Keskijännitteiset ja alhaisen jännitteen kytkinlaitteet mikoverkkojen sähköjakelujärjestelmissä

Mikroverkko yhdistää hajautettuja energiavaroja (DER), kuten aurinkoenergiaa, varastointia ja generaattoreita, kuormiin, ja sen on pystyttävä toimimaan sekä verkkoynnitetyssä että saaritilassa. Mikroverkon kytkinlaitteisto sijaitsee tämän järjestelmän keskipisteessä. Se ei ainoastaan kuljeta virtaa; se päättää, minne teho kulkee, mitä eristetään ja miten mikroverkko pysyy turvallisena muuttuvissa olosuhteissa.

1. Keski- ja alajännitearkkitehtuuri

Tyypillinen mikroverkko järjestää tehonjakelun kahteen jännitetasoon, joista kummallakin on oma kytkinlaitteistonsa ja suojausjärjestelmänsä.

Keski-jännitetaso

Keski-jännitetaso kerää tehoa hajautetuista energiavaraoista ja yhdistää mikroverkon sähköverkkoon. Keski-jännitekytkinlaitteistoon kuuluu tyypillisesti päätuloaukko, erotuskytkin ja syöttöpaneelit jokaiselle tuotantolähteelle. Tämä taso käsittelee korkeampia vikavirtoja ja vaatii vahvaa kaaripalosuojausta.

Alajännitepuoli

Alajännitepuoli jakaa tehoa muuntajien toisella puolella loppukäyttäjäpiireihin ja pienempiin kuormiin. Alajännitesuojalaitteet palvelevat haara-piirejä muovikoteloisilla katkaisimilla ja pienemmillä väyläjärjestelyillä. Keski- ja alajännitepuolen erottaminen pitää vikatasot hallittavina ja mahdollistaa kummankin tason itsenäisen suojauksen.

2. Katkaisimet, erotinlaitteet ja väylät

Kolme keskitettyä laitetta muodostaa minkä tahansa suojalaitteiston perustan, ja kussakin on oma erillinen ja välttämätön tehtävänsä.

Pysäytyjät

Piirikatkaisimet havaitsevat ja katkaisevat vikavirrat automaattisesti. Ne suojaavat alapuolisia laitteita ja estävät vikojen leviämisen järjestelmän läpi. Keskijännitekäytöissä käytetään yleisesti tyhjiö- tai SF6-katkaisimia; alajännitekäytöissä vallitsevat muovikoteloidut mallit.

Erotinlaitteet ja väylät

Irrotukset tarjoavat näkyvän ilmavälin turvalliselle huollolle, mikä varmistaa, että piirit poistetaan käytöstä ennen työn aloittamista. Välityskaapelit yhdistävät kaiken yhteen ja tarjoavat yhteisen sähköisen solmupisteen useille lähteille ja kuormille. Keskitetyn jännitteen kytkinlaitteistossa ilmakytkin tai vetokatkaisija toimii ensisijaisena irrotuksena; alhaisen jännitteen kytkinlaitteistossa muovikoteloitu katkaisija täyttää usein tämän tehtävän.

Jokaisella laitteella on selkeä tehtävä, eikä yhtään niistä voida ohittaa ilman, että koko asennuksen turvallisuus heikkenee.

3. Vian eristäminen ja portaittainen suojaus

Kun vika tapahtuu, suojajärjestelmän on erotettava mahdollisimman pieni vaikutettu alue, samalla kun muu mikroverkko pysyy käynnissä.

Koordinaatio ja valikoituvuus

Vian lähimpänä olevan katkaisimen tulisi laueta ensin. Takaosassa olevat varareleet odottavat lyhyen aikaa ja laueta vain, jos ensisijainen suojaus epäonnistuu. Tätä periaatetta, jota kutsutaan koordinaatioksi tai valikoitavuudeksi, noudattamalla varmistetaan, ettei yksittäinen vika aiheuta laajempaa katkoksa.

Kaksitilamallinen haaste

Mikroverkossa haaste kasvaa, koska saaretilassa syntyvä vikavirta voi olla paljon pienempi kuin verkko-ohjattavassa tilassa. Suojauksen asetukset täytyy toimia luotettavasti molemmissa tiloissa. Nykyaikaiset digitaaliset suojareleet, joissa on sopeutuvia asetuksia, voivat vaihtaa suojaprofiileja käyttötilan mukaan, mikä varmistaa johdonmukaisen valinnaisuuden riippumatta siitä, onko mikroverkko kytketty sähköverkkoon vai toimii itsenäisesti.

4. Verkkokytketty ja saaretila tilanteen vaihtuminen

Paikka, jossa mikroverkko yhdistyy sähköverkkoon, on koko järjestelmän kriittisin solmu.

Yhdistämiskytkentälaitteisto

Yhdistämiskytkentälaitteisto sijaitsee yhteisen kytkentäpisteen kohdalla. Kun sähköverkossa tapahtuu vika, tämän kytkentälaitteiston täytyy eristää mikroverkko nopeasti samalla kun paikallisista kuormista huolehditaan. Suunnitellussa saaretilatilanteessa se avautuu tarkalleen oikeaan aikaan ja lähettää signaalin hajautettujen energialähteiden ohjaimille säätääkseen niiden tuotantoa.

Nopea kytkentä ja viestintä

Nopea toimivat katkaisijat yhdistettynä viestintäpohjaiseen logiikkaan auttavat välttämään tarpeettomia katkoja ja suojaavat molemmat siirtymän puolet. Kun saaristuminen tapahtuu, jakelun sähköntuotantolaitteiden (DER) invertterit täytyy siirtyä virtalähteestä jännitelähteeksi, jotta taajuus ja jännite pysyvät vakaina. Kytkinlaitteisto ja sen liitetyt ohjaimet koordinoivat tämän siirron.

5. Liitännät muuntajiin, inverttereihin ja ohjaukseen

Kytkinlaitteisto ei toimi eristyksessä. Se on tiukasti integroitu laajempaan mikoverkkoympäristöön.

Muuntajien ja invertterien liitännät

Kytkinlaitteisto liittyy korkeajännitemuuntajiin ja alhaisjännitemuuntajiin, jotka yhdistävät keskijännite- ja alhaisjännitetasot, sekä invertterien lähtöpiireihin, jotka muuntavat aurinkopaneelien tai akkujen tasavirran vaihtovirraksi. Kytkinlaitteiston luokituksen ja muuntajien/invertterien kapasiteetin välinen asianmukainen koordinointi on välttämätöntä luotettavan toiminnan varmistamiseksi.

Viestintäprotokollat

Nykyiset automaattiset katkaisijat ja suojarelayt vaihtavat tietoja protokollien, kuten Modbus- tai IEC 61850-protokollien, kautta, mikä mahdollistaa mikroverkon ohjaimen seurata kytkinten tilaa ja antaa komentoja etäältä. Ilman näitä tiedonsiirtoyhteyksiä koordinoitu saaritila ja mustan käynnistyksen palautus ovat mahdottomia.

6. Valintaperusteet

Oikean kytkentälaitteen valinta vaatii huolellista huomiota kolmeen kriittiseen nimellisarvoon.

Nimellisjännite

Nimellisjännitteen on vastattava järjestelmän jännitetasoa. Keskeisissä (MV) sovelluksissa yleisiä nimellisjännitteitä ovat 11 kV, 22 kV tai 33 kV. Alhaisessa jännitteessä (LV) standardi on yleensä 380/220 V. Oikean jänniteluokan valinta varmistaa eristyskunnon ja pitkäaikaisen luotettavuuden.

Oikosulkukestävyys

Oikosulkukestämysarvon on oltava suurempi kuin enimmäisvirran arvo asennuskohdassa. Verkkoliitetyssä tilassa verkkoyhtiön aiheuttamat oikosulkuvirrat voivat olla hyvin korkeita; saaritilassa invertteripohjaiset lähteet aiheuttavat pienempiä virtoja, mutta niilläkin on oltava riittävä kestämyskyky.

Sisätilan suoja

Koteloituksen suojataso riippuu asennusympäristöstä. Sisätiloissa käytettävän kytkentälaitteiston, kuten puhtaiden tilojen, suojataso on yleensä IP30, kun taas ulkokäyttöön tai kovien olosuhteiden vaativiin paikkoihin tarvitaan vähintään IP54 -suojaa. Henkilöturvallisuuden ja laitteiston rakennusmittojen kannalta tulee myös ottaa huomioon sisäisen kaaritilan luokitus ja eristystyyppi.

Mikroverkkosovelluksia varten lisäksi tulee ottaa huomioon ympäröivän ilman lämpötila, kosteus, suolapirskealttius sekä korkealla altitudella vaadittavat tarkennetut tehon alentamiskäyrät. Ympäristötekijät vaikuttavat suoraan sekä materiaalien valintaan että huoltoväleihin.

7. Käyttökohteet

8. Usein kysytyt kysymykset

K1: Mikä on mikroverkkokatkaisinlaitteisto ja miksi se on tärkeä?

Mikroverkkokatkaisinlaitteisto on keskitetty jakelu- ja suojalaitteisto, joka hallinnoi tehon virtausta hajautettujen energialähteiden, kuormien ja sähköverkon välillä. Se varmistaa turvallisen toiminnan sekä verkkoliitetyssä että saaritilassa, tarjoaa vian eristämisen ja mahdollistaa saumattomat siirtymät eri toimintatilojen välillä.

K2: Mikä on ero MV- ja LV-katkaisinlaitteistoissa mikroverkossa?

MV-katkaisinlaitteisto toimii keskijännitteellä (yleensä 11 kV–33 kV) ja käsittelee tehon keruuta hajautetuista energialähteistä sekä liittymistä sähköverkkoon. LV-katkaisinlaitteisto toimii alhaisemmalla jännitteellä (380/220 V) ja jakaa tehoa loppukäyttäjille. Nämä kaksi kerrosta erotetaan muuntajilla ja ne suojataan erillisesti.

K3: Kuinka suojauksen koordinointi toimii mikroverkossa?

Suojauksen koordinointi noudattaa valinnaisuusperiaatetta: vikaa lähinnä oleva katkaisija laukeaa ensin, ja varasuojareleiden avulla varmistetaan turvallisuusvaraus. Mikroverkoissa tarvitaan sopeutuvia suojauksen asetuksia, koska vikavirrat eroavat merkittävästi verkko-ohjattavassa ja saaritilassa.

K4: Mitä viestintäprotokollia käytetään nykyaikaisessa mikroverkkokatkaisimistossa?

Yleisiä protokollia ovat Modbus RTU/TCP, IEC 61850 (GOOSE ja MMS) sekä DNP3.0. Nämä mahdollistavat reaaliaikaisen tilan seurannan, etäkäskyjen antamisen kytkentälaitteille sekä koordinoitujen suojauksen logiikan välillä kytkentälaitteiden ja mikroverkon ohjaimen välillä.

K5: Mitä tekijöitä tulisi ottaa huomioon mikroverkkoprojektin kytkentälaitteiden valinnassa?

Tärkeitä tekijöitä ovat nimellisjännitteen yhteensopivuus järjestelmän jännitetasoon, oikosulkukestävyyden ylittäminen saatavilla olevalla vikavirralla, sopiva IP-luokitus asennusympäristön vaatimusten mukaan, sisäisen kaariluokituksen noudattaminen turvallisuuden varmistamiseksi sekä viestintäkyky mikroverkon ohjaimen kanssa integroitavuuden varmistamiseksi.