Η Σχεδίαση Ηλεκτρικών Υποσταθμίων: Μια Εισαγωγή

Οι ηλεκτρικές υποσταθμοί αποτελούν βασικά τμήματα του δικτύου κατανομής ενέργειας, λειτουργώντας ως κόμβοι για τη μεταφορά & κατανομή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές οι πολύπλοκες εγκαταστάσεις απαιτούν αυστηρό σχεδιασμό, σχεδιασμό και εφαρμογή για να εξασφαλίσουν σταθερή και αποτελεσματική παροχή ενέργειας.

Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε τις βάσεις του σχεδιασμού ηλεκτρικών υποσταθμων, συμπεριλαμβανομένων διαφορετικών συσταδιών, προβλημάτων διάταξης και περιβαλλοντικών παραγόντων.

Κριτήρια Σχεδιασμού Υποσταθμίου

Η μέγιστη επίπεδο λάθους σε έναν νέο λεωφορείο υποσταθμίου δεν μπορεί να υπερβεί το 80% της ρυθμιζόμενης ικανότητας διάσπασης του σταδιακού διακόπτη. 

Ο 20% προστατευτικός χώρος προορίζεται να λαμβάνει υπόψη την αύξηση των επιπέδων σύντομης σύνδεσης καθώς αναπτύσσεται το σύστημα. 

Το ποσοστό διάκοπτη ρεύματος και παραγωγής ρεύματος, καθώς και οι δυνατότητες εκκαθάρισης λάθους σε διαφορετικά επίπεδα τάσης, μπορούν να υπολογιστούν ως:

Η ικανότητα οποιασδήποτε μονάδας υποσταθμίων σε διάφορα επίπεδα τάσης δεν πρέπει γενικά να υπερβαίνει.

Το μέγεθος και το πλήθος των διασυνδετικών μετατροπέων (ICTs) πρέπει να προγραμματιστεί έτσι ώστε η αποτυχία οποιουδήποτε ενός μονάδας να μην προκαλέσει υπερφόρτωση των υπόλοιπων ICTs ή του υποκείμενου συστήματος.

Ένας κατάληκτος διαχωριστής δεν μπορεί να διακόψει περισσότερες από 4 γραμμές για ένα σύστημα 220 KV, δύο για ένα σύστημα 400 KV και μία για ένα σύστημα 765 KV.

Απαιτήσεις Συστήματος Υποσταθμίων

Ονομασία

Αξιοπιστία: Η αξιοπιστία του συστήματος ενέργειας είναι η αναδιαρθρωτική παροχή ενέργειας με την απαιτούμενη τάση και συχνότητα. Τα μπάρες, τα διαλυτικά, τα μετατροπείς, τα απομονωτικά και τα ρυθμιζόμενα συστήματα επηρεάζουν την αξιοπιστία της υποσταθμίδας.

Ρυθμός Αποτυχίας: Είναι ο ετήσιος μέσος όρος αποτυχιών.

Χρόνος Έκπτωσης: Ο χρόνος έκπτωσης αναφέρεται στον χρόνο που απαιτείται για την επισκευή ενός αποτυχημένου συστατικού ή την μεταβολή σε διαφορετική πηγή προμήθειας.

Χρόνος Εναλλαγής: Χρόνος από την αρχή της έκπτωσης μέχρι την επαναφορά της λειτουργίας μέσω εναλλακτικής λειτουργίας.

Σχέδιο Εναλλαγής: Η τοποθέτηση των μπάρες και των εξοπλισμών λαμβάνει υπόψη το κόστος, την ευελιξία και την αξιοπιστία του συστήματος.

Διάστημα Φάσης-Γης: Το διάστημα φάσης-γης της υποσταθμίδας είναι 

• Απόσταση μεταξύ ηλεκτροδοχού και δομής. 

• Απόσταση μεταξύ ζωντανού εξοπλισμού και δομών &

• Απόσταση μεταξύ ζωντανού ηλεκτροδοχού και γης.

Διάστημα Φάσης-Φάσης: Τα διάστηματα φάσης-φάσης της υποσταθμίδας είναι 

• Απόσταση μεταξύ ζωντανών ηλεκτροδοχών. 

• Απόσταση μεταξύ ζωντανών ηλεκτροδοχών & εξοπλισμών και 

• Απόσταση μεταξύ ζωντανών τερματικών σε διαλυτικά, απομονωτικά κλπ.

Διάστημα Γης: Είναι το ελάχιστο διάστημα από κάθε θέση όπου ένας άνθρωπος μπορεί να σταθεί μέχρι το πλησιέστερο μη γηικό δυναμικό μέρος ενός απομονωτή που υποστηρίζει το ζωντανό ηλεκτροδόχο.

Τμηματικό Διάστημα: Είναι το ελάχιστο διάστημα από κάθε θέση στάσης μέχρι το πλησιέστερο άνευ προστασίας ζωντανό ηλεκτροδόχο. Χρησιμοποιήστε το ύψος ενός άνθρωπου με εκτεταμένα χέρια και το διάστημα φάσης-γης για να υπολογίσετε το τμηματικό διάστημα.

Ασφάλεια Καθαρίσματος: Αυτό περιλαμβάνει το καθαρίσμα στο έδαφος και το τμηματικό καθαρίσμα.

Ηλεκτροστατικό Πεδίο Υποσταθμίου: Οι ενεργοποιημένες διαγωνίες ή μεταλλικές μέρη δημιουργούν ηλεκτροστατικά πεδία. Τα υποσταθμία EHV (πάνω από 400 KV) έχουν ηλεκτροστατικά πεδία που μεταβάλλονται εξαρτώμενα από τη γεωμετρία της ενεργοποιημένης διαγωνίας/μεταλλικής μερίδας και το πλησιέστερο εδαφικό αντικείμενο ή έδαφος.

Γενικά

• Γραμμές μεταφοράς, 

• Υποεπιμεταφορικές διανομές, 

• Δίκυκλα παραγωγής, και 

• Μετατροπείς επίπεδων τάσης αύξησης και μείωσης 

συνδέονται με υποσταθμία ή σταθμούς εναλλαγής. 

Τα υποσταθμία από 66 έως 40 KV ονομάζονται EHV. Πάνω από 500KV, ονομάζονται UHV.

Οι προσοχές και μεθόδοι σχεδιασμού για υποσταθμία EHV είναι παρόμοιες, ωστόσο κάποια στοιχεία επικρατούν σε διάφορα επίπεδα τάσης. Μέχρι 220 KV, οι παρασκηνιακές επιδράσεις μπορούν να αγνοηθούν, αλλά πάνω από 345 KV, είναι απαραίτητες.

Κριτήρια Σχεδιασμού Υποσταθμίου & Μελέτες

Οι απαιτήσεις σχεδιασμού του υποσταθμίου θα καθοριστούν από τις ακόλουθες μελέτες.

• Μελέτες Ροής Φορτίου

• Μελέτες Σύντομης Σύνδεσης

• Μελέτες Μεταβατικής Σταθερότητας

• Μελέτες Μεταβατικών Υπερτάσεων

Μελέτες Ροής Φορτίου

• Ένα υποσταθμίο εξασφαλίζει αξιόπιστη μεταφορά ενέργειας στα φορτία του συστήματος. 

• Οι ανάγκες μεταφοράς ρεύματος του νέου υποσταθμίου (ή) σταθμού εναλλαγής καθορίζονται από μελέτες ροής φορτίου ενώ όλες οι γραμμές είναι σε λειτουργία και ενώ επιλεγμένες γραμμές είναι έξω για συντήρηση. 

• Μετά την αξιολόγηση διαφόρων συνθηκών ροής φορτίου, μπορούν να υπολογιστούν οι συνεχείς και οι επείγουσες βαθμολογίες εξοπλισμού.

Μελέτες Σύντομης Σύνδεσης

• Εκτός από τις συνεχείς ροές, τα εξοπλισμάτα υποσταθμίων πρέπει να έχουν βαθμολογίες μικρής διάρκειας.

• Αυτές πρέπει να είναι αρκετές για να επιτρέψουν στο εξοπλισμό να αντέξει την θερμότητα και τις μηχανικές πιέσεις της σύνδεσης με κύκλωμα χωρίς βλάβη.

• Για να παρέχεται αρκετή δυνατότητα διακοπής στους διακόπτες, δυναμικότητα στους αμφιθέτους αμφιδιελέκτρους και κατάλληλη ρύθμιση για τους προστατευτικούς ρελέ που ανιχνεύουν την βλάβη.

• Οι μέγιστες & ελάχιστες ροές σύνδεσης με κύκλωμα για διάφορους τύπους και τοποθεσίες συνδέσεων με κύκλωμα και συνθέσεις συστήματος πρέπει να καθοριστούν.

Μελέτες Μεταβατικής Σταθερότητας

• Η φυσική είσοδος του γεννήτρια σε κανονικές συνθήκες ισοδυναμεί με την ηλεκτρική έξοδο, προσθέτοντας τις απώλειες του γεννήτρια.

• Τα συστημικά γεννήτρια περιστρέφονται στα 50 Hz όσο αυτό συνεχίζεται. Οποιαδήποτε διαταραχή στη μηχανική ή ηλεκτρική ροή προκαλεί τον γεννήτρια να απομακρυνθεί από τα 50Hz και να ταλαντώνεται γύρω από ένα νέο σημείο ισορροπίας.

• Μια πολύ συνηθισμένη διαταραχή είναι η σύνδεση με κύκλωμα. Οι συνδέσεις με κύκλωμα κοντά στο γεννήτρια μειώνουν την τάση στον κάτω πίνακα και επιταχύνουν το μηχανήμα.

• Μετά τη διόρθωση της λάθους, το συστηματικό στοιχείο θα παρέχει υπερβολική ενέργεια στο σύστημα παροχής ενέργειας για την επαναφορά του σε το προηγούμενο κατάσταση.

• Όταν οι ηλεκτρικοί δεσμοί είναι ισχυροί, το μηχανήμα επιβραδύνεται γρήγορα και σταθεροποιείται. Αδύναμοι δεσμοί θα προκαλέσουν αστάθεια του μηχανήματος.

• Παράγοντες που επηρεάζουν τη σταθερότητα περιλαμβάνουν:

• Το βαθμό της βλάβης,

• Την ταχύτητα διάλυσης της βλάβης,

• Τους δεσμούς μεταξύ μηχανήματος και συστήματος μετά την επίλυση της βλάβης.

• Η μεταβατική σταθερότητα της υποσταθμίδας εξαρτάται από

• Τον τύπο και την ταχύτητα της προστασίας των γραμμών και των πίνακων, 

• Τον χρόνο διακοπής των διακόπτων, και 

• Την διάταξη των πίνακων μετά την επίλυση της βλάβης. 

• Το τελευταίο σημείο επηρεάζει τη διάταξη των πίνακων. 

• Μόνο μια γραμμή θα επηρεαστεί αν η βλάβη επιλυθεί κατά την πρωτογενή προστασία. 

• Ένας αδρανής διακόπτης μπορεί να προκαλέσει την απώλεια πολλών γραμμών κατά την προστασία αποτυχίας διακόπτη, αδυναμώντας τον συστημικό δεσμό.

Μελέτες Μεταβατικής Υπερτάσης

• Η μεταβατική υπερτάση μπορεί να προκύψει από αστραπή ή αλλαγή περιβάλλοντος στο κύκλωμα. 

• Οι μελέτες μεταβατικής υπερτάσης (TNA) είναι ο πιο ακριβής τρόπος για την καθορίσεις της υπερτάσης από αλλαγή περιβάλλοντος.

Διάταξη Υποσταθμίδας

Η διάταξη της υποσταθμίδας καθορίζεται από φυσικά και ηλεκτρικά συνειδητά, περιλαμβανομένων των εξής:

• Ασφάλεια των Συστημάτων

• Ευελιξία Λειτουργίας

• Εύκολες Διατάξεις Προστασίας

• Περιορισμός Επιπέδων Σύνδεσης με Κύκλωμα

• Υποδομές Συντήρησης

• Εύκολη Επέκταση

• Παράγοντες Τόπου

• Οικονομία

Ασφάλεια των Συστημάτων

• Οι ιδανικές υποσταθμίδες περιλαμβάνουν ξεχωριστούς διακόπτες για κάθε κύκλωμα και επιτρέπουν την αντικατάσταση των πίνακων ή των διακόπτων κατά την συντήρηση ή την βλάβη. 

• Η ασφάλεια του συστήματος μπορεί να καθοριστεί επιτρέποντας 100% εξάρτηση από την ακεραιότητα της υποσταθμίδας ή επιτρέποντας ένα ποσοστό αποτυχίας λόγω περιοδικών βλαβών (ή) συντήρησης.

• Αν και ένα σύστημα με δύο πίνακες και διπλούς διακόπτες είναι τέλειο, είναι ένα ακριβό συστήμα.

Ευελιξία Λειτουργίας

• Η ελέγχου της φορτίας MVA & MVAR υπό όλες τις συνθήκες σύνδεσης των περιβάλλων είναι απαραίτητη για την αποτελεσματικότητα της φορτίας των γεννητών.

• Οι κύκλοι φορτίου πρέπει να ομαδοποιούνται για να παρέχουν βέλτιστο έλεγχο σε φυσιολογικές και επείγουσες συνθήκες.

Εύκολες Διατάξεις Προστασίας

• Αν ένας διαχωριστής κύκλων ελέγχει πολλούς κύκλους ή αν κλάσει περισσότεροι διαχωριστές κύκλων. Αυτό μπορεί να εξαλειφθεί με την τμηματοποίηση της λεωφορείας.

• Ακόμη και αν η προστατική συνδεσιμότητα είναι απλή, ένα σύστημα με μία μόνη λεωφορεία είναι ακαμψία για περίπλοκη προστασία.

Περιορισμός Επιπέδων Σύντομης Σύνδεσης

• Μια υποσταθμός μπορεί να χωριστεί σε δύο μέρη, είτε εξ ολοκλήρου είτε μέσω σύνδεσης αντίστασης, για να μειωθούν τα επίπεδα σύντομης σύνδεσης.

• Η κατάλληλη χρήση διαχωριστών κύκλων στα συστήματα κύκλων μπορεί να παρέχει παρόμοια υπηρεσία.

Υποδομές Συντήρησης

• Η συντήρηση είναι απαραίτητη κατά τη λειτουργία της υποσταθμίου, είτε προγραμματισμένη (ή) επείγουσα.

• Η απόδοση της υποσταθμίου κατά τη συντήρηση εξαρτάται από τις προστατικές διατάξεις.

Εύκολη Επέκταση

• Η διάταξη της υποσταθμίου πρέπει να επιτρέπει την επέκταση των βαθμών για νέες γραμμές εφοδιασμού.

• Καθώς το σύστημα βελτιώνεται, μπορεί να είναι απαραίτητο να αλλάξει από μία μονολεωφορειακή διάταξη σε διλεωφορειακό σύστημα ή να επεκταθεί μια πλεγματική σταθμός σε διλεωφορειακή σταθμό.

• Θα είναι διαθέσιμος χώρος και υποδομές επέκτασης.

Παράγοντες Τόπου

• Η διαθεσιμότητα του τόπου είναι απαραίτητη για τον προγραμματισμό της υποσταθμίου. Η κατασκευή μιας σταθμού με λιγότερη ευελιξία μπορεί να είναι απαραίτητη σε περιορισμένες περιοχές.

• Η υποσταθμίου με λιγότερους διαχωριστές κύκλων και απλούστερο σχηματικό καταλαμβάνει λιγότερο χώρο.

Οικονομία

• Αν οι οικονομικές προϋποθέσεις είναι εφικτές, μπορεί να δημιουργηθεί μια βελτιωμένη διάταξη σύνδεσης για τεχνολογικές απαιτήσεις.

Διάταξη Υποσταθμίου και Σύνδεσης

Η διάταξη της υποσταθμίου και η διάταξη σύνδεσης πρέπει να σχεδιαστούν προσεκτικά με βάση την IEEE 141 για να εξασφαλίσουν την αποτελεσματικότητα και την ασφάλεια του συστήματος ηλεκτρικής διανομής.

• Μετατροπείς,

• Διαχωριστές κύκλων, και

• Επιλεκτικοί διαχωριστές

πρέπει να επιλεγεί με βάση την τάση και τις απαιτήσεις φορτίου. 

Για την εξατομικευμένη χρήση του χώρου, την ευκολία στην διατήρηση και τη δυνατότητα επέκτασης, η διάταξη πρέπει να σχεδιαστεί με προσοχή. Οι λωρίδες (buses) πρέπει να συνδέουν αποτελεσματικά την εξοπλισμό, και οι κύκλοι πρέπει να βελτιώσουν την ροή ενέργειας & την αξιοπιστία. 

Για τη γρήγορη ανίχνευση και απομόνωση λαθών, απαιτούνται ανθεκτικά συστήματα προστασίας & έλεγχου. Οι κανονιστικές προδιαγραφές & περιβαλλοντικές ανησυχίες καθορίζουν το σχεδιασμό της υποσταθμίδας για να εξασφαλίσουν την ασφάλεια, την αξιοπιστία και την περιβαλλοντική συμμόρφωση.

Πολλοί παράγοντες πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό μιας διάταξης EHV και συνδυασμών κατάτμησης:

• Πρέπει να είναι αξιόπιστη, ασφαλής και να εξασφαλίζει εξαιρετική συνέχεια υπηρεσιών.

Τυπικά σχήματα λωρίδας (busbar) και προστασία στις υποσταθμίδες εξηγούνται λεπτομερώς στο:

1. Τι είναι Λωρίδα (Busbar); Τύποι, Πλεονεκτήματα, Μειονεκτήματα &

2. Σχήματα Προστασίας Λωρίδας (Busbar)

Διαφορετικοί συνδυασμοί λωρίδας (busbar) παρέχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα ως προς την επικουρικότητα, την ευελιξία λειτουργίας και την προσβασιμότητα στην διατήρηση. 

Αποτελεσματική διάταξη λωρίδας (busbar) εξασφαλίζει αποτελεσματική ροή ενέργειας & επιτρέπει μελλοντική επέκταση.

Δομές Σταθμού Κατανάλωσης

Χρειάζονται δομές για την υποστήριξη & εγκατάσταση ηλεκτρικού εξοπλισμού λωρίδας (bus) και την τερματισμό καλωδίων μεταφοράς. 

Οι δομές μπορούν να κατασκευαστούν από χάλυβα, ξύλο, RCC ή PSC. Βάσει του εδάφους, χρειάζονται θεμελίωση. 

Οι υποσταθμίδες χρησιμοποιούν κατασκευασμένες δομές από χάλυβα λόγω των πλεονεκτημάτων τους. 

Η 

• Διάστημα φάσης, 

• Απόσταση από το έδαφος, 

• Επίθλασσες, 

• Μήκος μπάρας, και 

• Βάρος εξοπλισμού 

επηρεάζουν το δομικό σχεδιασμό.

• Κάμψη, 

• Συμπίεση των πλαϊνών πλευρών, 

• Οριζόντια και κάθετη κοπή, και 

• Κατάρρευση της βάσης 

πρέπει να προλάβουν την αποτυχία των χάλυβανων πλαίσιων και των κιγκλων. 

Τα πλέγματα κιγκλων πρέπει να είναι 1/10 έως 1/15 του διαστήματος και τετραγώνου. Συνήθως, η κάμψη του πλαίσιου δεν μπορεί να υπερβεί το 1/250 του μήκους του διαστήματος. 

Τα βoults και nuts της δομής πρέπει να είναι 16 mm σε διάμετρο, εκτός από τα ελαφρά φορτωμένα τμήματα όπου μπορούν να είναι 12 mm.

Το σχεδιασμός του φορτίου για τους στύλους και τους κιγκλων πρέπει να περιλαμβάνει 

• Τάση συνδέσμων, 

• Τάση αγρυπνίας, 

• Βάρος επιθλάσσεων και εξοπλισμού, και 

• Κλάσμα φορτίου (περίπου 350 kg), 

• Βάρος εργαζομένου και εργαλείων (200 kg) 

• Φορτία ανέμου και επιπτώσεις 

κατά τη λειτουργία του εξοπλισμού.

Το διάστημα κατέβασης της αεροφωνικής γραμμής πρέπει να τελειώνει στις δομές της υποσταθμίδας. Μπορεί να φτάσει μέχρι +15 μοίρες κάθετα και +30 μοίρες οριζόντια.

Οι δομές του χώρου μπορούν να βαφτούν ή να επεξεργαστούν με βυθισμό σε χάλυβα. 

Οι δομές που κατασκευάζονται με επεξεργασμένο χάλυβα απαιτούν ελάχιστη διατήρηση. 

Ωστόσο, οι βαμμένες δομές παρείχαν καλύτερη αντίσταση στην οξείδωση σε μερικές εξαιρετικά ρυπανμένες περιοχές.

Συνήθως εφαρμοσμένες αποστάσεις φάσης ως:

Σχεδιασμός Λωρίδας Διανομής

Για να εξυπηρετηθεί η σύνδεση μεταξύ των πολλών συστατικών ενός υποσταθμίου, οι λωρίδες διανομής είναι γραμμές αγωγού που χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας σε όλο το υποσταθμίο.

Οι ηλεκτρικές απώλειες μειώνονται, η κατανομή ενέργειας γίνεται πιο συνεκτική και η απόδοση του υποσταθμίου βελτιώνεται όταν οι λωρίδες διανομής σχεδιάζονται και διαστατολογούνται σωστά.

Υποσταθμίο – Συστήματα Ελέγχου

Η αυτοματοποίηση του υποσταθμίου βελτιώνει τη λειτουργία και την απόδοση, συνδυάζοντας συστήματα ελέγχου, εξυπνά συστήματα και δίκτυα επικοινωνίας.

Η πραγματικού χρόνου παρακολούθηση, ο μακρινός έλεγχος, η ανάλυση δεδομένων και η προληπτική συντήρηση βελτιώνουν την αξιοπιστία και μειώνουν το χρόνο αποτυχίας με την αυτοματοποίηση.

Τα προηγμένα συστήματα ελέγχου, όπως το SCADA, βελτιώνουν την αυτοματοποίηση του υποσταθμίου, τη συλλογή δεδομένων και τον μακρινό έλεγχο.

Η αυτοματοποίηση του υποσταθμίου χρησιμοποιεί συστήματα SCADA για κεντρικό έλεγχο και παρακολούθηση.

Τα συστήματα SCADA συλλέγουν δεδομένα από το υποσταθμίο για τη βελτίωση της ροής ενέργειας, τη λήψη αποφάσεων και την ταχεία επίλυση παραβιάσεων.

Σχεδιασμός Υποσταθμίου – Πρωτόκολλα Επικοινωνίας

Το εξοπλισμός του υποσταθμίου και τα κέντρα ελέγχου χρειάζονται αποτελεσματικά δίκτυα επικοινωνίας για την κοινή χρήση δεδομένων και τον έλεγχο.

Η αρχιτεκτονική σχεδίασης του υποσταθμίου απαιτεί εξαρτήσιμες πρωτόκολλα επικοινωνίας όπως το IEC 61850, DNP3 ή Modbus για διαλειτουργικότητα, ακεραιότητα δεδομένων και ασφάλεια πληροφοριών.

Δήλωση: Σεβαστείτε το αρχικό, καλά άρθρα αξίζει να μοιράζονται, αν υπάρχει παραβίαση πνευματικών δικαιωμάτων παρακαλώ επικοινωνήστε για διαγραφή.