Power Xpert FMX to innowacyjna rozdzielnica średniego napięcia firmy Eaton. Jest to jednosystemowe urządzenie o budowie modułowej, w izolacji stało-powietrznej, wyposażone w wyłączniki próżniowe z napędem elektromagnetycznym. Produkt pozwala zwiększyć niezawodność, sprawność i bezpieczeństwo systemów dystrybucji energii.

Rozdzielnica FMX jest przeznaczona do zastosowań wnętrzowych w pomieszczeniach o temperaturze minimalnej -5^oC. Prądy znamionowe ciągłe rozdzielnicy odpowiadają maksymalnej temperaturze otoczenia wynoszącej +40^oC. Praca w temperaturach wyższych jest dopuszczalna pod warunkiem odpowiedniego obniżenia prądów znamionowych. Pomimo wysokich parametrów prądowo-zwarciowych rozdzielnica ma wykonanie przyścienne o klasie odporności na wewnętrzny łuk elektryczny AFL (ochrona z przodu i boków rozdzielnicy). W porównaniu do typowych rozdzielnic przedziałowych dwuczłonowych dostęp do kabli SN od przodu pozwala na znaczną oszczędność miejsca w pomieszczeniu stacji. W zależności od przeznaczenia pola wyłącznikowego istnieje możliwość wyboru określonego prądu znamionowego wyłącznika. Prąd znamionowy ciągły szyn zbiorczych dla całego zakresu napięć wynosi 2000 A. Podstawowe parametry elektryczne rozdzielnicy FMX przedstawiono w tabeli 1. Zastosowane w rozdzielnicy rozwiązania oraz deklarowane parametry zostały sprawdzone i potwierdzone badaniami w laboratorium CESI. Wykaz norm, zgodnie z którymi wykonana została rozdzielnica FMX, przedstawia tabela 2.

Rys. 1. Power Xpert FMX to innowacyjna rozdzielnica średniego napięcia w izolacji stało-powietrznej, wyposażona w wyłączniki próżniowe z napędem elektromagnetycznym

Rys. 2. Widok 3-polowej rozdzielnicy FMX

Budowa

System FMX ma budowę modułową. Umożliwia to zestawienie rozdzielnicy o dowolnej ilości i kombinacji pól. Podłączenie kabli SN odbywa się poprzez głowice kątowe (maksymalnie trzy kable SN na jedną fazę). Dostęp do izolatorów przepustowych jest z przodu rozdzielnicy, po zdjęciu drzwi przedziału kablowego. Przyłącza kablowe są ułożone szeregowo na jednej wysokości, co znacznie ułatwia montaż głowic kablowych. Poniżej zainstalowane są uchwyty kablowe oraz szyna uziemiająca. We wspólnym przedziale kablowo-wyłącznikowym zastosowano pełną izolację stałą. Tuż za przyłączami kablowymi znajduje się prosty odcinek szyn izolowanych, na których zabudowane są przekładniki prądowe w wykonaniu pierścieniowym. Przekładniki mogą być wykonane z rdzeniami pomiarowymi i zabezpieczeniowymi. W polu wyłącznikowym (rys. 3) istnieje także możliwość zabudowy przekładników napięciowych od strony kabli SN. Przekładniki te standardowo wyposażone są w odłącznik z napędem elektrycznym oraz układ do tłumienia ferrorezonansu. W środkowej części pola znajduje się wyłącznik próżniowy z napędem elektromagnetycznym. Wewnątrz obudowy żywicznej wyłącznika umiejscowione są zintegrowane punkty do wykonywania próby napięciowej kabli SN. Konstrukcja pola zawiera także przedział szyn zbiorczych z odłączniko-uziemnikiem oraz przedział obwodów pomocniczych. W celu odpowiedniego ukształtowania pola elektrycznego szyny zbiorcze mają krawędzie owalne. Wykonane są z wysokiej jakości aluminium pokrytego galwanicznie warstwą srebra. W górnej, tylnej części pola zabudowany jest absorber łuku elektrycznego zakończony klapą wydmuchową. Lokalne sterowanie elektryczne wyłącznikiem i odłączniko-uziemnikiem odbywa się poprzez przyciski sterownicze znajdujące się na drzwiczkach przedziału obwodów wtórnych. Standardowo jest tam zabudowany także przekaźnik zabezpieczający (montaż zatablicowy) oraz wskaźnik obecności napięcia. Po zdjęciu osłony ze środkowej części pola uzyskuje się dostęp do panelu sterowania ręcznego. Z jego poziomu można także odłączyć przekładniki napięciowe, wykonać próbę napięciową kabli SN czy też założyć blokady kłódkowe. Opcjonalnie nad polem może zostać zainstalowana dodatkowa szafka nadstawka z przekładnikami napięciowymi umożliwiającymi pomiar napięcia od strony szyn zbiorczych wraz z odłącznikiem ręcznym.

Rys. 3. Pole wyłącznikowe rozdzielnicy FMX – przekrój i widok z przodu

Poza polami wyłącznikowymi do dyspozycji są także pole sprzęgłowe z dwoma odłączniko-uziemnikami oraz pole pomiarowe wyposażone w odłącznik i przekładniki napięciowe. Zastosowanie technologii próżniowej i odpowiedniego wysterowania pola elektrycznego w kombinowanej izolacji stało-powietrznej pozwoliło uzyskać bardzo małe gabaryty rozdzielnicy. Podziałka pól wyłącznikowych dla prądów znamionowych do 1250 A włącznie wynosi tylko 500 mm (dla 1600 A i 2000 A jest to 1000 mm), głębokość 1440 mm a wysokość 2100 mm (2250 mm z absorberem łuku elektrycznego nad przedziałem szyn zbiorczych i 2600 mm z szafką nadstawką zawierającą przekładniki napięciowe).

Wyłącznik próżniowy z napędem elektromagnetycznym

Wyłącznik wyposażony jest w komory próżniowe pracujące na zasadzie dyfuzji (rozproszenia) łuku elektrycznego. W oparciu o kilkudziesięcioletnie doświadczenie firmy Holec opracowano komory próżniowe o bardzo dużej wytrzymałości elektrycznej (30 tys. operacji łączeniowych, w tym 100 na zwarcie). Ideą, jaka przyświecała wprowadzeniu napędu elektromagnetycznego, było zwiększenie niezawodności oraz chęć osiągnięcia tak wysokiej wytrzymałości łączeniowej również z punktu widzenia mechanicznego. Sercem mechanizmu napędowego jest aktuator magnetyczny, wewnątrz którego pod wpływem sił elektrodynamicznych porusza się trzpień połączony ze stykami ruchomymi komory próżniowej. Aktuator zbudowany jest z jarzma wykonanego ze stali lekkiej, wewnątrz którego umieszczony jest magnes stały oraz cewki: otwierająca i zamykająca. W celu załączenia wyłącznika podane zostaje napięcie na cewkę zamykającą. Przepływ prądu powoduje powstanie strumienia magnetycznego w jarzmie, który przyciąga popychacz (trzpień) w dół. Siła działająca na popychacz jest wprost proporcjonalna do prądu płynącego przez cewkę. Jeżeli siła działająca na popychacz będzie większa niż siła reakcji sprężyny otwierającej, wówczas rozpocznie się proces zamykania. W pozycji zamkniętej trzpień jest utrzymywany w swoim położeniu za pomocą magnesu stałego. Otwieranie jest działaniem pasywnym i polega na zwolnieniu energii zmagazynowanej w naciągniętej sprężynie styków. Uwolnienie tej energii może nastąpić poprzez podanie napięcia na cewkę wyzwalającą lub poprzez przesunięcie mechanicznej dźwigni.

Rys. 4. Mechanizm roboczy wyłącznika próżniowego z napędem elektromagnetycznym

Podczas wyzwalania (otwierania) elektrycznego strumień magnetyczny magnesu stałego zostaje częściowo skompensowany. Gdy tylko siła trzymająca pochodząca od magnesu stałego stanie się mniejsza niż siła sprężyny styków, popychacz przesunie się do pozycji górnej, otwierając styki w łączniku próżniowym. Z uwagi na siłę sprężyny, wymagana energia do wyzwalania jest bardzo mała w porównaniu z załączaniem. Rozwiązanie to umożliwia otwarcie wyłącznika także w sposób ręczny, np. w przypadku zaniku zasilania obwodów pomocniczych. Cewki otwierająca i zamykająca zasilane są impulsami z kondensatorów o bardzo długiej żywotności.
Wykorzystanie elektromagnesu jako przetwornika energii elektrycznej na mechaniczną w znacznym stopniu zredukowało ilość elementów ruchomych. Osiągnięto dzięki temu także większą sztywność układu, co jest bardzo ważne z punktu widzenia docisku styków oraz efektywności podczas ich rozłączania. Napęd elektromagnetyczny powoduje także lepsze dopasowanie charakterystyki posuwu styków ruchomych do wymaganej przez wyłącznik próżniowy. W efekcie uzyskano bezkonserwacyjny wyłącznik o całkowitej wytrzymałości łączeniowej wynoszącej 30 tys. operacji łączeniowych.
Wyłączniki zastosowane w rozdzielnicy FMX wykonane są w wersji stacjonarnej z możliwością wymiany. Wykonanie stacjonarne gwarantuje niezawodność działania i ciągłość toru prądowego natomiast możliwość wymiany w czasie nie dłuższym niż 30 minut stanowi alternatywę dla typowych rozdzielnic dwuczłonowych.

Rys. 5. Wyłącznik próżniowy w wersji plug-in

Kontrola wewnętrznego łuku elektrycznego

W rozdzielnicach FMX w innowacyjny
sposób rozwiązano również kwestię odporności na wewnętrzny łuk elektryczny. W przedziale kablowo-wyłącznikowym zastosowano pełną izolację stałą pomiędzy fazami wraz z odpowiednim wysterowaniem pola elektrycznego, co w znacznym stopniu redukuje ryzyko wystąpienia zwarcia wewnętrznego. Duże gabaryty tego przedziału znacznie ograniczają także wzrost ciśnienia powstałego podczas palenia się łuku elektrycznego. Dodatkowo w tylnej górnej części każdego pola znajdują się specjalne absorbery w postaci bloków ceramicznych o powierzchni około 9 m². Pochłaniają one energię cieplną łuku elektrycznego oraz filtrują powstałe w jego efekcie gazy. Nadmiar gazów jest wypuszczany poprzez klapy wydmuchowe w kierunku przeciwległym do operatora. Klasa łukoochronności AFL 25 kA – 1 s zachowana jest również w chwili wyciągnięcia wyłącznika. Przedział szyn zbiorczych jest przedziałem wspólnym dla całej rozdzielnicy. W jego przestrzeni pomiędzy sąsiednimi polami nie ma przegród metalowych. Pozwoliło to na znaczne powiększenie objętości a tym samym obniżenie ciśnienia w przypadku wystąpienia łuku elektrycznego. Przedział ten ma również wysoki stopień ochrony IP4X, co ogranicza ryzyko przedostania się do wewnątrz różnego rodzaju szkodników czy gryzoni. W każdej sekcji nad przedziałem szyn zbiorczych umieszczone są osobne absorbery wraz z klapą wydmuchową. Dzięki zastosowanym rozwiązaniom dla całej rozdzielnicy uzyskano bardzo wysoki parametr łukoochronności (IAC AFL 25 kA – 1 s) oraz zrezygnowano z kłopotliwych kanałów wydmuchowych.

Rys. 6. Absorber łuku elektrycznego wraz z klapą wydmuchową

Próba napięciowa kabli SN

Dużym ułatwieniem podczas eksploatacji rozdzielnicy FMX jest sposób przeprowadzania próby napięciowej kabli SN. W tym celu rozdzielnica wyposażona jest w specjalne gniazda testowe umieszczone na elewacji panelu sterowania ręcznego. Po wcześniejszym przygotowaniu pola (odpowiednie położenie łączników, odłączenie przekładników napięciowych znajdujących się po stronie kabli SN) wewnątrz gniazd testowych umieszcza się specjalne sondy (będące w standardowym wyposażeniu rozdzielnicy – rys. 7), do których przykręca się układ probierczy. Wszystkie czynności związane z przeprowadzeniem próby napięciowej kabli SN wykonuje się z poziomu panelu sterowniczego, bez otwierania drzwi do przedziału kablowego.

Rys. 7. Sonda probiercza do przeprowadzania próby napięciowej kabli SN

Podsumowanie

Rozdzielnica FMX wyraźnie zwiększa bezpieczeństwo obsługi a także pozwala korzystać użytkownikom z nowych funkcjonalności. Jest rozwiązaniem przeznaczonym dla stacji, w których wymagana jest duża niezawodność i pewność zasilania. Szeroki zakres dostępnych parametrów sprawia, że może być stosowana zarówno w energetyce zawodowej jak i w przemyśle.

Mariusz Hudyga
Autor jest pracownikiem
firmy Eaton Electric