Elektrisk understationsdesign: En introduktion

Elektriske understationer udgør afgørende dele af strømforsyningsnetværket og fungerer som knudepunkter for overførsel og distribution af elektricitet. Disse komplekse faciliteter kræver omhyggelig planlægning, design og implementering for at sikre en konstant og effektiv strømforsyning.

I denne indlæg vil vi se på grundlaget for design af elektriske understationer, herunder forskellige komponenter, layout-overvejelser og miljømæssige faktorer.

Kriterier for planlægning af understation

Det maksimale fejlstrøfniveau på en ny understationsbus kan ikke overstige 80% af kredsløbsbryderens beregnede brudkapacitet. 

Den 20% buffer er beregnet til at tage højde for stigningen i kortslutningsniveauerne med systemets udvikling. 

Hastigheden for strømbrud og strømopbygning samt fejlrydningstiden for skiftgear ved de forskellige spændingsniveauer kan beregnes som:

Kapaciteten for en enkelt understation på forskellige spændingsniveauer bør generelt ikke overstige.

Størrelsen og antallet af forbindende transformatorer (ICTs) skal planlægges på sådan en måde, at fejl i én enhed ikke overbelaster de resterende ICTs eller det underliggende system.

En fastslået bryder kan ikke afbryde mere end 4 forsyninger for et 220 kV-system, to for et 400 kV-system og en for et 765 kV-system.

Krav til underværnsystem

Terminologi

Tilbageholdenhed: Tilbageholdenheden af strømsystemet er den uafbrudte forsyning med strøm på det påkrævede spænding og frekvens. Busbarer, kredsløbsbrydere, transformatorer, isolatorer og reguleringssystemer påvirker understations tilbageholdenhed.

Fejlrate: Det er årligt gennemsnit af fejl.

Afbrudstid: Afbrudstid henviser til den tid, der kræves til at reparere en defekt komponent eller skifte til en anden forsyningskilde.

Skiftetid: Tiden fra begyndelsen af afbruddet til servicegenoprettelse via skiftoperation.

Skiftschema: Placeringen af busbarer & udstyr tager højde for omkostninger, fleksibilitet og systemtilbageholdenhed.

Fase til jord afstand: Understations fase til jord afstand er 

• Afstand mellem ledning & konstruktion. 

• Afstand mellem live udstyr og konstruktioner &

• Afstand mellem live ledning og jord.

Fase til fase afstand: Understations fase til fase afstand er 

• Afstand mellem live ledninger. 

• Afstand mellem live ledninger & apparater og 

• Afstand mellem live terminaler i kredsløbsbrydere, isolatorer osv.

Jordafrstand: Det er den mindste afstand fra enhver placering, hvor en person kan skulle stå, til den nærmeste ikke-jordpotentialdel af en isolator, der understøtter liveledningen.

Sektionsafstand: Det er den mindste afstand fra enhver stående placering til den nærmeste uskærmede liveledning. Brug højden af en mand med strakte hænder og fasen til jord afstanden til at beregne sektionsafstanden.

Sikkerhedsklarering: Dette inkluderer jord- og sektionsklarering.

Understations elektrostatiske felt: Energitilført ledere eller metaldele skaber elektrostatiske felter. EHV-understations (over 400 KV) har elektrostatiske felter, der varierer afhængigt af geometrien på den energitilførte leder/metaldele og det nabo-jordede objekt eller jorden.

Generelt

• Transmissionsledninger, 

• Undertransmissionsledninger, 

• Generator-cirkuits, og 

• Opmålings- og nedmålings-transformatorer 

forbinder til understations eller switching stations. 

Understations fra 66 til 40 KV kaldes EHV. Over 500KV kaldes de UHV.

Designproblemer og metoder for EHV-understations er lignende, dog dominerer visse elementer ved forskellige spændingsniveauer. Op til 220 KV kan switching surges ignoreres, men over 345 KV er de afgørende.

Kriterier og undersøgelser for understationsdesign

Kravene til understationsdesign fastlægges af følgende undersøgelser.

• Lastfladeundersøgelser

• Kortslutningsundersøgelser

• Transient stabilitetsundersøgelser

• Transient overspændingsundersøgelser

Lastfladeundersøgelser

• En understation sikrer en pålidelig strømafstilling til systemlasten. 

• Strømnedsendelsesbehovet for den nye understation (eller) switching station fastlægges gennem lastfladeundersøgelser, mens alle linjer er i drift og mens valgte linjer er ude af drift ved vedligeholdelse. 

• Efter vurdering af flere lastfladebetingelser kan udstyr fortsætter & nødtilfælde beregnes.

Kortslutningsundersøgelser

• Ud over kontinuerlige strømforbrug, har anlægget i understationen brug for kortvarige strømforbrug.

• Disse skal være tilstrækkelige til at give anlægget mulighed for at modstå kortslutningsstrømmers varme og mekaniske pres uden skade.

• For at give afbrydere tilstrækkelig afbrydelseskapacitet, styrke i postisolatorer og passende indstilling for beskyttelsesrelæer, der registrerer fejlen.

• De maksimale & minimale kortslutningsstrømme for forskellige typer og placeringer af kortslutninger og systemkonfigurationer skal fastsættes.

Overgangsstabilitetsstudier

• Normal generator mekanisk input er lig med elektrisk output plus generator tab.

• Systemgeneratorer roterer ved 50 Hz, så længe dette fortsætter. Enhver forstyrrelse i den mekaniske eller elektriske strøm får generatorhastigheden til at afvige fra 50Hz og oscillerer omkring et nyt ligevægtspunkt.

• En meget almindelig forstyrrelse er kortslutning. Kortslutninger nær generatorn sænker terminalspændingen og øger maskinens hastighed.

• Efter rettelserne vil enheden føde overskud energi til strømsystemet for at genskabe sin oprindelige tilstand.

• Når elektriske forbindelser er stærke, deaccelererer maskinen hurtigt og stabiliserer. Svage forbindelser vil forårsage maskinstabilitet.

• Faktorer, der påvirker stabiliteten, inkluderer:

• Fejlalvorlighed,

• Hastighed af fejlafhjælpning,

• Forbindelser mellem maskine og system efter fejlafhjælpning.

• Understations overgangsstabilitet afhænger af

• Linje- og busbeskyttelsesrelætype og hastighed,

• Afbryderafbrydelsestid, og

• Buskonfiguration, når fejlen er hjalet op.

• Den sidste point påvirker busarrangementet.

• Kun én linje vil blive påvirket, hvis en fejl løses under primær relæering.

• En blokeret afbryder kan forårsage, at flere linjer går tabt under afbryderfejlrelæering, hvilket svækker systemets forbindelse.

Overgangsoverspændingsstudier

• Overgangsoverspændinger kan skyldes lynnedslag eller kredsløbsveksling.

• Overgangsnetværksanalyse (TNA) studier er den mest præcise måde at bestemme vekslingsoverspænding på.

Understationsanordning

Understationsanordningen bestemmes af fysiske og elektriske overvejelser, herunder følgende:

• Sikkerhedssystemer

• Operativ fleksibilitet

• Let beskyttelsesarrangement

• Begrænsning af kortslutningsniveauer

• Vedligeholdelsesfaciliteter

• Let udvidelse

• Stedlige faktorer

• Økonomi

Sikkerhedssystemer

• Ideelle understationer inkluderer separate afbrydere til hver kredsløb og tillader udskiftning af busbarer eller afbrydere under vedligeholdelse eller fejl.

• Systemets sikkerhed kan fastsættes ved at tillade 100% afhængighed af understations integritet eller ved at tillade en procentdel af nedetid pga. periodiske fejl (eller) vedligeholdelse.

• Selvom et dobbelt busbar-system med dobbelt afbryderdesign er perfekt, er det et dyrt understation.

Operativ fleksibilitet 

• Kontrol af MVA- og MVAR-belastning under alle kredsløbsforbindelsesforhold er afgørende for generatorbelastnings effektivitet. 

• Belastningskredsløb skal grupperes for at give optimal kontrol i normale og nødsituationer. 

Let beskyttelsesordning

• Hvis en kredsløbsbryder kontrollerer mange kredsløb eller flere kredsløbsbrydere er ødelagt. Dette kan mildnes ved bussektionering. 

• Selvom beskyttende relævirksomhed er simpel, er et enkelt bus-system stivt for kompliceret beskyttelse. 

Begrænsning af kortslutningsniveauer

• En understation kan opdeles i to dele, enten helt eller gennem reaktorforbindelse, for at reducere kortslutningsniveauer. 

• Rigtig anvendelse af kredsløbsbrydere i ringnet kan give en lignende facilitet.

Vedligeholdelsesfaciliteter

• Vedligeholdelse er nødvendig under drift af understation, enten planlagt (eller) nødsituation. 

• Understations præstation under vedligeholdelse afhænger af beskyttelsesbestemmelserne.

Let udvidelse

• Understationslayout skal tillade bådudvidelse for nye føder. 

• Når systemet forbedres, kan det være nødvendigt at skifte fra en enkelt bus-opstilling til en dobbelt bus-system eller udvide en maskestation til en dobbelt bus-station. 

• Plads og udvidelsesfaciliteter vil være tilgængelige.

Stedlige faktorer

• Stedtilgængelighed er afgørende for understationsplanlægning. Konstruktion af en station med mindre fleksibilitet kan være nødvendig på begrænsede steder. 

• Understation med færre brydere og en enklere skematik optager mindre plads.

Økonomi

• Hvis økonomien er levedygtig, kan en forbedret skiftordning for tekniske krav oprettes.

Understations- og skiftordningslayout

Understationslayout og skiftordning skal grundigt designes baseret på IEEE 141 for at sikre effektivitet og sikkerhed i elektriske distributionsystemer. 

• Transformatorer, 

• Kredsløbsbrydere, og 

• Kontakter 

skal vælges baseret på spændings- og belastningskrav.

For at maksimere plads, lette vedligeholdelse og tillade udvidelse, skal layoutet nøje planlægges. Busbarer skal effektivt forbinde udstyr, og kredsløb skal forbedre strømforbrug & pålidelighed.

For hurtig fejlregistrering og isolering er robuste beskyttelses- & kontrolsystemer nødvendige. Regulatoriske standarder & miljøhensyn bestemmer underværksdesign for at sikre sikkerhed, pålidelighed og overholdelse af miljøregler.

Der skal tages højde for flere aspekter under design af et EHV-layout og skiftkonfigurationer:

• Det skal være pålideligt, sikkert og sikre fremragende servicekontinuitet.

Typiske underværksbusbar-skemaer og -beskyttelser er forklaret i detaljer i:

1. Hvad er en elektrisk busbar? Typer, fordele, ulemper &

2. Busbarbeskyttelsesskemaer

Forskellige busbar-konfigurationer giver forskellige fordele i form af redundans, driftsfleksibilitet og vedligeholdelsesadgang.

En effektiv busbarlayout sikrer effektiv strømføring & letter fremtidig udvidelse.

Switchyard Structures

Strukturer er nødvendige til at støtte & installere busstrømudstyr og afslutte transmissionsledningskabler.

Strukturer kan være lavet af stål, træ, RCC eller PSC. Baseret på sidejord har de brug for fundament.

Underværker anvender fabrikerede stålkonstruktioner pga. deres fordele.

De

• Faseafstand, 

• Jordafstand, 

• Isolatorer, 

• Buslængde, og 

• Udstyrsvægt 

påvirker konstruktionens design.

• Bøjning, 

• Flangebukling, 

• Lodret og vandret klipning, og 

• Krydslamellering 

må forhindre stålbjælkes og stålbalkes sammenbrud. 

Gitterkassebalkes bør være 1/10 til 1/15 af spændvidden. Normalt kan bjælkeflakken ikke overstige 1/250 af spændvidden. 

Konstruktionsskruer og muttere skal have en diameter på 16 mm, undtagen i let belasted dele, hvor de kan være 12 mm.

Designbelastningen for søjler og balkes bør omfatte 

• Ledningsspænding, 

• Jordtrådspænding, 

• Isolator- og monteringsvægt, og 

• Brødforskydning (omkring 350 kg), 

• Arbejder- og værktøjsvægt (200 kg) 

• Vind- og påslaglaste 

under udstyrs drift.

Spændvidden for højestående ledninger skal afsluttes ved understationsportkonstruktioner. Den kan gå op til +15 grader vertikalt og +30 grader horisontalt.

Pladsstrukturer kan male eller varmelegalvaniseres. 

Strukturer lavet med galvaniseret stål kræver minimal vedligeholdelse. 

Dog giver malede strukturer bedre korrosionsbestandighed i nogle ekstremt forurenede områder.

Normalt anvendte faseafstande som:

Busbar Design

For at lette forbindelsen mellem de mange komponenter, der udgør en understation, er busbars lederstaver, der anvendes til at overføre elektrisk strøm gennem understationen.

Når busbars er designet og dimensioneret korrekt, reduceres elektriske tab, bliver strømforsyningen mere konsekvent, og understationens ydeevne forbedres.

Understation – Kontrolsystemer

Understationsautomatisering optimerer drift og effektivitet ved at kombinere kontrolsystemer, intelligente enheder og kommunikationsnetværk.

Real-tids-overvågning, fjernkontrol, dataanalyse og prædiktiv vedligeholdelse forbedrer pålideligheden og reducerer nedetid med automatisering.

Avancerede kontrolsystemer som SCADA forbedrer understationsautomatisering, dataindsamling og fjernkontrol.

Understationsautomatisering benytter SCADA-systemer til centraliseret kontrol og overvågning.

SCADA-systemer indsamler understationsdata for at forbedre strømforsyningen, træffe beslutninger og hurtigt løse fejl.

Understationsdesign – Kommunikationsprotokoller

Understationsudstyr og kontrolcentre har brug for effektive kommunikationsnetværk for at dele data og kontrollere.

Arkitekturen for understationsdesign kræver pålidelige kommunikationsprotokoller som IEC 61850, DNP3 eller Modbus for interoperabilitet, dataintegritet og cybersikkerhed.

Erklæring: Respektér originaliteten, godt indhold fortjener at deles. Hvis der er krænkelse af rettigheder kontakt os for sletning.