Ring Main Unit (RMU) i kombinacja rozłącznik-bezpiecznik — IEC 62271-105

Przewodnik o wyłącznikach próżniowych i SF6 oraz technice gaszenia łuku omawia technikę gaszenia łuku w poszczególnych łącznikach. Ten artykuł omawia konkretne, powszechnie spotykane zastosowanie tej techniki w publicznych sieciach dystrybucyjnych średniego napięcia: Ring Main Unit (RMU), a w szczególności kombinację rozłącznik-bezpiecznik wg IEC 62271-105, która często stanowi jego pole transformatorowe.

Czym jest RMU

Ring Main Unit to kompaktowa, fabrycznie zmontowana i szczelnie zamknięta rozdzielnica średniego napięcia, zwykle złożona z trzech pól w jednej obudowie:

1. Dwa pola pierścieniowe — rozłączniki (load-break switches, wg IEC 62271-103), którymi kabel pierścieniowy jest pętlowany po obu stronach stacji. Te rozłączniki mogą załączać i wyłączać normalny prąd roboczy, ale nie mogą wyłączać prądu zwarciowego.
2. Jedno pole transformatorowe — przeznaczone do zasilania i ochrony podłączonego transformatora rozdzielczego.

RMU są szeroko stosowane w miejskich i wiejskich sieciach pierścieniowych średniego napięcia dzięki swojej kompaktowej, często gazowej (lub, coraz częściej, stałodielektrycznej) konstrukcji, zajmującej mało miejsca w stacji naziemnej lub wbudowanej.

Dlaczego pole transformatorowe potrzebuje kombinacji rozłącznik-bezpiecznik

Sam rozłącznik nie może wyłączyć prądu zwarciowego — do tego potrzebny jest albo wyłącznik z zabezpieczeniem przekaźnikowym, albo, dla transformatorów mniejszej mocy, kombinacja rozłącznika z bezpiecznikami średniego napięcia, znormalizowana w IEC 62271-105 ("Alternating current switch-fuse combinations"). W tej kombinacji:

• Rozłącznik załącza i wyłącza normalny prąd roboczy transformatora (włącznie z prądem rozruchowym/magnesującym, zob. także przewodnik o prądzie załączeniowym transformatora i selektywności).
• Bezpieczniki wyłączają prąd zwarciowy przy wewnętrznym uszkodzeniu transformatora lub odchodzącego odcinka kablowego, szybciej i z większą zdolnością wyłączania, niż byłby w stanie sam rozłącznik.

Mechanizm wyzwalania: dlaczego przepalenie jednego bezpiecznika to za mało

Bezpiecznik średniego napięcia wyłącza tylko jedną fazę przy przepaleniu. Bez dodatkowego urządzenia transformator kontynuowałby pracę na dwóch pozostałych, sprawnych fazach — praca jednofazowa, która dla transformatora trójfazowego prowadzi do silnie zaburzonego stosunku napięć między uzwojeniami i może spowodować przegrzanie oraz nieodwracalne uszkodzenie, bez żadnej widocznej czy słyszalnej sygnalizacji w tym momencie.

Aby temu zapobiec, IEC 62271-105 wymaga mechanicznego sprzężenia między bezpiecznikiem a rozłącznikiem: każdy bezpiecznik jest wyposażony w iglicę wyzwalającą (striker pin), która zostaje mechanicznie wyrzucona przy przepaleniu właśnie tego bezpiecznika. Ta iglica uruchamia mechanizm wyzwalania, który jednocześnie otwiera wszystkie trzy fazy rozłącznika — nawet jeśli dwa pozostałe bezpieczniki pozostają całkowicie sprawne. Zapobiega to dalszej pracy transformatora w trybie jedno- lub dwufazowym po przepaleniu tylko jednego bezpiecznika.

Uwaga: ten mechanizm wyzwalania to czysto mechaniczna funkcja wykrywania przepalenia bezpiecznika — nie zastępuje on elektrycznego przekaźnika zabezpieczeniowego i wykrywa jedynie sam fakt przepalenia bezpiecznika, a nie przyczynę czy zakres leżącego u podstaw uszkodzenia.

Koordynacja między rozłącznikiem a bezpiecznikiem

IEC 62271-105 ustanawia również wymagania dotyczące koordynacji między rozłącznikiem a bezpiecznikami: minimalny prąd wyłączalny bezpiecznika musi być niższy niż zdolność załączania rozłącznika, aby nie istniała "luka koordynacyjna" — zakres prądu, w którym żaden z komponentów nie usuwa niezawodnie uszkodzenia. Przy uszkodzeniu w obrębie tej teoretycznej luki ani rozłącznik (nieprzystosowany do załączania czy wyłączania uszkodzenia takiej wielkości), ani bezpiecznik (który przy zbyt niskim prądzie nie przepala się dostatecznie szybko) nie byłyby w stanie bezpiecznie zakończyć sytuacji.

SF6, próżnia czy dielektryk stały

Historycznie wiele RMU wykonywano z gazem SF6 jako medium izolacyjnym i gaszącym łuk, ze względu na kompaktowe wymiary, jakie to zapewnia. Jak omówiono w przewodniku o technice łączeniowej próżniowej i SF6 oraz rozporządzeniu w sprawie F-gazów, unijne rozporządzenie w sprawie F-gazów mimo to popycha rynek w kierunku alternatyw bez SF6 — komór gaszących próżniowych w połączeniu z izolacją powietrzną lub izolacją stałodielektryczną (np. epoksydową) — również dla kompaktowych obudów RMU, co wpływa na wykonanie mechaniczne kombinacji rozłącznik-bezpiecznik, ale nie zmienia samej zasady sprzężenia wyzwalania przy przepaleniu bezpiecznika.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie lub doborze RMU dla transformatora rozdzielczego ważne jest sprawdzenie, czy pole transformatorowe jest rzeczywiście wykonane jako kombinacja rozłącznik-bezpiecznik wg IEC 62271-105 — włącznie z działającym mechanizmem wyzwalania z iglicą — a nie jako zwykły rozłącznik bez bezpieczników, oraz czy dobór bezpieczników (prąd znamionowy, zdolność wyłączania) jest zgodny zarówno z prądem rozruchowym, jak i z poziomem zwarcia w danym punkcie sieci.

Częste błędy

1. Założenie, że sam rozłącznik wystarcza do ochrony pola transformatorowego przed zwarciem — bez bezpieczników (lub wyłącznika z zabezpieczeniem przekaźnikowym) rozłącznik nie może wyłączyć wewnętrznego uszkodzenia transformatora.
2. Brak okresowej kontroli mechanizmu wyzwalania z iglicą — mechanicznie zakleszczony lub odłączony mechanizm wyzwalania ponownie czyni aktualnym ryzyko pracy jednofazowej, nawet jeśli same bezpieczniki są dobrane prawidłowo.
3. Zamiana bezpieczników na bezpieczniki innego producenta lub innego prądu znamionowego bez ponownej weryfikacji koordynacji z rozłącznikiem i mechanizmem wyzwalania.
4. Ignorowanie "luki koordynacyjnej" między bezpiecznikiem a rozłącznikiem przy ocenie zabezpieczenia dla konkretnego punktu sieci, podczas gdy właśnie ten zakres prądu zwarciowego nie jest niezawodnie usuwany przez żaden z komponentów.

Powiązane

• Wyłączniki próżniowe i SF6 — technika gaszenia łuku i rozporządzenie w sprawie F-gazów
• Rozłącznik izolacyjny, rozłącznik i wyłącznik — kategorie użytkowania (IEC 60947-3)
• Ogranicznik przepięć średniego napięcia — tlenkowo-metalowy (IEC 60099-4)
• Zakończenie kabla — stożki sterujące pole dla kabli średniego napięcia