Jaka jest podstawa doboru rozdzielnic w projektach energetyki odnawialnej?

Wymagania dotyczące napięcia, obciążenia oraz wydajności zwarciowej rozdzielnic do zastosowań w energetyce odnawialnej

Dopasowanie klas napięć średnich (MV) i wysokich (HV) do punktów przyłączenia do sieci oraz skali projektu

Wybór między napięciem średnim (MV: ok. 1 kV do 52 kV) a napięciem wysokim (HV: powyżej 52 kV) zależy przede wszystkim od potrzeb sieci i skali projektu. Duże elektrownie słoneczne zwykle przyłączane są w zakresie napięcia około 34,5 kV, natomiast mniejsze lokalne elektrownie wiatrowe funkcjonują dobrze przy napięciach od 12 do 15 kV. Błędny dobór może prowadzić do problemów takich jak przebicia izolacji lub nieużytkowanie mocy zainstalowanego sprzętu. Na przykład ogromna farmę słoneczną o mocy 100 MW, podłączaną do głównych linii przesyłowych, będzie wymagała rozdzielnic wysokiego napięcia o napięciu znamionowym co najmniej 36 kV. Z drugiej strony małe panele fotowoltaiczne montowane na dachach działają doskonale przy użyciu sprzętu średniego napięcia o napięciu do 15 kV. Większość inżynierów odnosi się do normy IEEE C37.20.2 przy określaniu zgodności sprzętu w różnych układach generacji energii odnawialnej.

Dobór prądów znamionowych oraz zdolności wytrzymywania zwarć dla generacji niestałej i niezrównoważonej

Generacja odnawialna wprowadza zmienne profile obciążenia i asymetryczne prądy zwarciowe, co wymaga rygorystycznego obniżenia mocy znamionowej oraz odporności na uszkodzenia spowodowane zwarciami. Rozdzielnice muszą wytrzymać:

• Prąd stały : 125 % szczytowej mocy wyjściowej falownika w przypadku energii słonecznej; 130 % maksymalnej mocy wyjściowej turbiny w przypadku energii wiatrowej
• Wytrzymałość na zwarcie : minimum 40 kA przez 3 sekundy, aby radzić sobie ze skokami prądu podczas zakłóceń w sieci

Kody sieciowe wzmocniają te wymagania: standard IEEE 1547 wymaga 150% zdolności przeładowania chwilowego dla systemów fotowoltaicznych, podczas gdy w zastosowaniach wiatrowych wymagana jest 200% wytrzymałość cykliczna obciążenia, aby uwzględnić bezwładność turbin i zmienność momentu obrotowego spowodowaną porywami wiatru.

Rodzaje rozdzielnic zoptymalizowanych pod kątem zastosowania w systemach słonecznych, wiatrowych oraz magazynowania energii

Rozdzielnie średniego napięcia typu metalowo-obudowane, GIS oraz bez użycia SF₆ dla farm fotowoltaicznych i podstacji wiatrowych

Duże projekty w zakresie energii odnawialnej wymagają średniego napięcia wyposażenia rozdzielczego, które można łatwo serwisować, zajmuje mniej miejsca i pozostaje bezpieczne w różnych środowiskach. Większość farm słonecznych wybiera konstrukcje metalowo-osłonięte ze względu na ich charakter modułowy. Wyciągalne wyzwalacze zwarciowe pozwalają technikom na naprawę urządzeń bez konieczności wyłączenia całej stacji transformatorowej, co pozwala zaoszczędzić czas i pieniądze. W przypadku instalacji wiatrowych na morzu lub miejsc, gdzie brakuje wystarczającej przestrzeni, preferowanym rozwiązaniem staje się gazowoizolowane wyposażenie rozdzielcze (GIS). Takie systemy zmniejszają wymagania dotyczące powierzchni fizycznej o około dwie trzecie w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami, a ponadto naturalnie odpierają korozję spowodowaną ekspozycją na wodę morską. W miarę jak przepisy dotyczące emisji stają się coraz surowsze na całym świecie, obserwujemy obecnie rosnącą adopcję alternatyw dla SF6. Firmy zaczynają stosować technologię przerwania w próżni połączoną z materiałami izolacyjnymi o stałej dielektryczności zamiast tradycyjnego gazu SF6. Nowsze wyposażenie działa tak samo skutecznie jak poprzednie, ale eliminuje wszystkie uciążliwe obawy związane z emisją gazów cieplarnianych, które wcześniej plagały ten sektor.

Wyposażenie rozdzielcze prądu stałego i prądu przemiennego/stałego hybrydowe do zastosowań w systemach magazynowania energii w bateriach oraz mikrosieciach

Systemy magazynowania energii w bateriach, zwane potocznie BESS, wymagają specjalnie zaprojektowanej aparatury łączeniowej prądu stałego ze względu na występowanie niektórych wyjątkowo charakterystycznych problemów. W przeciwieństwie do systemów prądu przemiennego nie ma naturalnego punktu, w którym prąd spada do zera, a dodatkowo występują szybkie szczyty rozładowania, które mogą uszkodzić wyposażenie. Dlatego też nowoczesna aparatura łączeniowa zawiera m.in. cewki magnetycznego gaszenia łuku oraz wytrzymałsze komory gaszące łuk, pozwalające niemal natychmiastowo wyłączać awarie prądu stałego – zwykle w ciągu kilku milisekund. W przypadku hybrydowych rozwiązań aparatury łączeniowej prądu przemiennego i stałego ich główną zaletą jest zdolność do ochrony wszystkich komponentów podczas przełączania między różnymi źródłami zasilania w konfiguracji mikrosieci. Wystarczy pomyśleć o systemie łączącym panele słoneczne, akumulatory oraz tradycyjne agregaty prądotwórcze rezerwowe – tego typu sprzęt zapewnia bezproblemową pracę całego układu. Zastosowanie native’owego (właściwego) sprzężenia prądem stałym rzeczywiście redukuje straty energii podczas konwersji oraz umożliwia niezależną pracę systemu w przypadku wyłączenia się sieci zewnętrznej. Ta funkcjonalność nie jest jedynie dobrym rozwiązaniem technicznym – staje się obecnie niezbędna do spełnienia wymogów norm takich jak UL 1741 SA i IEEE 1547-2018, co nabiera coraz większego znaczenia wraz z rosnącą liczbą obiektów dążących do niezależności energetycznej.

Trwałość środowiskowa i projekt gotowy do zdalnej obsługi dla lokalizacji wykorzystujących źródła odnawialne

Odporność na korozję, obudowy z ochroną IP65+, oraz adaptacyjne zarządzanie temperaturą w surowych warunkach klimatycznych

Sprzęt rozdzielczy w miejscach generacji energii odnawialnej stoi przed poważnymi wyzwaniami wynikającymi z surowych warunków środowiskowych. Elektrownie wiatrowe położone wzdłuż wybrzeży narażone są na korozję spowodowaną mgłą morską, podczas gdy instalacje fotowoltaiczne w pustyniach muszą radzić sobie z erozją piaskową oraz wilgotnością dochodzącą nawet do ponad 90%. Zgodnie z badaniami AMPP z 2023 roku około jedna czwarta wszystkich awarii elektrycznych ma miejsce właśnie z powodu korozji w tych trudnych środowiskach. Aby temu zapobiec, obudowy z potrójnym uszczelnieniem o stopniu ochrony IP66 skutecznie zapobiegają przedostawaniu się pyłu i wody do wnętrza podczas intensywnych zjawisk pogodowych, takich jak monsuny czy burze piaskowe. W jeszcze bardziej wymagających przypadkach producenci stosują stal nierdzewną 316L lub stopy niklowe, które posiadają certyfikat zgodności ze standardem ISO 12944 C5-M dla obszarów narażonych na działanie agresywnych chemikaliów lub ekspozycję morską. Systemy zarządzania temperaturą odgrywają w tym kontekście kluczową rolę. Wykorzystują one grzejniki PTC oraz wentylatory o zmiennej prędkości obrotowej, aby zapewnić nieprzerwane i bezpieczne funkcjonowanie urządzeń w zakresie temperatur od minus 40 °C do plus 55 °C. Takie systemy pomagają zapobiegać niebezpiecznym przepięciom łukowym spowodowanym kondensacją przy gwałtownych wahaniach temperatur w ciągu nocy – zjawisko to zostało przetestowane i udokumentowane w normie IEC TR 63397:2022.

Gotowość cyfrowa: inteligentne wyposażenie rozdzielcze do monitoringu, automatyzacji i zgodności z siecią energetyczną

Integracja zgodnie z normą IEC 61850, protokoły SCADA (Modbus/DNP3) oraz diagnostyka oparta na brzegu sieci

Wyposażenie rozdzielcze odgrywa kluczową rolę w nowoczesnych systemach odnawialnych, pełniąc funkcję znacznie ważniejszą niż zwykły punkt odłączenia. Gdy urządzenia obsługują natywnie standardy IEC 61850, umożliwia to bezproblemową współpracę urządzeń ochrony, czujników i sterowników różnych marek. Upraszcza to proces instalacji oraz przyspiesza weryfikację zgodności z wymaganiami sieciowymi. Większość obecnych systemów łączy się również z platformami SCADA za pośrednictwem protokołów takich jak Modbus TCP i DNP3. Takie połączenia pozwalają operatorom na zdalne monitorowanie i sterowanie wszystkimi elementami systemu przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa danych w całej sieci. Inteligentne procesory wbudowane bezpośrednio w te urządzenia mogą lokalnie sprawdzać poziomy prądu, pomiary napięcia, zmiany temperatury, a nawet wykrywać częściowe wyładowania. Wykrywają one usterki w czasie krótszym niż 20 milisekund — co ma ogromne znaczenie przy szybkiej reakcji na zdarzenia wyspowe (islanding). Zaawansowane narzędzia predykcyjnej konserwacji analizują historię działania poszczególnych komponentów, aby przewidzieć moment potencjalnego uszkodzenia elementów. Zgodnie z raportem Energy Grid Insights z 2023 roku, podejście to niemal dwukrotnie zmniejsza nieplanowane przestoje. Istnieje także dodatkowa funkcja: adaptacyjna logika ochrony utrzymuje stabilność systemu poprzez automatyczną modyfikację ustawień w odpowiedzi na fluktuacje źródeł energii odnawialnej. Dzięki temu możliwe jest zachowanie zgodności z wymaganiami dotyczącymi przejścia przez zakłócenia niskonapięciowe (LVRT) oraz ograniczeń zanieczyszczeń harmoniczych bez konieczności interwencji ręcznej.

Często zadawane pytania

Jakie poziomy napięcia są typowe dla rozdzielnic wykorzystywanych w systemach energii odnawialnej?

Średnie napięcie (MV) zwykle mieści się w zakresie od 1 kV do 52 kV i jest powszechnie stosowane w mniejszych systemach, podczas gdy wysokie napięcie (HV) przekracza 52 kV i jest zazwyczaj wymagane w dużych instalacjach.

W jaki sposób rozdzielnie wspierają systemy magazynowania energii w akumulatorach?

Rozdzielnie prądu stałego (DC) stosowane w systemach magazynowania energii w akumulatorach radzą sobie z unikalnymi wyzwaniami, takimi jak szybkie szczyty rozładowania, dzięki zastosowaniu rozwiązań takich jak cewki magnetycznego gaszenia łuku i komory gaszące łuk, umożliwiających szybkie reagowanie na uszkodzenia.

Jakie są alternatywy dla rozdzielnic bez użycia gazu SF6?

Obecne trendy wskazują na rosnące zainteresowanie technologią przerwania w próżni w połączeniu z materiałami izolacyjnymi o stałej dielektryczności, co eliminuje konieczność stosowania gazu cieplarnianego SF6 przy jednoczesnym zachowaniu porównywalnej wydajności.

W jaki sposób warunki środowiskowe wpływają na rozdzielnie w miejscach wytwarzania energii odnawialnej?

Wyposażenie rozdzielcze na obiektach wykorzystujących energię odnawialną może być narażone na korozję spowodowaną mgłą morską, ścieranie przez piasek oraz skrajne warunki temperaturowe. Rozwiązaniami są m.in. zastosowanie odpornych obudów oraz adaptacyjnych systemów zarządzania ciepłem zapewniających trwałość.