Каковы критерии выбора коммутационного оборудования для проектов в области возобновляемой энергетики?

Требования к напряжению, нагрузке и отключающей способности при аварийных режимах для коммутационного оборудования, применяемого в системах возобновляемой энергетики

Согласование классов напряжения среднего (MV) и высокого (HV) напряжения с точками подключения к сети и масштабом проекта

Выбор между средним напряжением (MV: примерно от 1 кВ до 52 кВ) и высоким напряжением (HV: свыше 52 кВ) в конечном счёте определяется потребностями сети и масштабами проекта. Крупные солнечные электростанции, как правило, подключаются к сети на уровне около 34,5 кВ, тогда как небольшие ветроэлектростанции в рамках местных сообществ обычно успешно функционируют при напряжениях в диапазоне от 12 до 15 кВ. Ошибки в выборе могут привести к таким проблемам, как пробой изоляции или неиспользование резерва мощности оборудования. Например, крупная солнечная электростанция мощностью 100 МВт, подключаемая к магистральным линиям передачи, потребует высоковольтной коммутационной аппаратуры с номинальным напряжением не менее 36 кВ. В свою очередь, небольшие солнечные панели на крышах зданий прекрасно работают с аппаратурой среднего напряжения до 15 кВ. При решении вопросов совместимости в различных системах возобновляемой энергетики инженеры чаще всего руководствуются стандартом IEEE C37.20.2.

Определение номинальных токов и способности выдерживать токи короткого замыкания для источников переменной и несимметричной генерации

Использование возобновляемых источников энергии приводит к переменным профилям нагрузки и асимметричным токам короткого замыкания, что требует строгого понижения номиналов и высокой устойчивости к аварийным ситуациям. Коммутационное оборудование должно выдерживать:

• Непрерывный ток : 125 % пиковой выходной мощности инвертора для солнечных электростанций; 130 % максимальной выходной мощности турбины для ветровых электростанций
• Стойкость к короткому замыканию : не менее 40 кА в течение 3 секунд для управления импульсными токами при нарушениях в работе сети

Сетевые стандарты ужесточают эти требования: стандарт IEEE 1547 предписывает фотогальваническим системам способность к кратковременной перегрузке на 150 %, тогда как для ветроэнергетических применений требуется циклическая нагрузочная стойкость на 200 % для компенсации инерции турбин и колебаний крутящего момента, вызванных порывами ветра.

Типы коммутационного оборудования, оптимизированные под конкретное применение: для солнечной энергетики, ветроэнергетики и систем хранения энергии

Металлозаключённые, газоизолированные (GIS) и не содержащие SF₆ средненапряжённые коммутационные устройства для фотоэлектрических электростанций и ветровых подстанций

Крупномасштабные проекты в области возобновляемой энергетики требуют комплектных распределительных устройств среднего напряжения, которые легко обслуживаются, занимают меньше места и обеспечивают безопасность в различных условиях эксплуатации. Большинство солнечных электростанций выбирают металлические корпусные конструкции благодаря их модульности. Съёмные автоматические выключатели позволяют техникам выполнять ремонт без отключения всей подстанции, что экономит время и средства. Для морских ветроэлектростанций или мест, где просто недостаточно места, предпочтительным решением становятся газоизолированные распределительные устройства (ГИРУ). По сравнению с традиционными решениями такие системы сокращают требования к площади примерно на две трети, а также естественным образом устойчивы к коррозии, вызванной воздействием морской воды. По мере ужесточения нормативных требований в отношении выбросов наблюдается растущее внедрение альтернатив SF₆. Компании переходят на технологию вакуумного гашения дуги в сочетании с твёрдыми диэлектрическими изоляционными материалами вместо традиционного газа SF₆. Новое оборудование обеспечивает такую же надёжность и эффективность, как и предшествующие решения, но полностью устраняет проблемы, связанные с выбросами парниковых газов, которые ранее беспокоили отрасль.

Постоянный ток и гибридные коммутационные устройства переменного/постоянного тока для систем хранения энергии на аккумуляторах и микросетей

Системы хранения энергии на аккумуляторах (Battery Energy Storage Systems, или сокращённо BESS) требуют специально разработанной постоянного тока (DC) коммутационной аппаратуры, поскольку сталкиваются с рядом весьма специфических проблем. В отличие от переменного тока (AC), в цепях постоянного тока отсутствует естественная точка, в которой ток падает до нуля; кроме того, наблюдаются быстрые импульсы разряда, способные повредить оборудование. Именно поэтому современная коммутационная аппаратура оснащается, например, магнитными дугогасительными катушками и усиленными дугогасительными камерами, способными прерывать аварийные токи постоянного тока практически мгновенно — как правило, в течение нескольких миллисекунд. При рассмотрении гибридных решений коммутационной аппаратуры для цепей переменного и постоянного тока их ключевым отличием является способность обеспечивать защиту всех компонентов при переключении между различными источниками питания в составе микросети. Представьте систему, объединяющую солнечные панели, аккумуляторные батареи и традиционные резервные генераторы: подобная аппаратура обеспечивает бесперебойное управление всеми элементами. Применение «родной» (native) DC-связи фактически снижает потери энергии при преобразовании и позволяет системе функционировать автономно при отключении основной электросети. Эта возможность — не просто рекомендуемая практика, а становится обязательной для соответствия нормативным требованиям, таким как стандарты UL 1741 SA и IEEE 1547-2018, значение которых постоянно возрастает по мере того, как всё большее число объектов стремится к энергетической независимости.

Экологическая долговечность и конструкция, готовая к удалённому управлению, для объектов возобновляемой энергетики

Стойкость к коррозии, корпуса с защитой IP65 и выше, а также адаптивное тепловое управление в суровых климатических условиях

Коммутационное оборудование на объектах возобновляемой энергетики сталкивается с серьёзными вызовами из-за суровых условий эксплуатации. Ветровые электростанции в прибрежных зонах подвержены коррозии от солевого тумана, тогда как солнечные электростанции в пустынях испытывают абразивное воздействие песка и высокую влажность, достигающую более 90 %. Согласно исследованию AMPP за 2023 год, примерно четверть всех электрических отказов происходит из-за коррозии в таких экстремальных условиях. Для борьбы с этим применяются тройные уплотнённые корпуса со степенью защиты IP66, предотвращающие проникновение пыли и воды внутрь оборудования во время интенсивных погодных явлений, таких как муссоны или песчаные бури. В ещё более сложных условиях производители используют нержавеющую сталь марки 316L или никелевые сплавы, сертифицированные по стандарту ISO 12944 C5-M для эксплуатации в агрессивных химических средах или в морской среде. Системы теплового управления также играют ключевую роль. Они оснащаются положительными температурными коэффициентами (PTC) нагревателей и вентиляторами с регулируемой скоростью вращения, обеспечивая бесперебойную работу оборудования в экстремальном диапазоне температур — от минус 40 °C до плюс 55 °C. Эти системы помогают предотвратить опасные перекрытия, вызванные конденсацией при резких суточных колебаниях температуры — явление, которое было протестировано и задокументировано в техническом отчёте МЭК TR 63397:2022.

Цифровая готовность: интеллектуальное коммутационное оборудование для мониторинга, автоматизации и соответствия требованиям электросети

Интеграция по стандарту IEC 61850, протоколы SCADA (Modbus/DNP3) и диагностика на основе «граничных» устройств

Коммутационное оборудование играет жизненно важную роль в современных системах возобновляемой энергетики, выполняя функции, выходящие далеко за рамки простой точки отключения. Когда оборудование поддерживает нативные стандарты IEC 61850, это позволяет устройствам защиты, датчикам и контроллерам различных производителей работать вместе бесперебойно. Благодаря этому упрощается настройка системы и ускоряется процесс проверки соответствия требованиям сетевых кодов. Большинство современных систем также подключаются к платформам SCADA по протоколам, таким как Modbus TCP и DNP3. Такие подключения позволяют операторам осуществлять удалённый мониторинг и управление всеми компонентами системы при одновременном обеспечении безопасности данных на всём протяжении сети. Умные процессоры, встроенные непосредственно в эти устройства, способны локально контролировать значения тока, напряжения, температурные изменения, а также выявлять частичные разряды. Они обнаруживают неисправности менее чем за 20 миллисекунд — что имеет решающее значение при быстром реагировании на события островного режима. Современные инструменты предиктивного технического обслуживания анализируют историю эксплуатации компонентов, чтобы прогнозировать момент возможного выхода из строя деталей. Согласно отчёту Energy Grid Insights за 2023 год, такой подход сокращает незапланированное время простоя почти вдвое. Кроме того, адаптивная логика защиты обеспечивает стабильность работы системы за счёт автоматической корректировки параметров при колебаниях выработки энергии возобновляемыми источниками. Это помогает соблюдать требования к прохождению низковольтных провалов (LVRT) и ограничениям по коэффициенту гармонических искажений без необходимости ручного вмешательства.

Часто задаваемые вопросы

Какие уровни напряжения типичны для коммутационного оборудования в системах возобновляемой энергетики?

Среднее напряжение (MV) обычно находится в диапазоне от 1 кВ до 52 кВ и широко применяется в небольших системах, тогда как высокое напряжение (HV) превышает 52 кВ и обычно требуется для крупномасштабных установок.

Каким образом коммутационное оборудование поддерживает системы аккумуляторных накопителей энергии?

Постоянный ток (DC) коммутационное оборудование, используемое в системах аккумуляторных накопителей энергии, решает специфические задачи, такие как быстрые всплески разряда, за счёт применения таких функций, как магнитные дугогасительные катушки и дугогасительные камеры, позволяющих оперативно устранять аварийные ситуации.

Какие существуют альтернативы SF6 в коммутационном оборудовании?

Современные тенденции направлены на применение технологии вакуумного гашения дуги с использованием твёрдых диэлектрических изоляционных материалов, что позволяет полностью отказаться от парникового газа SF6 без потери сопоставимых эксплуатационных характеристик.

Как влияют климатические условия на работу коммутационного оборудования на объектах возобновляемой энергетики?

Коммутационное оборудование на объектах возобновляемой энергетики может подвергаться воздействию коррозии от солевого тумана, абразивного износа песком и экстремальных температур. Решения включают использование прочных корпусов и адаптивных систем теплового управления для обеспечения долговечности.