Кольцевой распределительный пункт (RMU) и комбинация выключатель-предохранитель — IEC 62271-105

Руководство о вакуумных и элегазовых (SF6) выключателях и регламенте по F-газам рассматривает технику гашения дуги отдельных выключателей. Эта статья рассматривает конкретное, широко распространённое применение этой технологии в распределительных сетях общего пользования среднего напряжения: кольцевой распределительный пункт (RMU), и в частности комбинацию выключатель-предохранитель по IEC 62271-105, которая часто образует его трансформаторную ячейку.

Что такое RMU

Кольцевой распределительный пункт (Ring Main Unit) — это компактное, собранное на заводе и герметично закрытое распределительное устройство среднего напряжения, обычно состоящее из трёх ячеек в одном корпусе:

1. Две кольцевые ячейки — выключатели нагрузки (load-break switches, по IEC 62271-103), которыми кабельное кольцо шлейфуется по обе стороны подстанции. Эти выключатели могут включать и отключать нормальный рабочий ток, но не могут отключать ток короткого замыкания.
2. Одна трансформаторная ячейка — предназначена для питания и защиты подключённого распределительного трансформатора.

RMU широко применяются в городских и сельских кольцевых сетях среднего напряжения благодаря их компактному, часто газонаполненному (или, всё чаще, твёрдодиэлектрическому) исполнению, занимающему мало места на уличной или встроенной подстанции.

Почему трансформаторной ячейке необходима комбинация выключатель-предохранитель

Один только выключатель нагрузки не может отключить ток короткого замыкания — для этого требуется либо выключатель с релейной защитой, либо, для трансформаторов меньшей мощности, комбинация выключателя нагрузки с предохранителями среднего напряжения, стандартизированная в IEC 62271-105 ("Alternating current switch-fuse combinations"). В этой комбинации:

• Выключатель нагрузки включает и отключает нормальный рабочий ток трансформатора (включая пусковой/намагничивающий ток, см. также руководство о пусковом токе трансформатора и селективности).
• Предохранители отключают ток короткого замыкания при внутреннем повреждении трансформатора или отходящего кабельного участка, быстрее и с большей отключающей способностью, чем это мог бы сделать сам выключатель.

Механизм отключения: почему перегорания одного предохранителя недостаточно

Предохранитель среднего напряжения отключает лишь одну фазу при перегорании. Без дополнительного устройства трансформатор продолжил бы работать на двух оставшихся, исправных фазах — однофазный режим работы, который для трёхфазного трансформатора приводит к сильно нарушенному соотношению напряжений между обмотками и может вызвать перегрев и непоправимое повреждение, без какой-либо видимой или слышимой сигнализации в этот момент.

Чтобы предотвратить это, IEC 62271-105 требует механической связи между предохранителем и выключателем: каждый предохранитель оснащён бойком (striker pin), который механически выбрасывается при перегорании именно этого предохранителя. Этот боёк запускает механизм отключения, который одновременно размыкает все три фазы выключателя нагрузки — даже если два других предохранителя остаются полностью исправными. Это предотвращает продолжение работы трансформатора в одно- или двухфазном режиме после перегорания только одного предохранителя.

Внимание: этот механизм отключения — чисто механическая функция обнаружения перегорания предохранителя — он не заменяет электрическое реле защиты и обнаруживает только сам факт перегорания предохранителя, а не причину или масштаб лежащего в основе повреждения.

Координация между выключателем и предохранителем

IEC 62271-105 также устанавливает требования к координации между выключателем нагрузки и предохранителями: минимальный отключаемый ток предохранителя должен быть ниже включающей способности выключателя, чтобы не существовало "зазора координации" — диапазона тока, в котором ни один из компонентов надёжно не устраняет повреждение. При повреждении в пределах этого теоретического зазора ни выключатель (не рассчитанный на включение или отключение повреждения такой величины), ни предохранитель (который при слишком низком токе не перегорает достаточно быстро) не смогли бы безопасно завершить ситуацию.

SF6, вакуум или твёрдый диэлектрик

Исторически многие RMU выполнялись с элегазом (SF6) в качестве изоляционной и дугогасящей среды из-за компактных размеров, которые это обеспечивает. Как рассматривается в руководстве о вакуумной и элегазовой коммутационной технике и регламенте по F-газам, регламент ЕС по F-газам тем не менее подталкивает рынок к альтернативам без SF6 — вакуумным дугогасительным камерам в сочетании с воздушной изоляцией или твёрдодиэлектрической изоляцией (например, эпоксидной) — также и для компактных корпусов RMU, что влияет на механическое исполнение комбинации выключатель- предохранитель, но не изменяет сам принцип связи отключения при перегорании предохранителя.

Практическое значение

При оценке или выборе RMU для распределительного трансформатора важно проверить, что трансформаторная ячейка действительно выполнена как комбинация выключатель-предохранитель по IEC 62271-105 — включая работающий механизм отключения с бойком — а не как простой выключатель нагрузки без предохранителей, и что выбор предохранителей (номинальный ток, отключающая способность) согласован как с пусковым током, так и с уровнем короткого замыкания в данной точке сети.

Частые ошибки

1. Предположение, что один выключатель нагрузки обеспечивает достаточную защиту от короткого замыкания для трансформаторной ячейки — без предохранителей (или выключателя с релейной защитой) выключатель не может отключить внутреннее повреждение трансформатора.
2. Отсутствие периодической проверки механизма отключения с бойком — механически заклинивший или отсоединённый механизм отключения снова делает актуальным риск однофазного режима работы, даже если сами предохранители выбраны правильно.
3. Замена предохранителей на предохранители другого производителя или другого номинального тока без повторной проверки координации с выключателем и механизмом отключения.
4. Игнорирование "зазора координации" между предохранителем и выключателем при оценке защиты для конкретной точки сети, тогда как именно этот диапазон тока короткого замыкания ни один из компонентов надёжно не устраняет.

Связанные материалы

• Вакуумные и элегазовые выключатели — техника гашения дуги и регламент по F-газам
• Разъединитель, выключатель нагрузки и выключатель — категории применения (IEC 60947-3)
• Ограничитель перенапряжений среднего напряжения — металлооксидный (IEC 60099-4)
• Кабельная концевая муфта — конусы регулирования поля для кабелей среднего напряжения