Rozdział energii elektrycznej w stacjach i rozdzielnicach elektrycznych SN i nn

Mianem stacji elektroenergetycznej określa się zespół urządzeń elektroenergetycznych służących do rozdziału, przetwarzania lub transformacji energii elektrycznej. Ze względu na usytuowanie w systemie elektroenergetycznym stacje dzieli się na elektrowniane, sieciowe i odbiorcze. Zdecydowaną większość stanowią stacje sieciowe, które są punktami węzłowymi sieci elektroenergetycznej [1].

Głównym elementem każdej stacji rozdzielczej jest rozdzielnica, której zadaniem jest doprowadzenie energii obwodami zasilającymi i jej rozdział na obwody odbiorcze przy tym samym napięciu. W skład rozdzielnicy wchodzą następujące elementy podstawowe [1]:

• szyny zbiorcze, przewody, izolatory i konstrukcje wsporcze,
• aparatura łączeniowa,
• przekładniki i obwody wtórne.

Rozdzielnice elektryczne

Rozdzielnicą określa się zespół urządzeń elektroenergetycznych wraz z szynami zbiorczymi, połączeniami elektrycznymi, elementami izolacyjnymi, konstrukcją mechaniczną i osłonami, służący do rozdziału energii elektrycznej, jak również łączenia i zabezpieczania obwodów zasilających i odbiorczych [1, 2].

Na rynku dostępne są prefabrykowane rozdzielnice średniego napięcia różnego typu, które stanowią wyposażenie rozdzielni i stacji transformatorowych. Poszczególne typy rozdzielnic średniego napięcia różnią się między sobą w zależności od przeznaczenia, parametrów znamionowych oraz właściwości technicznych wynikających z zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych. Umożliwia to inwestorom i projektantom dobranie odpowiedniego rozwiązania, biorąc pod uwagę określone parametry techniczne i warunki eksploatacyjne. Uwzględnia się przy tym również możliwości finansowe i wymagania inwestora [2, 3].

Natomiast rozdzielnice nn służą do rozdziału energii elektrycznej i łączenia oraz zabezpieczania linii lub obwodów nn. W zależności od ich przeznaczenia, parametrów znamionowych oraz właściwości technicznych wynikających z rozwiązania konstrukcyjnego, są urządzeniami bardzo zróżnicowanymi. Rozdzielnice niskonapięciowe są elementami złożonymi z jednego lub kilku łączników niskiego napięcia, które współpracują z urządzeniami sterowniczymi, sygnalizacyjnymi oraz pomiarowymi [2, 4]. Służą one również do łączenia oraz zabezpieczania linii lub obwodów elektrycznych.

Rodzaje rozdzielnic średniego napięcia

W chwili obecnej najbardziej zaawansowane technologicznie są rozdzielnice średniego napięcia w izolacji gazowej z sześciofluorkiem siarki (SF6). Te kompaktowe rozdzielnice są odporne na wpływ środowiska zewnętrznego i praktycznie nie wymagają zabiegów konserwacyjnych. Modułowa struktura elektronicznego systemu nadzoru i zwarta budowa stanowią o właściwym rozwiązaniu dla energetyki, budownictwa komercyjnego i przemysłu. Zakres pól rozdzielnicy stanowią pola wyłącznikowe, rozłącznikowe i pomiarowe. Kable do rozdzielnicy podłączane są przez typowe adaptery łączone na wcisk z izolatorem przepustowym. Każdy moduł takiej rozdzielnicy może się składać z kilku pól, a ich liczba jest różna w zależności od producenta. Połączenie między modułami realizowane jest za pomocą izolowanego łączenia szynowego typu wtykowego. Ten sposób umożliwia konfigurację dowolnej rozdzielnicy, system rozbudowy jest łatwy do przeprowadzenia i nie wymaga prac z gazem SF₆ [3].

Tańszą alternatywą są rozdzielnice SN w obudowie metalowej w izolacji powietrznej. Rozdzielnice te charakteryzują się wysoką uniwersalnością, co pozwala stosować je zarówno w tańszych – rozłącznikowych systemach rozdzielczych, jak i w systemach wymagających zastosowania wyłączników. Sąsiadujące ze sobą pola rozdzielnicy są oddzielane od siebie przegrodami metalowymi, za wyjątkiem przedziału szyn zbiorczych, gdzie mogą zostać zainstalowane ogniotrwałe przegrody izolacyjne. Dla zwiększenia bezpieczeństwa obsługi w powyższych rozdzielnicach stosowane są obecnie następujące rozwiązania techniczne [3]:

• wszystkie pola wyposażone są w uziemniki,
• wyłącznika lub rozłącznika nie da się zamknąć przy zamkniętym uziemniku,
• badanie obecności napięcia jest przeprowadzane przy zamkniętych drzwiach rozdzielnicy,
• okienka znajdujące się w drzwiach pozwalają sprawdzić pozycję łączników przy zamkniętych drzwiach.

Inną tendencją stosowaną w nowoczesnych rozdzielnicach SN jest stosowanie szyn zbiorczych wykonanych z rur miedzianych. Pozwala to osiągnąć optymalny rozkład pola elektrycznego, a co za tym idzie zmniejszyć wymiary pola rozdzielnicy. Stosowane wyłączniki w rozdzielnicach SN to obecnie wyłączniki próżniowe, montowane na wysuwnym wózku. Mogą one posiadać napęd ręczny lub silnikowy.

Biorąc pod uwagę miejsce zainstalowania, wyróżnia się rozdzielnice wnętrzowe i napowietrzne, przyścienne i wolno stojące, a ze względu na możliwość ich przemieszczania, dzieli się je na stacjonarne i przenośne. W zależności od możliwości dostępu do aparatów i osprzętu rozdzielnice można podzielić na rozdzielnice z dostępem jednostronnym i dwustronnym (od przodu i z tyłu). Innym kryterium podziału może być sposób montażu aparatów i łączników w polu rozdzielnicy. Z tego względu w rozdzielnicach jednoczłonowych wszystkie aparaty zamocowane są na stałe do konstrukcji rozdzielnicy. Jednak to rozwiązanie stwarza problemy z konserwacją i ewentualną naprawą związaną ze zwartą zabudową rozdzielnicy. Z tego względu powstały konstrukcje dwuczłonowe, w których część aparatów montowana jest na stałe do konstrukcji rozdzielnicy, a pozostałe wysuwane są w postaci wózka. Elementem wysuwanym jest najczęściej wyłącznik główny lub stycznik. W rozwiązaniu tego typu naprawa lub wymiana uszkodzonego elementu jest znacznie łatwiejsza i szybsza niż w konstrukcji jednoczłonowej. Obecnie dzięki zastosowaniu wyłączników próżniowych i typu SF₆ różnice w komforcie eksploatacji zaczynają się zacierać.

Budowa pól rozdzielczych i ich wyposażenie

Rozdzielnica SN może być podzielona na następujące przedziały [5]:

• przedział szyn zbiorczych – przedział szyn zbiorczych izolowanych powietrzem jest usytuowany w górnej części pola i zazwyczaj przebiega wzdłuż całej rozdzielnicy. Pole pomiarowe lub sprzęgłowe usytuowane w części środkowej rozdzielnicy dzieli główny przedział szyn zbiorczych. Do otwarcia przedziału szynowego najczęściej niezbędne są narzędzia,
• przedział rozłącznika – trójpołożeniowy rozłącznik jest umieszczony pomiędzy przedziałem szyn zbiorczych i przedziałem kablowym. Jego osłona może być wykonana z żywicy epoksydowej i stali nierdzewnej, tworzących wypełnioną gazem SF₆ obudowę, w której są umieszczone elektryczne części obwodu głównego rozłącznika. Dolna część osłony rozłącznika wykonana jest ze stali nierdzewnej, może stanowić metalową przegrodę między przedziałem szyn zbiorczych i przedziałem kablowym. Takie rozwiązanie czyni produkt bezpieczniejszym poprzez skuteczność ochrony przed dotykiem bezpośrednim,
• przedział kablowy – około 75% objętości pola jest zarezerwowane dla przyłączy kabli zasilających/odpływowych, bezpieczników, uziemników lub przekładników. Stosuje się najczęściej wyłączniki z gazem SF₆ lub próżniowe. Pola wyposażone w rozłączniki zawierają blokady, zapewniające, aby wszystkie części będące wewnątrz pod napięciem były odłączone i uziemione przed otwarciem przedziału. Taki przedział jest oznakowany jako „dostępny przedział kontrolowany blokadą” („interlock-controlled accessible compartment”). Pola niewyposażone w rozłączniki zawierają elementy umożliwiające blokowanie dostępu do wewnątrz przedziału poprzez założenie kłódki. Taki przedział jest oznakowany jako „przedział dostępny na podstawie procedury” („procedure-controlled accessible compartment”),
• przedział napędu – przedział zawiera miejsce pod następujące wyposażenie: napęd rozłącznika i uziemnika, zespół blokady mechanicznej wraz ze wskaźnikami stanu położenia, wyzwalacze otwierające, wskaźniki obecności napięcia oraz styki pomocnicze,
• przedział niskiego napięcia – w zależności od użytej aplikacji przedział występuje w dwóch wykonaniach: podstawowej lub powiększonej. Przedział można wyposażać w obwody wtórne, listwy zaciskowe i aparaturę zabezpieczeniową,
• otwory dekompresyjne – otwory dekompresyjne w tylnej ścianie pól otwierają się i kierują nadmiar gazów pod ciśnieniem poza rozdzielnicę. Opcjonalnie można doposażyć pola w kanały wydmuchowe i filtry. W ten sposób ryzyko poranienia personelu obsługi w przypadku wystąpienia ewentualnego łuku wewnętrznego jest zminimalizowane. W tylnej ścianie każdego pola występują dwa otwory dekompresyjne zamknięte klapami wydmuchowymi:
  • górny otwór dekompresyjny przeznaczony jest dla przedziału szyn zbiorczych i rozłącznika,
  • dolny otwór dekompresyjny przeznaczony jest dla wyłącznika i przedziału kablowego.

Inny typ klap wydmuchowych może być umieszczony na górze rozdzielnicy powodując wydostawanie się gazów ponad głowami obsługi w kierunku sufitu. Z tego względu wskazane jest umieszczenie rozdzielnicy w pomieszczeniu o wysokości zalecanej przez producenta rozdzielnicy.

Łuk elektryczny

Zwarciem łukowym nazywane jest zwarcie w przedziale rozdzielnicy, któremu towarzyszy palący się pomiędzy szynami, szynami a obudową rozdzielnicy lub pomiędzy torami prądowymi aparatów łuk elektryczny. Podawanych jest wiele przyczyn powstawania zwarć [6, 7]. Można wyróżnić podział na czynniki elektryczne i nieelektryczne. Do przyczyn elektrycznych można zaliczyć [6]: pomyłki łączeniowe, długotrwałe przeciążenia powodujące uszkodzenie izolacji, przepięcia atmosferyczne, przepięcia łączeniowe.

Do przyczyn nieelektrycznych zalicza się [6]:

• niewłaściwą eksploatację urządzeń elektrycznych, np. pozostawione narzędzia na szynach wewnątrz rozdzielni,
• działanie zwierząt (ptaki, gryzonie, zwierzęta domowe),
• zawilgocenie i (lub) uszkodzenie mechaniczne izolacji,
• wady fabryczne zastosowanych urządzeń.

W przypadku wystąpienia zwarcia łukowego [6, 7]:

• następuje wzrost prądów powodujących nagrzewanie się torów prądowych aparatów i urządzeń, a tym samym przyspieszone starzenie izolacji,
• prądy zwarciowe wywołują powstawanie dużych sił elektrodynamicznych pomiędzy torami prądowymi oraz torami prądowym i konstrukcjami ferromagnetycznymi. W wyniku tych sił powstają naprężenia mechaniczne izolatorów szyn, izolatorów aparatów i urządzeń oraz uszkodzenia mechaniczne aparatury pomiarowej,
• łuk elektryczny podlega działaniom sił elektrodynamicznych, w wyniku których zaczyna się przemieszczać wzdłuż szyn w rozdzielnicy,
• przemieszczający się łuk elektryczny nagrzewa powietrze, a tym samym przyczynia się do wzrostu temperatury i ciśnienia wewnątrz przedziałów rozdzielnicy,
• gwałtowne zmiany ciśnienia powietrza wewnątrz przedziałów rozdzielnicy powodują wzrost naprężeń mechanicznych konstrukcji wsporczych, drzwi i ścian rozdzielnicy,
• wysoka temperatura łuku wywołuje uszkodzenia termiczne przedziałów rozdzielnicy (wypalenie przedziałów) oraz uszkodzenia cieplne izolacji,
• produkty spalania elementów poddanych działaniu łuku w połączeniu z wysoką temperaturą powietrza przyczyniają się do powstania przewodzących warstw na powierzchni izolacji urządzeń, uniemożliwiając ich poprawną dalszą pracę.

W przypadku niewłaściwej konstrukcji rozdzielnicy, np. przy braku elementów dekompresyjnych, mogą wystąpić odkształcenia osłon i drzwi, jak również elementów mocujących te osłony, umożliwiając wypływ gorących i zjonizowanych gazów w kierunku osób lub innych urządzeń. Cieplne działanie łuku elektrycznego może doprowadzić do ciężkich oparzeń ciała, nawet w znacznej odległości od rozdzielnicy. Powstające nadciśnienie w rozdzielnicy powoduje silne naprężenia mechaniczne elementów konstrukcji (wsporników, zawiasów drzwi itp.) mogące doprowadzić do ich rozerwania. W przypadku nieprawidłowego zaprojektowania może to stanowić poważne zagrożenie dla personelu lub osób postronnych. Straty materialne powstające w następstwie zwarć łukowych wynikają nie tylko z uszkodzeń samej rozdzielnicy, ale także powiązane są z przerwami w dostawie energii elektrycznej do odbiorców. Pomimo stosowania coraz to nowszych materiałów konstrukcyjnych i technologii budowy rozdzielnic nie można wykluczyć w procesie projektowania możliwości wystąpienia zwarcia łukowego.

Miarą szkód spowodowanych przez zwarcie łukowe jest energia, która wydzieli się w łuku elektrycznym. Energię zwarcia łukowego E_z można określić zależnością:

gdzie:

u_a, i_a – napięcie i prąd łuku.

Zabezpieczenia łukochronne

Wielu zwarciom występującym w rozdzielnicach elektroenergetycznych towarzyszy łuk elektryczny. Bardzo często pozostawia on po sobie znaczne zniszczenia, jak również stwarza zagrożenie dla życia. W ostatnich latach coraz częściej rozdzielnice wyposażane są w zabezpieczenia łukowe współpracujące z czujnikami optycznymi. Kryterium identyfikacji zwarcia, jakim jest światło emitowane przez łuk elektryczny, jest najszybszym z możliwych kryteriów, dzięki temu zabezpieczenia te są w stanie wytworzyć sygnał sterujący otwarcie wyłącznika w czasie nieprzekraczającym 10 ms. Zabezpieczenia te, oprócz szybkiego wykrycia zwarcia, pozwalają również na jego lokalizację, dzięki czemu możliwa jest szybka i selektywna reakcja w przypadku wystąpienia zwarcia łukowego, co znacząco ogranicza jego niszczące skutki. Powyższe zalety sprawiają, że zainteresowanie zabezpieczeniami łukowymi wciąż rośnie [8].

Rozwiązania rozdzielnic nn

Ze względu na miejsce zainstalowania rozdzielnice niskiego napięcia dzielimy na wnętrzowe i napowietrzne. W zależności od przeznaczenia i zastosowania można wyróżnić między innymi rozdzielnice: energetyczno-dystrybucyjne, przemysłowe, słupowe, budowlane i mieszkaniowe.

Pod względem rozwiązań konstrukcji zewnętrznych wyróżnia się rozdzielnice otwarte, częściowo osłonięte oraz osłonięte. Natomiast ze względu na sposób zainstalowania rozdzielnice można podzielić na naścienne, przyścienne i wolno stojące. Rozdzielnice mogą być wykonane jako stacjonarne i przenośne. W zależności od sposobu wykonania części wsporczych i mocujących oraz osłony części będących pod napięciem rozdzielnice niskiego napięcia dzieli się na tablicowe, skrzynkowe, szafowe stosowane w budynkach mieszkalnych wielokondygnacyjnych i pulpity sterownicze [4]. Ze względu na funkcję rozdzielnicy spełnianą w sieci rozdzielczej można wyróżnić rozdzielnice główne, oddziałowe (stosowane w budownictwie przemysłowym), piętrowe, mieszkaniowe oraz specjalizowane stosowane do zasilania: komputerów, oświetlenia, zasilaczy UPS itp.

Rozdzielnice wnętrzowe możemy podzielić na dwie grupy. Do pierwszej należą rozdzielnice główne, będące podstawową jednostką kontrolno-zabezpieczająco-rozdzielającą w instalacji. Tego typu rozdzielnica posiada urządzenia zabezpieczające wewnętrzne linie zasilające. Najczęściej jest zlokalizowana na najniższej kondygnacji budynku lub w jego podpiwniczeniu, w bliskim otoczeniu wyjścia ewakuacyjnego. Do drugiej grupy zaliczamy rozdzielnice piętrowe, pełniące funkcje pomiarowe, rozdzielcze, zabezpieczeniowe oraz integracyjne. Umieszczane są one w pionach kablowych na poszczególnych piętrach obiektu mieszkalnego i stanowią granicę między obwodem instalacji budynku a obwodem odbiorczym [4].

Rozłączniki niskiego napięcia

Pola z odpływami kablowymi w technice zabudowy stałej rozdzielnicy wyposażane są często w przełączalne bezpiecznikowe listwy rozłącznikowe. Dzięki swojej zwartej konstrukcji i modularnej budowie listwowe rozłączniki bezpiecznikowe dają możliwość łatwej zabudowy. Pola tego rodzaju znajdują zastosowanie w warunkach, gdzie nie występuje konieczność wymiany w czasie pracy rozdzielnicy. Rozłączniki listwowe dzięki zintegrowanemu bezpiecznikowi niskiego napięcia zapewniają niezawodne zabezpieczenie zwarciowe i przeciążeniowe. Ich zwarta konstrukcja i różnorodne opcjonalne sposoby podłączania sprawiają, że są one stosowane do okazjonalnego przełączania ręcznego oraz odłączania linii zasilających odbiorniki i linii rozdzielczych w budynkach użytkowych i przemysłowych [9].

Rozłączniki listwowe przeznaczone są najczęściej do bezpośredniego montażu na szyny zbiorcze w trójfazowym pionowym uporządkowaniu, mogą być jednak również montowane poziomo na pionowym systemie szynowym. Mogą być rozłączane 1-biegunowo lub 3-biegunowo w pełnym zakresie prądowym od 160 do 1250 A. Zapewnia jednocześnie stopień ochrony IP obudowy co najmniej IP2X. Rozłącznik bezpiecznikowy spełnia zatem następujące funkcje: zabezpieczenie, rozdzielanie, uziemianie i zwieranie, łączenie, ochrona przed dotykiem bezpośrednim [9].

Cechy aparatów, jak również wymagania normatywne dotyczące listwowych rozłączników bezpiecznikowych, podobnie jak i pozostałe komponenty systemu bezpiecznikowego poddawane są badaniom typu. Celem tych badań jest potwierdzenie, że wymagania są spełnione oraz zastosowano właściwe metody badań, w efekcie czego ich działanie jest bezpieczne i niezawodne. Dzięki dużej przerwie biegunowej w rozłączniku oraz zastosowaniu elementów gaszących łuk elektryczny możliwe stało się załączanie mocy przy dużej trwałości aparatu w warunkach roboczych. Wkładka topikowa umożliwia uzyskanie wysokiej zdolności załączania oraz dużej wytrzymałości zwarciowej. Ponieważ aparaty te obsługiwane są ręcznie, w przepisach normatywnych określono prędkość, z jaką winny być w czasie badań załączane (0,5 m/s). Ponieważ typowa prędkość załączania przez człowieka wynosi 1–2 m/s, daje to duży margines bezpieczeństwa [9].

Literatura

1. I. Wasiak, Elektroenergetyka w zarysie – Przesył i rozdział energii elektrycznej, Politechnika Łódzka, Łódź 2010.
2. W. Dołęga, Wybrane aspekty modernizacji rozdzielnic SN i nn w podziemnych zakładach górniczych, „elektro.info” 10/2011.
3. K. Kuczyński, Rozdzielnice SN – właściwości użytkowe, „elektro.info” 9/2009.
4. K. Kuczyński, Rozdzielnice nn i ich wyposażenie – wprowadzenie do układów zestykowych, „elektro.info” 1–2/2013.
5. K. Kuczyński, Budowa rozdzielnic SN – wybrane zagadnienia, „elektro.info” 7–8/2011.
6. P. Kacejko, J. Machowski, Zwarcia w systemach elektroenergetycznych, WNT Warszawa 2002.
7. Materiały dydaktyczne Politechnika Gdańska.
8. Ł. Sapuła, K. Broda, J. Dumała, Wpływ układu optycznego na czułość zabezpieczenia łukowego, „Elektronika” 7/2010.
9. K. Kuczyński, Rozłączniki i bezpieczniki nn – zagadnienia wybrane, „elektro.info” 6/2012.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!