Elektrische onderstation ontwerp: Een inleiding

Elektrische afdelingen vormen essentiële secties van het elektriciteitsdistributienetwerk en fungeren als knooppunten voor het verzenden en distribueren van elektriciteit. Deze complexe faciliteiten vereisen grondige planning, ontwerp en implementatie om een constante en efficiënte elektriciteitsvoorziening te garanderen.

In dit artikel zullen we kijken naar de basisprincipes van het ontwerp van elektrische afdelingen, inclusief verschillende componenten, opstellingsoverwegingen en milieu factoren.

Criteria voor het plannen van afdelingen

Het maximale foutniveau op een nieuwe afdelingsbus mag niet meer dan 80% bedragen van de nominale doorbrekingscapaciteit van de stroomonderbreker.

De buffer van 20% is bedoeld om rekening te houden met de toename van de kortsluitingsniveaus naarmate het systeem zich ontwikkelt.

De snelheid van het onderbreken van stroom en het genereren van stroom, evenals de capaciteit om storingen te verhelpen bij verschillende spanningniveaus, kan worden berekend als:

De capaciteit van een enkele afdeling op verschillende spanningniveaus zou in het algemeen niet moeten overschrijden.

De grootte en het aantal verbindende transformatoren (ICTs) moeten zo worden gepland dat het uitvallen van één eenheid de overige ICTs of het onderliggende systeem niet overbelast.

Een vaste schakelaar kan bij een 220 kV-systeem niet meer dan 4 voeders onderbreken, bij een 400 kV-systeem twee en bij een 765 kV-systeem één.

Substationsysteemeisen

Nomenclatuur

Betrouwbaarheid: De betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet is de ononderbroken levering van stroom op de vereiste spanning en frequentie. Busbars, schakelaars, transformatoren, isolatoren en regelapparatuur beïnvloeden de betrouwbaarheid van de onderstation.

Storingfrequentie: Dit is het jaarlijkse gemiddelde aantal storingen.

Storingtijd: Storingtijd verwijst naar de tijd die nodig is om een defect onderdeel te repareren of over te schakelen naar een andere energiebron.

Omschakelingstijd: Tijd vanaf het begin van de storing tot de herstel van de dienst via een omschakelingsoperatie.

Omschakelingschema: De plaatsing van busbars en apparatuur neemt kosten, flexibiliteit en systeembetrouwbaarheid in acht.

Fase-naar-grondafstand: De fase-naar-grondafstand in een onderstation is 

• Afstand tussen geleider en constructie. 

• Afstand tussen live apparatuur en constructies &

• Afstand tussen live geleider en aarde.

Fase-naar-faseafstand: De fase-naar-faseafstanden in een onderstation zijn 

• Afstand tussen live geleiders. 

• Afstand tussen live geleiders en apparatuur en 

• Afstand tussen live terminals in schakelaars, isolatoren, enz.

Grondafstand: Dit is de minimale afstand van elke locatie waar een mens mogelijk moet staan tot het dichtstbijzijnde niet-aardpotentieel deel van een isolator die de live geleider ondersteunt.

Sectieafstand: Dit is de minimale afstand van elke standplaats tot de dichtstbijzijnde ongeschermd live geleider. Reken de sectieafstand uit met de hoogte van iemand met gestrekte armen en de fase-naar-grondafstand.

Veiligheidsafstand: Dit omvat de afstand tot de grond en de sectie-afstand.

Elektrostatische veld van onderstations: Geladen geleiders of metalen delen creëren elektrostatische velden. EHV-onderstations (boven 400 kV) hebben elektrostatische velden die variëren afhankelijk van de geometrie van de geladen geleider/metalen deel en het naburige aangesloten object of de grond.

Algemeen

• Hoogspanningslijnen, 

• Subtransmissieleidingen, 

• Opwekkingsschakelingen, en 

• Spanningsoptrekkers en spanningverlagende transformatoren 

zijn verbonden met onderstations of schakelstations. 

Onderstations van 66 tot 40 kV worden EHV genoemd. Boven 500 kV worden ze UHV genoemd.

De ontwerpbekommernissen en methoden voor EHV-onderstations zijn vergelijkbaar, maar sommige elementen domineren op verschillende spanningniveaus. Tot 220 kV kunnen schakelstoten worden genegeerd, maar boven 345 kV zijn ze essentieel.

Ontwerp criteria & studies voor onderstations

De ontwerpeisen voor onderstations zullen bepaald worden door de volgende studies.

• Ladingstroomstudies

• Kortsluitingsstudies

• Tijdelijke stabiliteitsstudies

• Tijdelijke overspanningsstudies

Ladingstroomstudies

• Een onderstation zorgt voor een betrouwbare energieoverdracht naar systeemlasten. 

• De stroomvoerende behoeften van het nieuwe onderstation (of) schakelstation worden bepaald door ladingstroomstudies terwijl alle lijnen in bedrijf zijn en terwijl geselecteerde lijnen buiten dienst zijn voor onderhoud. 

• Na het evalueren van verschillende ladingstroomcondities kunnen de continuïteits- en noodratings van apparatuur worden berekend.

Kortsluitingsstudies

• Naast continue stroomwaarden, moeten onderstationsapparatuur ook korte tijdsduurwaarden hebben.

• Deze moeten voldoende zijn om het apparaat in staat te stellen kortsluitstroomwarmte en mechanische druk zonder schade te doorstaan.

• Om voldoende onderbrekingsvermogen in schakelaars te bieden, kracht in postisolatoren en de juiste instelling voor beschermrelais die de storing detecteren.

• De maximale & minimale kortsluitstromen voor verschillende soorten en locaties van kortsluitingen en systeemconfiguraties moeten worden vastgesteld.

Transient Stabiliteitsstudies

• Normaal gesproken is de mechanische invoer van generatoren gelijk aan de elektrische uitvoer plus generatorverliezen.

• Systeemgeneratoren draaien op 50 Hz zolang dit doorgaat. Elke verstoring in de mechanische of elektrische stroom veroorzaakt dat de generatorsnelheid afwijkt van 50 Hz en trilt rond een nieuw evenwichtspunt.

• Een zeer algemene verstoring is een kortsluiting. Kortsluitingen in de buurt van de generator verlagen de aansluitspanning en versnellen de machine.

• Nadat de fout is verholpen, zal het apparaat overtollige energie in het energienet voeden om zijn oorspronkelijke toestand te herstellen.

• Bij sterke elektrische verbindingen vertraagt de machine snel en stabiliseert. Zwakke verbindingen zullen leiden tot onstabiele machines.

• Factoren die de stabiliteit beïnvloeden, omvatten:

• Fouterniteit,

• Snelheid van foutoplossing,

• Verbindingen tussen machine en systeem na oplossing van de fout.

• De transiente stabiliteit van onderstations hangt af van

• Type en snelheid van lijn- en busbeschermingsrelais,

• Onderbrekingstijd van schakelaars, en

• Busconfiguratie nadat de fout is opgelost.

• Het laatste punt beïnvloedt de busindeling.

• Alleen één lijn wordt beïnvloed als de fout tijdens primaire relais wordt opgelost.

• Een geblokkeerde schakelaar kan meerdere lijnen laten verliezen tijdens schakelaarfoutrelais, wat de systeemverbinding verzwakt.

Transient Overspanningsstudies

• Transient overspanningen kunnen ontstaan door bliksem of circuitschakeling.

• Transient Network Analyzer (TNA) studies zijn de meest nauwkeurige manier om overspanningen bij schakelen te bepalen.

Indeling van Onderstation

De indeling van het onderstation wordt bepaald door fysieke en elektrische overwegingen, waaronder:

• Systeembeveiliging

• Flexibiliteit van bedrijfsvoering

• Gemakkelijke beschermingsregelingen

• Beperking van kortsluitniveaus

• Onderhoudsfaciliteiten

• Gemakkelijke uitbreiding

• Plaatselijke factoren

• Economie

Systeembeveiliging

• Ideale onderstations hebben aparte schakelaars voor elk circuit en staan toe dat busbars of schakelaars tijdens onderhoud of storingen vervangen kunnen worden.

• Systeembeveiliging kan worden bepaald door 100% afhankelijkheid van de integriteit van het onderstation toe te staan of door een percentage downtime toe te staan wegens periodieke storingen (of) onderhoud.

• Hoewel een dubbele busbar-systeem met dubbele schakelaardesign perfect is, is het een duur onderstation.

Operatieve Flexibiliteit

• Het controleren van de MVA- en MVAR-belasting onder alle circuitverbindingssituaties is essentieel voor de efficiëntie van de generatorbelasting. 

• Belastingscircuits moeten worden gegroepeerd om optimale controle te bieden in normale en noodsituaties. 

Gemakkelijke Beschermingsregelingen

• Als één schakelaar veel circuits bestuurt of als er meer schakelaars defect zijn, kan dit worden verholpen door bussectieering. 

• Zelfs als de bescherming eenvoudig is, is een enkele bussysteem rigide voor complexe bescherming. 

Beperking van Kortsluitingen

• Een substation kan in twee delen worden verdeeld, volledig of via een reactorverbinding, om de kortsluitniveaus te verminderen. 

• Het juiste gebruik van schakelaars in ringstelsels kan een soortgelijke faciliteit bieden.

Onderhoudsfaciliteiten

• Onderhoud is nodig tijdens de bedrijfsvoering van het substation, zowel gepland als noodzakelijk. 

• De prestaties van het substation tijdens onderhoud hangen af van de beschermingsmaatregelen.

Gemakkelijke Uitbreiding

• De indeling van het substation moet toestaan dat nieuwe voeders kunnen worden toegevoegd. 

• Naarmate het systeem verbetert, kan het nodig zijn om over te stappen van een enkele bussysteem naar een dubbele bussysteem of een mesh-station uit te breiden tot een dubbele bussysteem. 

• Ruimte en uitbreidingsmogelijkheden zullen beschikbaar zijn.

Site Factoren

• Beschikbaarheid van de site is essentieel voor de planning van het substation. In beperkte plaatsen kan de constructie van een station met minder flexibiliteit nodig zijn. 

• Een substation met minder schakelaars en een eenvoudiger schema neemt minder ruimte in beslag.

Economie

• Indien economisch haalbaar, kan een verbeterde schakelregeling voor technologische eisen worden gecreëerd.

Indeling van Substations en Schakelregelingen

De indeling van het substation en de schakelregeling moeten zorgvuldig worden ontworpen op basis van IEEE 141 om de efficiëntie en veiligheid van het elektriciteitsverdelingssysteem te waarborgen. 

• Transformators, 

• Schakelaars, en 

• Klepjes 

moet worden gekozen op basis van de spanning en belastingsvereisten.

Om ruimte te maximaliseren, onderhoud te vergemakkelijken en uitbreiding mogelijk te maken, moet de indeling zorgvuldig worden gepland. Busleiders moeten apparatuur efficiënt verbinden, en circuits moeten stroomverloop en betrouwbaarheid verbeteren.

Voor snelle foutdetectie en isolatie zijn robuuste beschermingssystemen en regeltechnieken nodig. Regulatieve normen en milieubelangen bepalen het ontwerp van de afdeling om veiligheid, betrouwbaarheid en milieuvriendelijkheid te waarborgen.

Bij het ontwerpen van een EHV-indeling en schakelconfiguraties moeten verschillende aspecten worden overwogen:

• Het moet betrouwbaar, veilig zijn en uitstekende dienstcontinuïteit garanderen.

Typische busleideropstellingen en -bescherming in afdelingen worden gedetailleerd uitgelegd in:

1. Wat is een elektrische busleider? Soorten, voordelen, nadelen &

2. Beschermingsschema's voor busleiders

Verschillende busleiderconfiguraties bieden verschillende voordelen wat betreft redundantie, bedrijfsflexibiliteit en toegankelijkheid voor onderhoud.

Een efficiënte busleiderindeling zorgt voor een efficiënte stroomvoorziening en faciliteert toekomstige uitbreiding.

Schakelstationconstructies

Constructies zijn nodig om bus elektrisch materiaal te ondersteunen en te installeren en transmissielijnkabels af te sluiten.

Constructies kunnen gemaakt zijn van staal, hout, RCC of PSC. Afhankelijk van de grondsoort hebben ze funderingen nodig.

Afdelingen gebruiken geprefabriceerde staalconstructies vanwege hun voordelen.

De

• Faseafstand,

• Aardeafstand,

• Isolatoren,

• Buslengte, en

• Gewicht van het apparaat

hebben invloed op de structuurontwerp.

• Bukken,

• Flensknikking,

• Verticale en horizontale schuifkrachten, en

• Webvervorming

moeten voorkomen dat stalen balken en liggers falen.

Roosterboxliggers moeten 1/10 tot 1/15 van de overspanning zijn. Gewoonlijk mag de buiging van de balk niet meer dan 1/250 van de overspanningslengte bedragen.

Structuurbouten en moeren moeten een diameter van 16 mm hebben, behalve in licht belaste secties waar ze 12 mm kunnen zijn.

De ontwerplast voor kolommen en liggers moet bestaan uit

• Leidingenspanning,

• Aardleidingspanning,

• Gewicht van isolatoren en bevestigingsmaterialen, en

• Breuklast (ongeveer 350 kg),

• Gewicht van werknemers en gereedschap (200 kg)

• Wind- en impactlasten

tijdens de operatie van het apparaat.

De overspanning van de bovenleiding moet worden afgesloten door de substation gantryconstructies. Het kan maximaal 15 graden verticaal en 30 graden horizontaal variëren.

De terreinconstructies kunnen geschilderd of heetgedoopt galvaniseerd zijn.

Constructies gemaakt met gegalvaniseerd staal vereisen minimale onderhoud.

Echter, geschilderde constructies bieden betere corrosiebestendigheid in sommige extreem vervuilde gebieden.

Normaal gebruikte faseafstanden:

Busleidingontwerp

Om de verbinding tussen de vele componenten die een substation vormen te vergemakkelijken, worden busleidingen gebruikt om elektrische energie door het substation te geleiden.

Elektrische verliezen worden verminderd, de energiedistributie wordt consistenter en de prestaties van het substation worden verbeterd wanneer busleidingen correct worden ontworpen en afgemeten.

Substation – Besturingssystemen

Substationautomatisering optimaliseert de bedrijfsvoering en efficiëntie door besturingssystemen, intelligente apparaten en communicatienetwerken te combineren.

Real-time monitoring, afstandsbediening, gegevensanalyse en voorspellende onderhoudsmaatregelen verbeteren de betrouwbaarheid en verminderen de downtime met automatisering.

Geavanceerde besturingssystemen zoals SCADA verbeteren substationautomatisering, gegevensverzameling en afstandsbediening.

Substationautomatisering maakt gebruik van SCADA-systemen voor gecentraliseerde controle en monitoring.

SCADA-systemen verzamelen substationgegevens om de stroomvoorziening te verbeteren, beslissingen te nemen en fouten snel op te lossen.

Substationontwerp – Communicatieprotocollen

Substationapparatuur en controlecentra hebben efficiënte communicatienetwerken nodig om gegevens uit te wisselen en controle uit te voeren.

De ontwerparchitectuur van een substation vereist betrouwbare communicatieprotocollen zoals IEC 61850, DNP3 of Modbus voor interoperabiliteit, data-integriteit en cybersecurity.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de moede gedeeld te worden, indien er een inbreuk is gelieve contact op te nemen om te verwijderen.