Progettazione di sottostazioni elettriche: un'introduzione

Le sottostazioni elettriche costituiscono sezioni essenziali della rete di distribuzione dell'energia, funzionando come hub per la trasmissione e la distribuzione dell'elettricità. Queste strutture complesse richiedono una pianificazione, progettazione e implementazione rigorose per garantire un approvvigionamento di energia costante ed efficiente.

In questo post esamineremo le basi del progetto delle sottostazioni elettriche, inclusi i diversi componenti, le preoccupazioni relative alla disposizione e i fattori ambientali.

Criteri di pianificazione delle sottostazioni

Il livello massimo di guasto su un bus di nuova sottostazione non può superare l'80% della capacità di interruzione nominale del disgiuntore.

Il buffer del 20% è destinato a tenere conto dell'aumento dei livelli di cortocircuito con lo sviluppo del sistema.

Il tasso di corrente di interruzione e generazione, nonché le capacità di tempo di sgombero di guasto degli apparati di commutazione a diversi livelli di tensione, possono essere calcolati come segue:

La capacità di qualsiasi singola sottostazione a vari livelli di tensione non dovrebbe in genere superare.

La dimensione e il numero dei trasformatori di interconnessione (ICTs) devono essere pianificati in modo tale che il guasto di qualsiasi singola unità non sovraccarichi i rimanenti ICTs o il sistema sottostante.

Un interruttore bloccato non può interrompere più di 4 linee per un sistema a 220 KV, due per un sistema a 400 KV e una per un sistema a 765 KV.

Requisiti del Sistema della Sottostazione

Nomenclatura

Affidabilità: L'affidabilità del sistema elettrico è la fornitura ininterrotta di energia alla tensione e frequenza richieste. Le barre di distribuzione, gli interruttori, i trasformatori, gli isolatori e i dispositivi di regolazione influiscono sull'affidabilità della sottostazione.

Tasso di guasto: È il tasso medio annuale di guasti.

Tempo di interruzione: Il tempo di interruzione si riferisce al tempo necessario per riparare un componente difettoso o passare a una fonte di alimentazione diversa.

Tempo di commutazione: Il tempo dall'inizio dell'interruzione fino al ripristino del servizio tramite operazione di commutazione.

Schema di commutazione: La disposizione delle barre di distribuzione e degli apparecchi tiene conto dei costi, della flessibilità e dell'affidabilità del sistema.

Distanza fase-terra: La distanza fase-terra della sottostazione è 

• Distanza tra conduttore e struttura. 

• Distanza tra apparecchiature elettriche vive e strutture &

• Distanza tra conduttore vivo e terra.

Distanza fase-fase: Le distanze fase-fase della sottostazione sono 

• Distanza tra conduttori vivi. 

• Distanza tra conduttori vivi e apparecchiature e 

• Distanza tra terminali vivi negli interruttori, isolatori, ecc.

Distanza da terra: È la minima distanza da qualsiasi posizione in cui una persona possa dover stare fino alla parte più vicina non a potenziale di terra di un isolatore che supporta il conduttore vivo.

Distanza sezione: È la minima distanza da qualsiasi posizione in piedi al conduttore vivo non schermato più vicino. Per calcolare la distanza sezione, considerare l'altezza di una persona con le braccia tese e la distanza fase-terra.

Distanza di sicurezza: Questa include la distanza dal suolo e la distanza sezione.

Campo elettrostatico della sottostazione: I conduttori o parti metalliche alimentati creano campi elettrostatici. Le sottostazioni EHV (oltre 400 kV) hanno campi elettrostatici che variano in base alla geometria del conduttore o parte metallica alimentata e dell'oggetto a terra vicino o del terreno.

Generale

• Linee di trasmissione, 

• Alimentatori di sotto-trasmissione, 

• Circuiti di generazione, e 

• Trasformatori di elevazione e abbassamento di tensione 

si collegano alle sottostazioni o stazioni di commutazione. 

Le sottostazioni da 66 a 40 kV sono chiamate EHV. Al di sopra di 500 kV, sono UHV.

Le preoccupazioni e i metodi di progettazione per le sottostazioni EHV sono simili, tuttavia alcuni elementi predominano a vari livelli di tensione. Fino a 220 kV, gli impulsi di commutazione possono essere ignorati, ma oltre 345 kV, sono essenziali.

Criteri di progettazione e studi delle sottostazioni

I requisiti di progettazione delle sottostazioni saranno determinati dai seguenti studi.

• Studi di flusso di carico

• Studi di cortocircuito

• Studi di stabilità transitoria

• Studi di sovratensione transitoria

Studi di flusso di carico

• Una sottostazione assicura una trasmissione affidabile di energia ai carichi del sistema. 

• Le esigenze di portata corrente della nuova sottostazione (o) stazione di commutazione sono determinate dagli studi di flusso di carico mentre tutte le linee sono in funzione e mentre alcune linee selezionate sono fuori servizio per manutenzione. 

• Dopo aver valutato diverse condizioni di flusso di carico, si possono calcolare le capacità continue e di emergenza dell'equipaggiamento.

Studi di cortocircuito

• Oltre alle correnti continue, le apparecchiature della sottostazione devono avere anche valori di breve durata.

• Questi devono essere sufficienti per consentire all'equipaggiamento di resistere al calore e alle pressioni meccaniche della corrente di cortocircuito senza subire danni.

• Per fornire una capacità di interruzione adeguata nei disgiuntori, robustezza negli isolatori posti e un'adeguata impostazione per i relè di protezione che rilevano il guasto.

• È necessario stabilire la corrente di cortocircuito massima e minima per vari tipi e localizzazioni di cortocircuiti e configurazioni del sistema.

Studi di stabilità transitoria

• L'input meccanico normale del generatore è uguale all'output elettrico più le perdite del generatore.

• I generatori del sistema ruotano a 50 Hz fintanto che questo continua. Qualsiasi disturbo nel flusso meccanico o elettrico causa la variazione della velocità del generatore da 50Hz e l'oscillazione intorno a un nuovo punto di equilibrio.

• Un disturbo molto comune è il cortocircuito. I cortocircuiti vicini al generatore riducono la tensione terminale e accelerano la macchina.

• Dopo aver risolto l'errore, il dispositivo alimenta energia in eccesso nel sistema elettrico per ripristinare il suo stato originale.

• Quando i collegamenti elettrici sono forti, la macchina decelera rapidamente e si stabilizza. Legami deboli causeranno instabilità della macchina.

• I fattori che influiscono sulla stabilità includono:

• Gravità del guasto,

• Velocità di sgombro del guasto,

• Collegamenti tra la macchina e il sistema dopo la risoluzione del guasto.

• La stabilità transitoria della sottostazione dipende da

• Tipo e velocità dei relè di protezione delle linee e delle bus,

• Tempo di interruzione del disgiuntore, e

• Configurazione della bus una volta risolto il guasto.

• L'ultimo punto influenza la disposizione della bus.

• Solo una linea sarà interessata se un guasto viene risolto durante la protezione primaria.

• Un disgiuntore bloccato può causare la perdita di più linee durante la protezione in caso di fallimento del disgiuntore, indebolendo il legame del sistema.

Studi di sovratensione transitoria

• La sovratensione transitoria può risultare da fulmini o commutazione di circuiti.

• Gli studi con l'Analizzatore Transitorio di Rete (TNA) sono il modo più accurato per determinare la sovratensione di commutazione.

Disposizione della sottostazione

La disposizione della sottostazione è determinata da considerazioni fisiche ed elettriche, incluse le seguenti:

• Sicurezza del sistema

• Flessibilità operativa

• Facilità di disposizione della protezione

• Limitazione dei livelli di cortocircuito

• Strutture di manutenzione

• Estensibilità facile

• Fattori del sito

• Economia

Sicurezza del sistema

• Le sottostazioni ideali includono disgiuntori separati per ogni circuito e permettono la sostituzione delle bus-bar o dei disgiuntori durante la manutenzione o i guasti.

• La sicurezza del sistema può essere determinata consentendo una dipendenza al 100% dall'integrità della sottostazione o consentendo una percentuale di downtime a causa di guasti periodici (o) manutenzione.

• Anche se un sistema a doppia bus-bar con progettazione a doppio disgiuntore è perfetto, è una sottostazione costosa.

Flessibilità Operativa

• Il controllo del carico MVA e MVAR in tutte le condizioni di connessione dei circuiti è essenziale per l'efficienza del carico del generatore.

• I circuiti di carico devono essere raggruppati per fornire il controllo ottimale in condizioni normali ed emergenze.

Facili Disposizioni di Protezione

• Se un interruttore controlla molti circuiti o più interruttori sono guasti, questo può essere mitigato dalla suddivisione della barra.

• Anche se la protezione relativa è semplice, un sistema a singola barra è rigido per protezioni complesse.

Limitazione dei Livelli di Cortocircuito

• Una sottostazione può essere divisa in due parti, completamente o tramite connessione reattiva, per ridurre i livelli di cortocircuito.

• L'uso appropriato degli interruttori nei sistemi anulari può fornire una simile funzionalità.

Strutture di Manutenzione

• La manutenzione è necessaria durante l'operazione della sottostazione, sia pianificata che d'emergenza.

• Le prestazioni della sottostazione durante la manutenzione dipendono dalle disposizioni di protezione.

Facile Estensione

• La disposizione della sottostazione dovrebbe consentire l'estensione delle baie per nuovi alimentatori.

• Con l'evoluzione del sistema, potrebbe essere necessario passare da un sistema a singola barra a un sistema a doppia barra o ampliare una stazione a maglia in una stazione a doppia barra.

• Saranno disponibili spazio e strutture di espansione.

Fattori del Sito

• La disponibilità del sito è essenziale per la pianificazione della sottostazione. In luoghi limitati, potrebbe essere necessario costruire una stazione con minore flessibilità.

• Una sottostazione con meno interruttori e uno schema più semplice occupa meno spazio.

Economia

• Se economicamente fattibile, può essere creato un miglioramento della disposizione di commutazione per esigenze tecnologiche.

Disposizione della Sottostazione e dell'Impianto di Commutazione

La disposizione della sottostazione e l'impianto di commutazione devono essere progettati con cura basandosi su IEEE 141 per garantire l'efficienza e la sicurezza del sistema di distribuzione elettrica.

• Trasformatori,

• Interruttori e

• Interruttori

deve essere scelto in base ai requisiti di tensione e carico.

Per massimizzare lo spazio, facilitare la manutenzione e permettere l'estensione, la disposizione deve essere pianificata con cura. Le barre di raccordo devono collegare efficientemente le apparecchiature e i circuiti devono migliorare il flusso di potenza e la affidabilità.

Per una rapida rilevazione e isolamento dei guasti, sono necessari sistemi robusti di protezione e controllo. Gli standard normativi e le preoccupazioni ambientali determinano la progettazione della sottostazione per garantire sicurezza, affidabilità e conformità ambientale.

Vengono considerati diversi aspetti durante la progettazione di una disposizione EHV e configurazioni di commutazione:

• Dovrebbe essere affidabile, sicuro e garantire un'eccellente continuità del servizio.

Le tipiche configurazioni delle barre di raccordo e le protezioni delle sottostazioni sono spiegate nei dettagli in:

1. Cos'è la barra di raccordo elettrica? Tipi, vantaggi, svantaggi&

2. Schemi di protezione delle barre di raccordo

Diverse configurazioni delle barre di raccordo offrono diversi vantaggi in termini di ridondanza, flessibilità operativa e accessibilità alla manutenzione.

Un layout efficiente delle barre di raccordo assicura un flusso di potenza efficiente e facilita le future espansioni.

Strutture dello switchyard

Sono necessarie strutture per supportare e installare l'equipaggiamento elettrico delle barre e terminare i cavi delle linee di trasmissione.

Le strutture possono essere realizzate in acciaio, legno, RCC o PSC. A seconda del terreno, hanno bisogno di fondazioni.

Le sottostazioni utilizzano costruzioni in acciaio prefabbricate per i loro vantaggi.

Il

• Distanza di fase, 

• Distanza da terra, 

• Isolatori, 

• Lunghezza della barra di raccordo, e 

• Peso dell'equipaggiamento 

influenzano la progettazione strutturale.

• Flessione, 

• Innesto della flangia, 

• Taglio verticale e orizzontale, e 

• Crollo del web 

devono prevenire il cedimento delle travi e delle travature in acciaio. 

Le travature a graticcio dovrebbero essere tra 1/10 e 1/15 della luce e della pianta. In genere, la flessione della trave non può superare 1/250 della lunghezza della luce. 

I bulloni e le dadi delle strutture devono avere un diametro di 16 mm, tranne nelle sezioni a carico leggero dove possono essere di 12 mm.

Il carico di progettazione per colonne e travature dovrebbe comprendere 

• Tensione del conduttore, 

• Tensione del filo di terra, 

• Peso degli isolatori e dei componenti, e 

• Carico frattura (circa 350 kg), 

• Peso dell'operaio e degli attrezzi (200 kg) 

• Carichi di vento e impatto 

durante l'operazione dell'equipaggiamento.

La luce di scarico della linea aerea deve essere terminata dalle strutture della galleria della sottostazione. Può arrivare fino a +15 gradi verticalmente e +30 gradi orizzontalmente.

Le strutture del cortile possono essere dipinte o galvanizzate a caldo. 

Le strutture realizzate con acciaio galvanizzato richiedono un minimo di manutenzione. 

Tuttavia, le strutture dipinte offrono una migliore resistenza alla corrosione in alcune aree estremamente contaminate.

Solitamente vengono utilizzati i seguenti spaziamenti di fase:

Progettazione delle busbar

Per facilitare la connessione tra i numerosi componenti che compongono una sottostazione, le busbar sono barre conduttive utilizzate per trasmettere l'energia elettrica all'interno della sottostazione.

Le perdite elettriche vengono ridotte, la distribuzione di potenza diventa più coerente e le prestazioni della sottostazione migliorano quando le busbar sono progettate e dimensionate correttamente.

Sottostazione – Sistemi di controllo

L'automazione della sottostazione ottimizza l'operatività ed l'efficienza combinando sistemi di controllo, dispositivi intelligenti e reti di comunicazione.

Il monitoraggio in tempo reale, il controllo remoto, l'analisi dei dati e la manutenzione predittiva migliorano l'affidabilità e riducono i tempi di inattività grazie all'automazione.

Sistemi di controllo avanzati come SCADA migliorano l'automazione della sottostazione, la raccolta dei dati e il controllo remoto.

L'automazione della sottostazione utilizza sistemi SCADA per il controllo e il monitoraggio centralizzato.

I sistemi SCADA raccolgono i dati della sottostazione per migliorare il flusso di potenza, prendere decisioni e risolvere rapidamente i guasti.

Progettazione della sottostazione – Protocolli di comunicazione

Le attrezzature della sottostazione e i centri di controllo necessitano di reti di comunicazione efficienti per condividere i dati e il controllo.

L'architettura del progetto della sottostazione richiede protocolli di comunicazione affidabili come IEC 61850, DNP3 o Modbus per interoperabilità, integrità dei dati e sicurezza informatica.

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