Среднонапреженни разпределителни устройства: Ключ към намаляване на загубите на електроенергия при пренос

Физиката на загубата на мощност и защо разпределителните уреди за средно напрежение са централни за нейното минимизиране

Обяснение на загубите I²R: как разпределението при по-високо напрежение намалява тока и намалява резистивните загуби

Когато електричеството преминава през проводници, повечето загуби възникват поради топлината, генерирана от съпротивлението на проводника, според т.нар. закон на Джоул (P_загуба = I² × R). Интересното в този случай е как загубата на мощност зависи от тока – когато токът намалее само малко, ефективността значително нараства. Това е една от причините, поради които много системи днес разпределят енергия при средни напрежения между 1 и 36 киловолта, вместо да използват ниски напрежения. При тези по-високи напрежения същото количество мощност може да се пренася по кабелите при много по-малък ток. Ако някой намали напрежението наполовина, токът всъщност се удвоява, но ако удвои напрежението, токът се намалява наполовина. Тази проста промяна намалява досадните загуби I²R приблизително с три четвърти, когато се използват проводници със същия размер. Не е чудно, че оборудването за средно напрежение образува основата на повечето ефективни индустриални и търговски системи за разпределение на електроенергия. Тези системи осигуряват стабилно високо напрежение на големи разстояния, без да генерират толкова излишна топлина. Съвременното комутационно оборудване днес включва елементи като медни шини с отлична проводимост и контакти, покрити със сребро, за да се борят със съпротивлението навсякъде, където е възможно. Всички тези подобрения помагат да се намали излишната енергийна загуба, която обикновено отнема около 740 000 долара годишно от средните предприятия, според проучване, публикувано от Института Понемон още през 2023 г.

Среднонапрежен разпределителен щит като стратегически контролен възел между трансформаторната подстанция и крайната натоварвана верига

Среднонапрежението разпределително устройство се намира точно между големите високонапрежението подстанции и каквото и да е оборудване, което има нужда от електрическа енергия в края на линията. Това обаче не са просто простички съединители — те всъщност управляват начина, по който електричеството тече през системата. Различните компоненти вътре в тях, включително прекъсвачи, релета и всевъзможни сензори, постоянно следят какво става с натоварването, забелязват проблеми още на ранен етап и след това пренасочват енергията там, където е необходима най-ефективно. Когато възникне повреда, тези системи могат да изолират аварийните участъци изключително бързо — често за милисекунди, — което предотвратява възникването на по-големи проблеми и защитава както оборудването, така и общата енергийна ефективност. Вземете за пример газоизолираните системи (GIS). Те по-добре от старите въздушноизолирани версии се справят с течовете на утечка и онези досадни частични разряди, намалявайки т.нар. „фантомни загуби“, които всички ние плащаме. Според Международната енергийна агенция дори незначителното подобрение с 1 % при намаляване на електрическите загуби по света води до спестяване от около 87 тераватчаса годишно. Това, което прави среднонапрежението разпределително устройство толкова ценно, е способността му да обединява в едно цяло защитни механизми, възможности за измерване и интелигентни системи за управление, осигурявайки реални подобрения в цялата електроенергийна система — от точката, където електроенергията влиза в мрежата, чак до отделните устройства.

Ключови компоненти на разпределителни устройства за средно напрежение, които директно подобряват ефективността

Оптимизирани шини и контактни материали: намаляване на Джоулово загряване чрез проводимост и повърхностно инженерство

Медните и алуминиевите шини с висока електропроводимост служат като основен път за протичане на електрически ток, а начина, по който са проектирани, оказва значително влияние върху онези досадни загуби I²R, които всички се опитваме да избегнем. Когато върху контактните точки се нанася сребро, контактното съпротивление намалява приблизително с 15 % спрямо обикновените необработени връзки. Това означава по-малко нагряване в тези точки и по-добра температурна регулация при непрекъснатата работа на системите. Числата също разказват интересна история. Според проучване от Института Понемон от 2023 г. намаляването на общото съпротивление на шините само с 1 % може да спести около 740 000 щ.д. в година в средно голяма подстанция. В бъдеще в тази област се наблюдават някои вълнуващи разработки. Производителите работят върху специални сплави, които провеждат електричество почти толкова добре, колкото чистата мед (около 98 % според индекса IACS), нанасят защитни покрития, за да предотвратят окисляването и образуването на опасни горещи точки, както и преосмислят формите им, така че да пропускат по-голям ток, без да заемат допълнително място на оборудването.

Изолационни системи (GIS срещу AIS): Влияние върху токовете на проникване, частични разряди и термична стабилност

Газоизолирани превключвателни уреди, обикновено известни като GIS, работят чрез затваряне на всички токопроводни части вътре в SF6 газ под налягане или по-нови алтернативи без SF6. Тази конфигурация практически елиминира нежеланите повърхностни течения на разтоварване и намалява частичните разряди с около 90 % в сравнение с традиционните въздушно изолирани системи. Благодарение на пълното затваряне на компонентите електрическите характеристики остават стабилни дори при температури над 40 °C. Друго важно предимство е спестяването на пространство — GIS заема около 70 % по-малко място от обикновените системи. Освен това тези уреди имат изключително ниски нива на изтичане — под 0,005 % годишно. Обикновените въздушно изолирани уреди обаче имат тенденция да губят ефективност — ежегодно загубата им варира между 8 % и 12 % при влажни или замърсени условия поради проблеми с повърхностното проследяване и абсорбция на вода от компонентите. Всички тези фактори обясняват защо GIS се отличава толкова ярко в ситуации, където се изисква надеждна експлоатация, компактни размери и енергийна икономия в дългосрочен план.

Интелигентни стратегии за защита и координация, осигурени от съвременни среднонапреженни прекъсвачи

Селективна координация: Съгласуване на време-токовите характеристики, за да се предотвратят каскадни изключвания и загуби на енергия

Когато селективната координация работи правилно, електрическите повреди се изолират точно в местоположението си, вместо да предизвикват проблеми в цялата система. Това осигурява непрекъснато и стабилно захранване на веригите, които не са засегнати от възникналата неизправност. Ключът е в правилното съгласуване на време-токовите характеристики между различните защитни устройства, като прекъсвачи и предпазители. Съвременното оборудване за средно напрежение извършва тази координация по-ефективно в сравнение с по-старите системи, така че при възникване на авария нарушенията остават локализирани, вместо да водят до губене на енергия и спиране на цели производствени процеси. Помислете за това: според доклада на Института Понемон от миналата година неконтролираните електрически проблеми могат да доведат до значителни финансови загуби, средно около 740 000 щ.д., при всяко отделно събитие. Обаче компаниите, които инвестират в подходящи стратегии за координация, обикновено постигат намаляване на разходите си с 40 до 60 процента, като едновременно осигуряват непрекъснатата работа на основните услуги по време на поддръжка или ремонт.

Цифрови реле и настройки с поддръжка на изкуствен интелект: минимизиране на нежеланото задействане и поддържане на непрекъснат, ефективен поток

Съвременните цифрови защитни релета постепенно заместват старите електромеханични релета, тъй като са осемнати с функции за анализ в реално време, настройки, които могат да се адаптират според нуждите, както и интелигентни възможности за автоматична калибрация. Тези нови системи анализират предишните повреди в комбинация с методи на машинно обучение, за да различават временни неизправности от истински проблеми, което намалява досадните ложни изключвания с около 80 процента според полеви тестове. Когато прекъсванията стават по-рядко, оборудването не се налага да се рестартира толкова често, което означава по-малко износване от циклите на загряване и охлаждане, а електричеството продължава да тече непрекъснато и без прекъсвания. Непрекъснатият мониторинг позволява да се засичат проблеми като започващо разрушаване на изолацията или увреждане на контактите още преди те да се превърнат в сериозни повреди, което дава възможност на екипите за поддръжка да предприемат проактивни мерки за поправка, вместо да чакат настъпването на откази. Компаниите съобщават за подобряване на общата производителност на системите, по-дълъг експлоатационен живот на оборудването и значителна икономия – както чрез по-ниски сметки за електроенергия, така и чрез избягване на скъпи инциденти с просто стояне на производството в рамките на цялата им дейност.

ЧЗВ

Какви са загубите I²R и как могат да бъдат минимизирани?

Загубите I²R се отнасят до загуба на мощност поради топлина, генерирана от електрическото съпротивление, според закона на Джоул. Те могат да бъдат минимизирани чрез разпределяне на мощността при по-високо напрежение, което намалява тока и по този начин значително намалява резистивните загуби.

Защо средното напрежение превключващо оборудване е важно за разпределението на електроенергия?

Превключващото оборудване за средно напрежение действа като контролен възел между подстанциите с високо напрежение и крайното оборудване, като ефективно управлява потока на мощност и бързо изолира повреди, за да се подобри защитата на оборудването и енергийната ефективност.

Какви предимства предлага газоизолираното превключващо оборудване (GIS) спрямо въздушноизолираните системи (AIS)?

GIS осигурява по-добро управление на токовете на проникване и частичните разряди, поддържа термична стабилност, спестява място и има по-ниски годишни нива на изтичане в сравнение с AIS, което го прави по-ефективно и надеждно.

Как модерните цифрови релета подобряват производителността на електроенергийните системи?

Съвременните цифрови релета минимизират нежеланото изключване чрез използване на анализ в реално време и машинно обучение, за да различават помежду си краткотрайните смущения и действителните повреди, като по този начин осигуряват непрекъснат и ефективен поток на електроенергия и намаляват простоите.