تجهیزات قطع و وصل ولتاژ متوسط و پایین در سیستم‌های توزیع انرژی ریزشبکه

ریزشبکه ترکیبی از منابع انرژی پراکنده (DERها) مانند انرژی خورشیدی، سیستم‌های ذخیره‌سازی و نیروگاه‌های کوچک با بارهای الکتریکی است و باید هم در حالت متصل به شبکه اصلی و هم در حالت جزیره‌ای کار کند. تجهیزات قطع و وصل ریزشبکه در مرکز این سیستم قرار دارد. این تجهیزات تنها جریان را منتقل نمی‌کنند؛ بلکه تصمیم می‌گیرند که انرژی به کجا جریان یابد، کدام بخش‌ها از سیستم جدا شوند و چگونه ریزشبکه در شرایط متغیر ایمن باقی بماند.

۱. معماری ولتاژ متوسط و ولتاژ پایین

معمولاً یک ریزشبکه توزیع انرژی را در دو لایه ولتاژی مجزا سازمان‌دهی می‌کند که هر کدام تجهیزات قطع و وصل و سیستم حفاظتی خود را دارند.

سوی ولتاژ متوسط

سوی ولتاژ متوسط انرژی را از منابع انرژی پراکنده جمع‌آوری می‌کند و به شبکه برق عمومی متصل می‌شود. تجهیزات قطع و وصل ولتاژ متوسط معمولاً شامل یک کلید اصلی ورودی، یک کلید جداسازی و تابلوهای فیدر برای هر منبع تولید است. این لایه با جریان‌های اتصال کوتاه بالاتری سروکار دارد و نیازمند حفاظت قوی در برابر قوس الکتریکی (arc-flash) است.

طرف ولتاژ پایین

سوی پایین‌ولتاژ (LV) توان را از سوی ثانویه ترانسفورماتورها به مدارهای کاربران نهایی و بارهای کوچک‌تر توزیع می‌کند. تجهیزات قطع و وصل پایین‌ولتاژ (LV switchgear) برای مدارهای شاخه‌ای با قطع‌کننده‌های جعبه‌دار (molded-case breakers) و آرایش‌های کوچک‌تر باس (bus arrangements) استفاده می‌شوند. جداسازی بین متوسط‌ولتاژ (MV) و پایین‌ولتاژ (LV) سطوح خطا را قابل مدیریت نگه می‌دارد و امکان حفاظت مستقل هر لایه را فراهم می‌کند.

۲. قطع‌کننده‌ها، قطع‌کننده‌های جداکننده و باس‌بارها

سه دستگاه اصلی، ستون فقرات هر مجموعه تجهیزات قطع و وصل را تشکیل می‌دهند که هر یک نقشی متمایز و ضروری ایفا می‌کنند.

قطع کننده های مدار

قطع‌کننده‌های مدار (circuit breakers) جریان‌های خطا را تشخیص داده و به‌صورت خودکار قطع می‌کنند. این دستگاه‌ها تجهیزات پایین‌دستی را محافظت کرده و از گسترش خطاهای سیستمی جلوگیری می‌کنند. در کاربردهای متوسط‌ولتاژ (MV)، قطع‌کننده‌های خلأ (vacuum) یا گاز SF6 رایج‌اند؛ در پایین‌ولتاژ (LV) نیز طرح‌های جعبه‌دار (molded-case) غالب‌اند.

قطع‌کننده‌های جداکننده و باس‌بارها

قطع‌کننده‌ها فاصله‌ی هوایی قابل‌مشاهده‌ای ایجاد می‌کنند تا نگهداری ایمن امکان‌پذیر شود و اطمینان حاصل شود که قبل از شروع کار، مدارها بدون برق هستند. باسبارها همه‌چیز را به هم متصل می‌کنند و گره‌ی الکتریکی مشترکی برای منابع و بارهای متعدد فراهم می‌سازند. در تجهیزات قطع و وصل ولتاژ متوسط (MV)، یک کلید هوایی یا کلید قطع‌کننده‌ی قابل خارج‌شدن نقش قطع‌کننده‌ی اصلی را ایفا می‌کند؛ در تجهیزات قطع و وصل ولتاژ پایین (LV) نیز معمولاً یک کلید قطع‌کننده‌ی قالب‌گیری‌شده این وظیفه را بر عهده دارد.

هر دستگاه وظیفه‌ای مشخص دارد و حذف هر یک از آن‌ها بدون تضعیف ایمنی کلی نصب‌شده امکان‌پذیر نیست.

۳. جداسازی نقص و محافظت سلسله‌مراتبی

هنگام وقوع نقص، سیستم محافظت باید حداقل منطقه‌ی تحت‌تأثیر را جدا کند، در حالی که بقیه‌ی ریزشبکه همچنان در حال کار بماند.

هماهنگی و انتخاب‌پذیری

کلید قطع‌کننده‌ی نزدیک‌ترین به محل نقص باید اولین کلیدی باشد که عمل قطع را انجام می‌دهد. رله‌های پشتیبان در پشت آن مدت کوتاهی منتظر می‌مانند و تنها در صورت شکست محافظت اولیه، عمل قطع را انجام می‌دهند. این اصل که هماهنگی یا انتخاب‌پذیری نامیده می‌شود، تضمین می‌کند که یک نقص منفرد منجر به قطع گسترده‌تر نشود.

چالش دوگانه‌ی حالت‌ها

در یک ریزشبکه، این چالش به دلیل آنکه جریان خطا در حالت جزیره‌ای ممکن است بسیار کمتر از حالت متصل به شبکه باشد، تشدید می‌شود. تنظیمات حفاظتی باید در هر دو حالت به‌طور قابل اعتمادی عمل کنند. رله‌های دیجیتال مدرن با تنظیمات تطبیقی می‌توانند بین پروفایل‌های حفاظتی مختلف بر اساس حالت کارکرد تغییر کنند و انتخاب‌پذیری ثابتی را فراهم سازند، صرف‌نظر از اینکه ریزشبکه به شبکه عمومی متصل است یا به‌صورت مستقل کار می‌کند.

۴. گذار از حالت متصل به شبکه به حالت جزیره‌ای و بالعکس

نقطه‌ای که ریزشبکه با شبکه عمومی اتصال پیدا می‌کند، حساس‌ترین گره کل سیستم است.

تجهیزات قطع و وصل اتصال

تجهیزات قطع و وصل اتصال در نقطه اتصال مشترک قرار دارد. هنگامی که شبکه عمومی دچار خطا می‌شود، این تجهیزات باید ریزشبکه را به‌سرعت از شبکه جدا کنند، در حالی که بارهای محلی همچنان تغذیه می‌شوند. در رویدادهای برنامه‌ریزی‌شده جزیره‌سازی، این تجهیزات دقیقاً در لحظه مناسب باز می‌شوند و به کنترل‌کننده‌های منابع توزیع‌شده (DER) اعلام می‌کنند تا خروجی خود را تنظیم کنند.

قطع و وصل سریع و ارتباطات

قاطع‌های سریع‌العمل که با منطق مبتنی بر ارتباطات ترکیب شده‌اند، به جلوگیری از قطعی‌های غیرضروری و حفاظت از هر دو سوی انتقال کمک می‌کنند. هنگام رخ دادن پدیدهٔ آیلندینگ، اینورترهای منابع توزیع‌شده (DER) باید از رفتار منبع جریان به رفتار منبع ولتاژ تغییر دهند تا فرکانس و ولتاژ را پایدار نگه دارند. تجهیزات قطع و وصل (سوئیچ‌گیر) و کنترل‌کننده‌های مرتبط با آن این انتقال را هماهنگ می‌کنند.

۵. رابط‌ها با ترانسفورماتورها، اینورترها و سیستم‌های کنترل

تجهیزات قطع و وصل (سوئیچ‌گیر) به‌صورت جداگانه عمل نمی‌کند؛ بلکه به‌طور عمیقی در اکوسیستم ریزشبکهٔ گسترده‌تر ادغام شده است.

اتصالات ترانسفورماتور و اینورتر

تجهیزات قطع و وصل (سوئیچ‌گیر) به ترانسفورماتورهای افزایشی و کاهشی متصل می‌شوند که سطوح متوسط ولتاژ (MV) و پایین ولتاژ (LV) را به هم پیوند می‌زنند، و همچنین به مدارهای خروجی اینورترها متصل می‌شوند که جریان مستقیم (DC) را از پنل‌های خورشیدی یا باتری‌ها به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کنند. هماهنگی دقیق بین مشخصات فنی تجهیزات قطع و وصل (سوئیچ‌گیر) و ظرفیت ترانسفورماتورها و اینورترها برای عملکرد قابل‌اطمینان ضروری است.

پروتکل های ارتباطی

شکست‌دهنده‌های مدرن و رله‌های حفاظتی از طریق پروتکل‌هایی مانند مودباس یا آی‌ئی‌سی ۶۱۸۵۰ داده تبادل می‌کنند که این امر به کنترل‌کننده ریزشبکه امکان می‌دهد وضعیت کلیدها را نظارت کند و دستورات را به‌صورت دوربرد صادر کند. بدون این پیوندهای ارتباطی، جداسازی هماهنگ‌شده و بازیابی سیستم پس از قطعی کامل غیرممکن می‌شود.

۶. اصول انتخاب

انتخاب تجهیزات قطع و وصل مناسب نیازمند توجه دقیق به سه مقدار مشخصه حیاتی است.

ولتاژ نامی

ولتاژ نامی باید با سطح سیستم مطابقت داشته باشد. برای کاربردهای متوسط‌ولتاژ (ام‌وی)، مقادیر رایج شامل ۱۱ کیلوولت، ۲۲ کیلوولت یا ۳۳ کیلوولت است. برای پایین‌ولتاژ (ال‌وی)، استاندارد معمولاً ۳۸۰/۲۲۰ ولت است. انتخاب کلاس ولتاژ صحیح، صحت عایق‌بندی و قابلیت اطمینان بلندمدت را تضمین می‌کند.

مقاومت در برابر اتصال کوتاه

ظرفیت تحمل جریان اتصال کوتاه باید از بیشترین جریان اتصال کوتاه موجود در نقطه نصب فراتر باشد. در حالت متصل به شبکه اصلی، مشارکت شرکت توزیع می‌تواند جریان اتصال کوتاه را بسیار بالا ببرد؛ در حالت جزیره‌ای، منابع مبتنی بر اینورتر مقدار کمتری جریان اتصال کوتاه تأمین می‌کنند، اما همچنان ظرفیت تحمل مناسبی لازم دارند.

محافظت جعبه

محافظت پوسته به محیط نصب بستگی دارد. تجهیزات قطع و وصل فشار متوسط در اتاق‌های تمیز معمولاً نیازمند درجه حفاظت IP30 هستند، در حالی که نصب در فضای باز یا محیط‌های سخت‌گیرانه نیازمند درجه IP54 یا بالاتر است. رده قوس داخلی و نوع عایق‌بندی نیز برای ایمنی پرسنل و فضای اشغال‌شده توسط تجهیزات اهمیت دارند.

ملاحظات اضافی برای کاربردهای ریزشبکه شامل دمای محیط، رطوبت، قرارگیری در معرض افشانه نمک و منحنی‌های کاهش ظرفیت خاصی است که در ارتفاعات بالاتر مورد نیاز است. عوامل محیطی به‌طور مستقیم بر انتخاب مواد و فواصل زمانی نگهداری تأثیر می‌گذارند.

7. سناریوهای کاربرد

۸. سؤالات متداول

سوال ۱: تجهیزات قطع و وصل ریزشبکه چیست و چرا اهمیت دارد؟

تجهیزات قطع و وصل ریزشبکه، تجهیزات متمرکز توزیع و حفاظت هستند که جریان توان را بین منابع انرژی توزیع‌شده، مصارف و شبکه برق شهری مدیریت می‌کنند. این تجهیزات عملکرد ایمن را در هر دو حالت متصل به شبکه و مستقل (جزیره‌ای) تضمین می‌کنند، اتصال کوتاه را محدود می‌سازند و انتقال بدون وقفه بین حالت‌های مختلف کاری را امکان‌پذیر می‌سازند.

سوال ۲: تفاوت تجهیزات قطع و وصل متوسط ولتاژ و پایین ولتاژ در یک ریزشبکه چیست؟

تجهیزات قطع و وصل متوسط ولتاژ در سطوح ولتاژ متوسط (معمولاً ۱۱ تا ۳۳ کیلوولت) کار می‌کنند و توان را از منابع انرژی توزیع‌شده و اتصال به شبکه برق شهری جمع‌آوری می‌کنند. تجهیزات قطع و وصل پایین ولتاژ در ولتاژهای پایین‌تر (۳۸۰/۲۲۰ ولت) کار می‌کنند و توان را به مصارف نهایی توزیع می‌کنند. این دو لایه توسط ترانسفورماتورها از هم جدا شده و به‌صورت مستقل محافظت می‌شوند.

سوال ۳: هماهنگی حفاظت در ریزشبکه چگونه انجام می‌شود؟

هماهنگ‌سازی حفاظت بر اساس اصل انتخاب‌پذیری انجام می‌شود: قطع‌کننده‌ای که نزدیک‌ترین فاصله را نسبت به عیب دارد، ابتدا عمل می‌کند و رله‌های پشتیبان برای تأمین افزونگی عمل می‌کنند. در ریزشبکه‌ها، تنظیمات حفاظت تطبیقی ضروری است، زیرا جریان‌های عیب در حالت‌های متصل به شبکه و جزیره‌ای به‌طور قابل‌توجهی متفاوت هستند.

سوال ۴: پروتکل‌های ارتباطی به‌کاررفته در تجهیزات قطع و وصل مدرن ریزشبکه چیست؟

پروتکل‌های رایج شامل Modbus RTU/TCP، IEC 61850 (GOOSE و MMS) و DNP3.0 هستند. این پروتکل‌ها امکان نظارت بلادرنگ بر وضعیت، صدور دستورات قطع و وصل از راه دور و اجرای منطق حفاظت هماهنگ بین تجهیزات قطع و وصل و کنترل‌کننده ریزشبکه را فراهم می‌کنند.

سوال ۵: در انتخاب تجهیزات قطع و وصل برای یک پروژه ریزشبکه، چه عواملی باید در نظر گرفته شوند؟

عوامل کلیدی شامل تطابق ولتاژ نامی با سطح سیستم، ظرفیت تحمل جریان اتصال کوتاه بیشتر از جریان عیب موجود، رتبه IP مناسب برای محیط نصب، طبقه‌بندی قوس داخلی از نظر ایمنی و قابلیت ارتباطی برای ادغام با کنترل‌کننده ریزشبکه می‌باشند.