Disseny de subestacions elèctriques: Una introducció
Les subestacions elèctriques constitueixen seccions essencials de la xarxa de distribució d'electricitat, funcionant com a nusos per a la transmissió i distribució d'electricitat. Aquestes instal·lacions complexes necessiten una planificació, disseny i implementació rigorosa per assegurar un subministrament d'energia constant i eficient.
En aquest post, examinarem les bases del disseny de subestacions elèctriques, incloent-hi diferents components, preocupacions de disposició i factors ambientals.
Criteris de planificació de subestacions
El nivell màxim de fallada en un nou bus de subestació no pot ser més del 80% de la capacitat de ruptura nominal del disjuntor.
El 20% de marge està destinat a tenir en compte l'augment dels nivells de curcuit tancat a mesura que el sistema es desenvolupa.
La taxa de corrent de trencament i generació, així com les capacitats de temps de neteja de fallades de l'equipament de commutació a diferents nivells de tensió, es poden calcular com:
| Temps de supressió de la falla | Nivell de tensió | Temps d'operació | Corrent de tall | Corrent d'acking |
| 150 ms | 33 kV | 60-80 ms | 25 KA | 62.5 KA |
| 120 ms | 132 kV | 50 ms | 25/31.5 KA | 70 KA |
| 100 ms | 220 kV | 50 ms | 31.5/40 KA | 100 KA |
| 100 ms | 400 kV | 40 ms | 40 KA | 100 KA |
La capacitat d'una única subestació a diversos nivells de tensió no hauria de superar generalment.
| Subestació | Nivell de tensió |
| 765 kV | 2500 MVA |
| 400 kV | 1000 MVA |
| 220 kV | 320 MVA |
| 110 kV | 150 MVA |
La mida i el nombre de transformadors interconnectats (ICTs) han de planificar-se d'una manera que la falla d'una sola unitat no sobrecarregui els ICTs restants o el sistema subjacent.
Un interruptor bloquejat no pot interrompre més de 4 alimentacions per a un sistema de 220 KV, dues per a un sistema de 400 KV i una per a un sistema de 765 KV.
Requisits del sistema de subestació
| S.No | Technical Parameter Description | Units | System | |||||
| 1 | System Nominal Voltage | kVrms | 400 kV | 220 kV | 132 kV | 33 kV | ||
| 2 | System Maximum Voltage | kVrms | 420 kV | 245 kV | 145 kV | 36 kV | ||
| 3 | Power frequency withstand voltage | kVrms | 630 kV | 460 kV | 275 kV | 70 kV | ||
| 520 kV | ||||||||
| 4 | Switching surge withstand voltage | kVp | ||||||
| (for 250/2500ms) | ||||||||
| 1). Line-to-Earth | 1050 kVp | Not | Not | Not | ||||
| 2). Across Isolating Gap | 900kVp+345kVrms | applicable | applicable | applicable | ||||
| 5 | Lightning Impulse Withstand Voltage | kVp for 1.2/50(ms) | ||||||
| 1). Line-to-Earth | 1425 kVp | 1050 kVp | 650 kVp | 170 kVp | ||||
| 2). Across isolating gap | 1425 kVp+ 240kVrms | 1200 kVp | 750 kVp | 195 kVp | ||||
| 6 | One minute power frequency withstand value | |||||||
| Dry | ||||||||
| Wet | kVrms | 520 | 460 | 275 | 70 | |||
| kVrms | 610 | 530 | 315 | 80 | ||||
| 7 | System frequency | Hz | 50 | |||||
| 8 | Variation in frequency | % | 2.5 | |||||
| 9 | Corona extinction voltage | 320 kV | 156 kV | 84 kV | ||||
| 10 | Radio interference voltage | 1000 mV at | 1000 mV | 1000 mV at | ||||
| 266 kV | at 167 kV | 93 kV | ||||||
| 11 | System Neutral rating | Solidly earthed | ||||||
| 12 | Continuous Current Rating | 1600 A (or) 2000 A | 1600 A | 800 A | 600 A | |||
| 13 | Symmetrical fault current (ISC) | kA | 40 | 40 | 31.5 | 25 | ||
| 14 | Short circuit fault current duration | Second | 1 | 1 | 1 | 3 | ||
| 15 | Dynamic short circuit (ISC) current rating | kAp | 100 kA | 100 kA | 79 kA | 62.5kA | ||
| 16 | Conductor spacing for AIS layouts (Phase-to-Ground) | meter | ||||||
| Phase-to-Phase | meter | 6.5 | 4.5 | 3 | 1.5 | |||
| 7 | 4.5 | 3 | 1.5 | |||||
| 17 | Design ambient temperatures | oC | 50 | |||||
| 18 | Pollution level as per IEC-815 & 71 | III | ||||||
| 19 | Creepage -Distance | mm | 10500 mm | 6125 mm | 3625 mm | 900 mm | ||
| 20 | Maximum fault clearing time | ms | <100 | <100ms | <150ms | |||
| 21 | Bay Width | meter | 27 | 16.4-18 | 10.4.12.0 | 5.5 | ||
| 22 | Bus equipment interconnection height from ground | meter | 8 | 5.5 | 5 | 4 | ||
| 23 | Strung busbar height | meter | >15 | 10 | 8 | 5.5 | ||
Nomenclatura
Fiabilitat: La fiabilitat del sistema elèctric és la subministrament ininterromputa d'energia a la tensió i freqüència requerides. Les barres de distribució, els interruptors, els transformadors, els aïlladors i els dispositius de regulació afecten la fiabilitat de la subestació.
Taxa de fallada: És la mitjana anual de fallades.
Temps d'interrupció: El temps d'interrupció es refereix al temps necessari per arreglar un component defectuós o canviar a una font d'energia diferent.
Temps de commutació: El temps des de l'inici de l'interrupció fins a la restauració del servei a través d'una operació de commutació.
Esquema de commutació: La disposició de les barres de distribució i l'equipament pren en compte el cost, la flexibilitat i la fiabilitat del sistema.
Clària fase-terra: La clària fase-terra de la subestació és
La distància entre el conductor i l'estructura.
La distància entre l'equipament en funcionament i les estructures &
La distància entre el conductor en funcionament i la terra.
Clària fase-fase: Les clàries fase-fase de la subestació són
La distància entre els conductors en funcionament.
La distància entre els conductors en funcionament i l'aparell &
La distància entre els terminals en funcionament en els interruptors, aïlladors, etc.
Clària terra: És la clària mínima des de qualsevol lloc on una persona pugui necessitar estar fins a la part més propera de suport d'un aïllador que no té potencial de terra i que suporta el conductor en funcionament.
Clària seccional: És la clària mínima des de qualsevol lloc on una persona pugui estar fins al conductor en funcionament més proper sense protecció. Preneu l'alçada d'una persona amb les mans estirades i la clària fase-terra per calcular la clària seccional.
Marge de seguretat: Això inclou la marge al terra i la marge seccional.
Camp electroestàtic de la subestació: Els conductors o parts metàl·liques en funcionament creen camps electroestàtics. Les subestacions EHV (més de 400 kV) tenen camps electroestàtics que varien depenent de la geometria del conductor en funcionament/la part metàl·lica i l'objecte a terra o el terra proper.
General
Línies d'interconnexió,
Ramals de subtransmissió,
Circuits de generació, i
Transformadors d'elevació i reducció de tensió
es connecten a les subestacions o estacions de commutació.
Les subestacions de 66 a 40 kV es diuen EHV. Per sobre de 500 kV, són UHV.
Les preocupacions i mètodes de disseny per a les subestacions EHV són similars, però alguns elements predominen a diversos nivells de tensió. Fins a 220 kV, els pics de commutació poden ignorar-se, però per sobre de 345 kV, són essencials.
Criteris i estudis de disseny de subestacions
Els requisits de disseny de la subestació es determinaran pels següents estudis.
Estudis de flux de càrrega
Estudis de curtcircuït
Estudis de stabilitat transitoria
Estudis de sobretensions transitories
Estudis de flux de càrrega
Una subestació assegura una transmissió fiable d'energia a les càrregues del sistema.
Les necessitats de portada de corrent de la nova subestació (o) estació de commutació són determinades pels estudis de flux de càrrega mentre totes les línies estan en funcionament i mentre línies seleccionades estan fora per manteniment.
Després d'avaluar diverses condicions de flux de càrrega, es poden calcular les capacitats contínues i d'emergència de l'equipament.
Estudis de curtcircuït
A més de les valoracions de corrent contínua, l'equipament de la subestació ha de tenir valoracions a curt termini.
Aquestes han de ser suficients per permetre que l'equipament suporti el calor i les pressions mecàniques de la corrent de curtcircuït sense danys.
Per proporcionar una capacitat d'interrupció adequada en els interruptors, resistència en els aïlladors post, i una configuració apropiada per als relés protectors que detecten el defecte.
S'han d'establir les corrents de curtcircuït màximes i mínimes per a diversos tipus i ubicacions de curtcircuïts i configuracions del sistema.
Estudis de Estabilitat Transitori
L'entrada mecànica normal del generador és igual a la sortida elèctrica més les pèrdues del generador.
Els generadors del sistema giren a 50 Hz mentre això continua. Qualsevol pertorbació en el flux mecànic o elèctric provoca que la velocitat del generador s'allunyi del 50Hz i oscil·li al voltant d'un nou punt d'equilibri.
Una pertorbació molt comuna és el curtcircuït. Els curtcircuïts propers al generador baixen la tensió terminal i acelere la màquina.
Després de solucionar l'error, el dispositiu alimentarà l'energia excedentaria al sistema elèctric per restaurar el seu estat original.
Quan els enllaços elèctrics són forts, la màquina desaccelera ràpidament i es stabilitza. Enllaços febles provocaran inestabilitat de la màquina.
Els factors que afecten la stabilitat inclouen:
Gravetat del defecte,
Velocitat de supressió del defecte,
Enllaços entre la màquina i el sistema després de la resolució del defecte.
La estabilitat transitoria de la subestació depèn de
Tipus i velocitat de relés de protecció de línia i bus,
Temps d'interrupció dels interruptors, i
Configuració del bus un cop el defecte s'ha suprimit.
El darrer punt afecta la disposició del bus.
Només una línia estarà afectada si el defecte s'ha resolt durant la rellevança primària.
Un interruptor bloquejat pot causar la pèrdua de múltiples línies durant la rellevança de falla dels interruptors, debilitant l'enllaç del sistema.
Estudis de Sobrevoltatge Transitori
El sobrevoltatge transitori pot resultar de llamps o commutació de circuits.
Els estudis amb l'Anàlisi de Xarxes Transitories (TNA) són la manera més precisa de determinar el sobrevoltatge de commutació.
Disposició de la Subestació
La disposició de la subestació es determina per consideracions físiques i elèctriques, incloent-hi les següents:
Seguretat dels Sistemes
Flexibilitat Operativa
Arranjaments de Protecció Fàcils
Limitació dels Nivells de Curtcircuït
Facilitats de Manteniment
Ampliació Fàcil
Factors del Lloc
Economia
Seguretat dels Sistemes
Les subestacions ideals inclouen interruptors separats per cada circuit i permeten la substitució de barres de bus o interruptors durant el manteniment o els defectes.
La seguretat del sistema es pot determinar permetent una dependència del 100% en la integritat de la subestació o permetent un percentatge de temps d'aturada degut a defectes periòdics (o) manteniment.
Encara que un sistema de doble barra de bus amb disseny de doble interruptor és perfecte, és una subestació cara.
Flexibilitat d'operacions
El control de la càrrega en MVA i MVAR sota totes les condicions de connexió del circuit és essencial per a l'eficiència de la càrrega del generador.
Els circuits de càrrega han de ser agrupats per proporcionar un control òptim en condicions normals i d'emergència.
Arranjaments de protecció fàcils
Si un interruptor controla molts circuits o més interruptors estan trencats. Això es pot mitigar amb el sectorització de busos.
Encara que la rellevança de protecció sigui simple, un sistema d'un sol bus és rígid per a la protecció complicada.
Limitació dels nivells de curto-circuit
Una subestació es pot dividir en dues parts, totalment o a través de la connexió de reactances, per reduir els nivells de curto-circuit.
L'ús adequat dels interruptors en els sistemes anellats pot proporcionar una facilitat similar.
Facilitats de manteniment
Es requereix manteniment durant l'operació de la subestació, planificat o d'emergència.
El rendiment de la subestació durant el manteniment depèn de les disposicions de protecció.
Ampliació fàcil
La disposició de la subestació hauria de permetre l'ampliació de baies per a nous alimentadors.
A mesura que el sistema s'aprofeccioni, pot ser necessari passar d'un sistema d'un sol bus a un sistema de dos busos o ampliar una estació en malla a una estació de dos busos.
L'espai i les facilitats d'ampliació estaràn disponibles.
Factors del lloc
La disponibilitat del lloc és essencial per a la planificació de la subestació. La construcció d'una estació amb menys flexibilitat pot ser necessària en llocs limitats.
La subestació amb menys interruptors i un esquema més simple ocupa menys espai.
Economia
Si l'economia ho permet, es pot crear un arreglament de commutació millorat per als requisits tecnològics.
Disposició de la subestació i arreglament de commutació
La disposició de la subestació i l'arreglament de commutació han de ser dissenyats amb cura basant-se en IEEE 141 per assegurar l'eficiència i seguretat del sistema de distribució elèctrica.
Transformadors,
Interruptors, i
Commutadors
s'ha de triar en funció de les necessitats de tensió i càrrega.
Per maximitzar l'espai, facilitar la manteniment i permetre l'ampliació, el disseny s'ha de planificar amb cura. Les barres de bus haurien de connectar l'equipament de manera eficient, i els circuits haurien de millorar el flux d'energia i la fiabilitat.
Per a una detecció ràpida de fallades i aïllament, són necessaris sistemes de protecció i control robustos. Les normes reglamentàries i les preocupacions ambientals determinen el disseny de la subestació per assegurar la seguretat, la confiabilitat i el compliment ambiental.
Diversos aspectes s'han de tenir en compte en dissenyar un esquema EHV i configuracions de commutació:
Hauria de ser fiable, segur i assegurar una excel·lent continuïtat del servei.
Els esquemes típics de barres de bus i la seva protecció es detallen a:
Què és una barra de bus? Tipus, avantatges, desavantatges i
Esquemes de protecció de barres de bus
Les diferents configuracions de barres de bus ofereixen diferents avantatges en termes de redundància, flexibilitat operativa i accessibilitat al manteniment.
Un disseny eficient de la barra de bus assegura un flux d'energia eficient i facilita l'expansió futura.
Estructures de la zona de commutació
Són necessàries estructures per suportar i instal·lar l'equipament elèctric de la barra de bus i finalitzar els cables de línia de transmissió.
Les estructures es poden fer d'acer, fusta, RCC o PSC. En funció del terreny, necessiten fundaments.
Les subestacions utilitzen construccions d'acer fabricades degut als seus avantatges.
El
Espai de fase,
Espai al terra,
Aïllants,
Longitud de la barra, i
Pes de l'equipament
afegeixen el disseny estructural.
Flexió,
Flambatge de l'escuadra,
Cisallament vertical i horitzontal, i
Destrució de la vora
han de prevenir el fracàs de les bigues i travies d'acer.
Les travies de caixa reticular han de ser 1/10 a 1/15 de l'amplada de la llargada. Normalment, la deflexió de la biga no pot superar 1/250 de la llargada de la traviesa.
Els bolts i turossos de l'estructura han de tenir un diàmetre de 16 mm, excepte en seccions amb poca càrrega on poden ser de 12 mm.
La càrrega de disseny per a les columnes i travies ha de comprendre
Tensió del conductor,
Tensió del fil de terra,
Pes dels aïllants i material, i
Càrrega fraccionada (uns 350 kg),
Pes del treballador i eines (200 kg)
Càrregues de vent i impacte
durant l'operació de l'equipament.
L'interval de descàrrega de la línia aèria ha de finalitzar amb les estructures de portàlia de la subestació. Pot arribar fins a +15 graus verticalment i +30 graus horitzontalment.
Les estructures del pati es poden pintar o galvanitzar a immersió calenta.
Les estructures fetes amb acer galvanitzat requereixen un manteniment mínim.
No obstant això, les estructures pintades oferin una millor resistència a la corrosió en algunes àrees extremadament contaminades.
Normalment s'empren espais entre fases com:
| 11 KV | 1,3 m |
| 33 KV | 1,5 m |
| 66 KV | 2,0 a 2,2 m |
| 110 KV | 2,4 a 3 m |
| 220 KV | 4,5 m |
| 400 KV | 7,0 m |
Disseny de la barra de distribució
Per facilitar la connexió entre els molts components que conformen una subestació, les barres de distribució són barras conductores que s'utilitzen per transmetre energia elèctrica a través de la subestació.
Quan les barres de distribució estan dissenyades i dimensionades correctament, es redueixen les pèrdues elèctriques, la distribució d'energia es fa més consistente i s' millora el rendiment de la subestació.
Subestació – Sistemes de control
L'automatització de la subestació optimitza l'operació i l'eficiència combinant sistemes de control, dispositius intel·ligents i xarxes de comunicació.
El monitoratge en temps real, el control remot, l'anàlisi de dades i la manteniment predictiu milloren la fiabilitat i reduïxen el temps d'atur amb l'automatització.
Els sistemes de control avançats com el SCADA milloren l'automatització de la subestació, la recol·lecció de dades i el control remot.
L'automatització de la subestació utilitza sistemes SCADA per al control i monitoratge centralitzat.
Els sistemes SCADA recullen dades de la subestació per millorar el flux d'energia, prendre decisions i resoldre errors ràpidament.
Disseny de la subestació – Protocols de comunicació
L'arquitectura de disseny de la subestació requereix protocols de comunicació fiables com l'IEC 61850, DNP3 o Modbus per a interoperabilitat, integritat de dades i ciberseguretat.
Declaració: Respeteu l'original, articles bons valen la pena compartir, si hi ha una infracció contacteu per eliminar.
