sự an toàn, độ tin cậy và chi phí vận hành của toàn bộ mạng lưới phân phối ở hạ lưu.

Vị trí của thiết bị đóng cắt trung thế trong hệ thống

Để hiểu công dụng của thiết bị đóng cắt trung thế, cần theo dõi đường dẫn điện từ lưới đến tải.

Một cơ sở công nghiệp hoặc thương mại điển hình nhận được điện từ tiện ích địa phương ở điện áp trung thế—phổ biến là 10 kV, 11 kV, 20 kV hoặc 33 kV tùy theo quốc gia. Nguồn điện này đến qua cáp ngầm hoặc đường dây trên không và đi vào tổng đài chính của cơ sở, đây là cụm thiết bị đóng cắt trung thế. Từ đó, nó chảy qua các cầu dao và thanh cái đến một số điểm đến. Một số nguồn cấp điện đi đến máy biến áp để giảm điện áp xuống 400 V để phân phối chung trong cơ sở. Các bộ cấp nguồn khác có thể phục vụ trực tiếp cho động cơ lớn, máy làm lạnh hoặc máy nén ở điện áp trung bình vì tải quá lớn nên không thể phục vụ tiết kiệm ở điện áp thấp. Vẫn còn các nguồn cấp điện khác có thể kết nối với nguồn điện tại chỗ, chẳng hạn như tua-bin khí hoặc máy phát điện diesel dự phòng hoặc với các nguồn năng lượng tái tạo như bộ biến tần năng lượng mặt trời trên mái nhà.

Thiết bị đóng cắt trung thế là điểm điều khiển tất cả các dòng điện này. Nó có thể kết nối hoặc cách ly từng nguồn cấp dữ liệu riêng lẻ. Nó có thể bảo vệ mỗi trung chuyển khỏi lỗi. Nó có thể chia xe buýt thành các phần riêng biệt để cải thiện độ tin cậy. Và nó cung cấp các điểm đo lường và giám sát mà người vận hành cơ sở sử dụng để hiểu hệ thống điện của họ đang hoạt động như thế nào tại bất kỳ thời điểm nào.

Chức năng cốt lõi củaThiết bị đóng cắt trung thế

Thiết bị đóng cắt trung thế thực hiện bốn chức năng cơ bản trong hệ thống phân phối điện. Hiểu từng điều này sẽ giải thích tại sao thiết bị được thiết kế như vậy.

Chức năng thứ nhất: Chuyển đổi trong điều kiện bình thường

Chức năng cơ bản nhất của bất kỳ thiết bị đóng cắt nào là kết nối và ngắt kết nối các mạch dưới tải bình thường. Bộ cấp nguồn cho dây chuyền sản xuất cần được cấp điện khi dây chuyền đang chạy và ngắt điện để bảo trì. Bộ ngắt mạch máy phát điện cần đóng khi máy phát điện được đưa vào hoạt động và mở khi nó được đưa vào chế độ ngoại tuyến. Bộ ghép nối bus cần kết nối hai phần của thanh cái khi máy biến áp không hoạt động và máy biến áp còn lại phải cung cấp điện cho cả hai phần.

Những hoạt động chuyển đổi này là thường xuyên, nhưng chúng không tầm thường. Thiết bị chuyển mạch phải có khả năng ngắt dòng điện đầy tải mà không gây ra hồ quang quá mức hoặc xói mòn tiếp điểm. Nó phải có khả năng thực hiện thao tác này hàng nghìn lần trong suốt thời gian sử dụng của nó. Và nó phải làm như vậy theo cách không ảnh hưởng đến sự an toàn của người vận hành đứng trước bảng điều khiển.

Máy cắt chân không xử lý nhiệm vụ này cho hầu hết các ứng dụng điện áp trung thế hiện nay. Bộ ngắt chân không sẽ dập tắt hồ quang bên trong chai gốm kín, nơi không có khí để ion hóa, không có dầu bị phân hủy và không có gì để duy trì. Đối với các ứng dụng có tần số chuyển mạch thấp hơn, công tắc ngắt tải—đơn giản và ít tốn kém hơn so với các bộ ngắt mạch toàn phần—có thể được sử dụng cho các bộ cấp nguồn dự kiến ​​không làm gián đoạn dòng điện sự cố.

Chức năng thứ hai: Bảo vệ lỗi

Nếu việc chuyển mạch trong điều kiện bình thường là công việc thường ngày của thiết bị đóng cắt thì việc bảo vệ sự cố là nhiệm vụ quan trọng của nó. Một sự cố—đoản mạch giữa các pha hoặc giữa một pha và mặt đất—có thể giải phóng năng lượng ở mức độ khó hình dung được. Dòng điện tại điểm sự cố có thể tăng lên hàng chục nghìn ampe tính bằng mili giây. Lực nhiệt và lực cơ do dòng điện này tạo ra có thể phá hủy thiết bị, gây cháy và gây thương tích cho con người.

Thiết bị đóng cắt phải phát hiện lỗi, ngắt dòng điện và cách ly phần bị lỗi trước khi bất kỳ hậu quả nào xảy ra. Điều này đòi hỏi ba thứ phải phối hợp với nhau: rơle bảo vệ cảm nhận được dòng điện bất thường, bộ ngắt mạch có thể làm gián đoạn dòng điện và thiết kế hệ thống hạn chế thiệt hại phụ đối với các bộ phận khỏe mạnh của mạng.

Rơle bảo vệ trung thế ngày càng trở nên phức tạp. Rơle số hiện đại có thể phân biệt giữa các loại lỗi khác nhau, phân biệt giữa các lỗi trên lộ được bảo vệ và các lỗi ở hạ lưu, đồng thời ghi lại dữ liệu dạng sóng giúp các kỹ sư hiểu được điều gì đã xảy ra sau sự kiện. Nhưng rơle chỉ có thể gửi tín hiệu ngắt. Sau đó, bộ ngắt mạch phải tách các tiếp điểm của nó khỏi toàn bộ lực điện từ của dòng điện sự cố, dập tắt hồ quang hình thành giữa chúng và phục hồi độ bền điện môi đủ nhanh để ngăn chặn sự đánh lửa lại. Đây là công việc mà một máy cắt chân không có dòng điện ngắn mạch định mức 25 kA hoặc 31,5 kA được thiết kế và thử nghiệm để thực hiện.

Chức năng thứ ba: Cách ly để đảm bảo an toàn

Bảo vệ lỗi tự động xóa các điều kiện nguy hiểm. Cách ly là một hành động có chủ ý được thực hiện để đảm bảo an toàn cho thiết bị cho mọi người làm việc.

Khi đội bảo trì cần tiếp cận máy biến áp, đầu cáp hoặc chính cầu dao, họ cần có điểm đứt mạch có thể nhìn thấy và có thể kiểm chứng được. Họ cần biết rằng mạch điện không thể được cấp điện lại một cách tình cờ. Và họ cần thiết bị được nối đất để bất kỳ điện áp dư hoặc điện áp cảm ứng nào cũng không thể gây nguy hiểm.

Thiết bị đóng cắt trung thế cung cấp khả năng này thông qua sự kết hợp của cầu dao, dao cách ly và dao tiếp địa, tất cả đều được khóa liên động để hoạt động phải tuân theo trình tự an toàn. Người vận hành phải mở cầu dao trước, sau đó mở dao cách ly để tạo khe hở cách ly nhìn thấy được, sau đó đóng dao nối đất để nối đất phần cách ly. Khóa liên động cơ học ngăn không cho bất kỳ bước nào trong số này được thực hiện không theo thứ tự. Đây là hệ thống khóa liên động "năm phòng ngừa" là tiêu chuẩn trên tất cả các thiết bị hiện đại.thiết bị đóng cắt trung thế.

Chức năng 4: Đo lường và Giám sát

Không có hệ thống phân phối nào có thể được quản lý nếu không có dữ liệu. Các phép đo dòng điện cho rơle bảo vệ biết hệ thống đang làm gì. Đo điện áp cho phép giám sát chất lượng điện năng và kiểm tra đồng bộ hóa. Các phép đo năng lượng là cơ sở để lập hóa đơn và phân bổ chi phí. Và ngày càng có nhiều dữ liệu giám sát tình trạng từ chính thiết bị đóng cắt—nhiệt độ, phóng điện cục bộ, thời gian di chuyển của cơ cấu—được sử dụng để dự đoán khi nào cần bảo trì trước khi xảy ra sự cố.

Thiết bị đóng cắt trung thế tích hợp tất cả các chức năng đo lường này. Máy biến dòng và máy biến điện áp được lắp trong ngăn cáp hoặc trên thanh cái. Đầu ra thứ cấp của chúng được nối với rơle bảo vệ, đồng hồ đo và bộ chuyển đổi trong ngăn điện áp thấp. Trong các hệ thống lắp đặt hiện đại, các thiết bị này giao tiếp qua các giao thức kỹ thuật số như IEC 61850, Modbus hoặc Profibus với SCADA trung tâm hoặc hệ thống quản lý năng lượng của cơ sở. Bảng điều khiển thiết bị đóng cắt vừa là thiết bị nguồn vừa là nguồn dữ liệu.

Cấu hình thiết bị đóng cắt trong hệ thống phân phối

Sự sắp xếp vật lý của các bảng điều khiển thiết bị đóng cắt trong hệ thống phân phối không phải là tùy ý. Nó phản ánh triết lý hoạt động của cơ sở và các yêu cầu về độ tin cậy của tải được phục vụ.

Thanh cái đơn

Cấu hình đơn giản nhất là một thanh cái duy nhất với tất cả các bộ cấp nguồn vào và ra được kết nối với nó. Một máy biến áp duy nhất cung cấp cho xe buýt. Nếu máy biến áp bị hỏng hoặc ngừng hoạt động để bảo trì, tất cả các tải trên thanh cái đó sẽ mất điện. Cấu hình này có chi phí thấp và vận hành đơn giản nhưng không có tính dự phòng. Nó được sử dụng khi hậu quả của việc gián đoạn nguồn cung cấp có thể chấp nhận được—một tòa nhà thương mại nhỏ, quy trình công nghiệp không quan trọng hoặc nguồn cung cấp xây dựng tạm thời.

Thanh cái đơn được phân đoạn

Việc thêm bộ ngắt mạch phần thanh cái sẽ tạo ra hai phần thanh cái có thể hoạt động độc lập hoặc được ghép nối với nhau. Mỗi phần được cung cấp bởi máy biến áp riêng của mình. Nếu một máy biến áp bị hỏng, bộ ghép nối bus sẽ đóng lại và máy biến áp khỏe mạnh sẽ cung cấp điện cho cả hai phần. Tải bị gián đoạn ngắn trong quá trình truyền, nhưng dịch vụ được khôi phục nhanh chóng. Đây là cấu hình phổ biến nhất cho các nhà máy công nghiệp và cơ sở thương mại cỡ trung bình, nơi có thể chấp nhận được một số thời gian ngừng hoạt động để bảo trì nhưng không bị mất toàn bộ nguồn cung.

Chính-Tie-Chính

Cấu hình nối chính đặt một bộ ghép nối bus giữa hai phần bus riêng biệt, mỗi phần có bộ ngắt và biến áp đầu vào chính riêng. Bộ ghép nối thường mở. Nếu một trong hai máy biến áp bị mất, bộ ghép sẽ tự động đóng lại hoặc thông qua thao tác của người vận hành. Cấu hình này mang lại độ tin cậy cao hơn so với bus phân đoạn đơn giản vì hoạt động của bộ ghép nối có thể được tự động hóa và việc truyền tải có thể diễn ra mà không cần bất kỳ sự can thiệp nào của người vận hành. Nó được sử dụng trong các cơ sở quan trọng như bệnh viện, trung tâm dữ liệu và các nhà máy công nghiệp xử lý liên tục.

Cấu hình thiết bị chính dạng chuông (RMU)

Đối với mạng lưới phân phối phục vụ nhiều phụ tải phân tán về mặt địa lý—khuôn viên trường đại học, mạng lưới phân phối đô thị, hệ thống thu gom trang trại gió—cấu hình tổ máy chính vòng là giải pháp tiêu chuẩn. Một số bảng RMU được kết nối thành một vòng, mỗi bảng thường chứa hai công tắc ngắt tải cho các bộ cấp nguồn vòng và một cầu dao hoặc công tắc cầu chì cho máy biến áp cục bộ. Sức mạnh có thể chảy theo một trong hai hướng xung quanh vòng. Nếu xảy ra lỗi cáp ở bất kỳ đâu trên vòng, hai bảng RMU liền kề với sự cố có thể cách ly phần bị hỏng và tất cả các tải khác tiếp tục nhận điện từ phía khỏe mạnh của vòng. Kiến trúc này cung cấp mức độ tin cậy cung cấp mà hệ thống xuyên tâm không thể sánh được, với chi phí thấp hơn nhiều so với việc nhân đôi toàn bộ cơ sở hạ tầng cung cấp.

COTENELE cung cấp RMU 24 kV không chứa SF₆ cho các ứng dụng mạch vòng, sử dụng không khí khô làm môi trường cách điện trong thùng thép không gỉ kín suốt đời. Các mô-đun RMU—vào, ra, bảo vệ máy biến áp, bộ ghép nối bus và đo sáng trực tiếp—được xây dựng từ các cụm lắp ráp phụ đã được tiêu chuẩn hóa, đã được kiểm tra điển hình và có thể được cấu hình để phù hợp với sơ đồ một đường dây của dự án.

Sự chuyển đổi sang thiết bị đóng cắt phân phối không chứa SF₆

Một bước phát triển quan trọng trong thiết bị đóng cắt trung thế trong thập kỷ qua là sự thay đổi từ khí SF₆ làm môi trường cách điện và dập tắt hồ quang. Điều này đặc biệt liên quan đến thiết bị đóng cắt cách điện bằng khí và thiết bị mạch vòng, trong đó SF₆ thường được sử dụng để đổ đầy bình kín bao quanh tất cả các bộ phận mang điện.

Động lực cho quá trình chuyển đổi này là quy định về môi trường, đáng chú ý nhất là Quy định về khí F của EU hiện cấm thiết bị đóng cắt SF₆ mới có điện áp lên đến 24 kV trên thị trường Châu Âu. Nhưng quá trình chuyển đổi cũng được hỗ trợ bởi logic kỹ thuật hợp lý. Không khí khô và nitơ không có khả năng làm nóng lên toàn cầu, không cần xử lý đặc biệt khi hết tuổi thọ và loại bỏ gánh nặng hành chính trong việc lưu giữ hồ sơ và báo cáo rò rỉ khí F. Ngắt chân không, vốn là tiêu chuẩn cho các ứng dụng ngắt mạch trong nhiều thập kỷ, cung cấp chức năng dập tắt hồ quang mà không cần bất kỳ khí nào.

Đối với người vận hành cơ sở, sự khác biệt thực tế giữa SF₆RMU và RMU không khí khô là rất nhỏ xét về hiệu suất điện—cả hai đều được thử nghiệm điển hình theo cùng tiêu chuẩn IEC 62271-200. Sự khác biệt thể hiện ở quy trình vận hành. RMU không khí khô có bình chứa kín suốt thời hạn sử dụng không cần theo dõi áp suất khí, không cần duy trì lịch nạp lại và không sắp xếp thu hồi khí khi hết tuổi thọ. Đối với một công ty điện lực hoặc nhà điều hành công nghiệp quản lý hàng trăm trạm biến áp, việc đơn giản hóa này có giá trị thực sự.

Thiết kế hệ thống phân phối: Thông số kỹ thuật của thiết bị đóng cắt

Đối với các kỹ sư chỉ định thiết bị đóng cắt trung thế, một số quyết định sẽ xác định cấu hình hệ thống cuối cùng.

Mức điện áp và sự cố. Điện áp hệ thống xác định thiết kế điện môi của thiết bị đóng cắt. Dòng điện sự cố có sẵn xác định khả năng ngắt ngắn mạch cần thiết. Cả hai đều được thiết lập bởi kết nối lưới phía trên và trở kháng máy biến áp. Xác định sai mức đánh giá lỗi là nguy hiểm. Việc chỉ định quá mức sẽ làm tăng thêm chi phí không cần thiết. Con số đúng đến từ một nghiên cứu ngắn mạch.

Cấu hình thanh cái. Việc lựa chọn giữa thanh cái đơn, thanh cái phân đoạn và cấu hình nối chính phụ thuộc vào yêu cầu về độ tin cậy và ngân sách. Cấu hình có độ tin cậy cao hơn sẽ làm tăng thêm số lượng bảng điều khiển, chi phí và độ phức tạp, nhưng chúng bảo vệ khỏi nguyên nhân phổ biến nhất gây ra tình trạng mất điện kéo dài: hỏng máy biến áp.

Bộ ngắt mạch so với contactor hợp nhất. Đối với các nguồn cấp điện cho máy biến áp, bộ ngắt mạch cung cấp cả chức năng bảo vệ quá tải và ngắn mạch. Đối với các bộ cấp nguồn cung cấp cho động cơ, công tắc tơ có cầu chì có thể tiết kiệm hơn và bảo vệ tốt hơn trước các điều kiện lỗi cụ thể của động cơ. Quyết định phụ thuộc vào loại tải và mức độ phối hợp bảo vệ cần thiết.

Cố định so với có thể rút. Thiết bị đóng cắt cố định đơn giản hơn và chi phí thấp hơn, nhưng bất kỳ hoạt động bảo trì nào trên máy cắt đều yêu cầu ngắt điện toàn bộ phần xe buýt. Thiết bị đóng cắt có thể rút ra cho phép đặt cầu dao để bảo trì trong khi thanh cái vẫn được cấp điện. Đối với các cơ sở quan trọng nơi thời gian ngừng hoạt động cực kỳ tốn kém, cấu hình có thể rút ra thường là hợp lý.

Hội nhập và giao tiếp. Thiết bị đóng cắt phải giao tiếp với hệ thống điều khiển và bảo vệ của cơ sở. Giao thức truyền thông, loại và số lượng máy biến dòng điện và điện áp cũng như nguồn điện phụ trợ cho rơle bảo vệ và mạch điều khiển đều phải được xác định trong thông số kỹ thuật.