Проектирование электрических подстанций: Введение

Электрические подстанции являются важными элементами сети распределения электроэнергии, функционируя в качестве узлов для передачи и распределения электричества. Эти сложные объекты требуют тщательного планирования, проектирования и реализации, чтобы обеспечить стабильное и эффективное энергоснабжение.

В этой статье мы рассмотрим основы проектирования электрических подстанций, включая различные компоненты, вопросы планировки и экологические факторы.

Критерии планирования подстанций

Максимальный уровень аварий на новой шинной подстанции не может превышать 80% номинальной разрывной способности выключателя.

Буфер 20% предназначен для учета увеличения уровня короткого замыкания по мере развития системы.

Скорость размыкания тока и генерирования тока, а также способности к очистке от отказов коммутационных устройств на различных уровнях напряжения можно рассчитать следующим образом:

Мощность любой отдельной подстанции на различных уровнях напряжения обычно не должна превышать.

Размер и количество соединительных трансформаторов (ICTs) должны быть спланированы таким образом, чтобы отказ любого единичного устройства не перегружал оставшиеся ICTs или основную систему.

Заклинивший выключатель не может прервать более 4 линий питания для системы 220 кВ, две для системы 400 кВ и одну для системы 765 кВ.

Требования к подстанционной системе

Терминология

Надежность: Надежность электросистемы заключается в непрерывной подаче электроэнергии с требуемым напряжением и частотой. Шины, выключатели, трансформаторы, изоляторы и регулирующие устройства влияют на надежность подстанции.

Частота отказов: Это среднегодовая частота отказов.

Время отключения: Время отключения относится к времени, необходимому для ремонта неисправного компонента или переключения на другой источник питания.

Время переключения: Время от начала отключения до восстановления работы через операцию переключения.

Схема переключения: Размещение шин и оборудования учитывает стоимость, гибкость и надежность системы.

Расстояние между фазой и землей: Расстояние между фазой и землей на подстанции составляет 

• Расстояние между проводником и конструкцией. 

• Расстояние между живыми устройствами и конструкциями &

• Расстояние между живым проводником и землей.

Расстояние между фазами: Расстояния между фазами на подстанции составляют 

• Расстояние между живыми проводниками. 

• Расстояние между живыми проводниками и устройствами и 

• Расстояние между живыми контактами в выключателях, изоляторах и т.д.

Расстояние до земли: Это минимальное расстояние от любого места, где человек может стоять, до ближайшей части изолятора, поддерживающего живой проводник, которая не имеет потенциала земли.

Расстояние по секциям: Это минимальное расстояние от любого места, где человек может стоять, до ближайшего неэкранированного живого проводника. Для расчета расстояния по секциям используйте высоту человека с вытянутыми руками и расстояние между фазой и землей.

Безопасное расстояние: Это включает в себя расстояние до земли и межфазное расстояние.

Электростатическое поле подстанции: Заряженные проводники или металлические части создают электростатические поля. В ЭВЧ подстанциях (свыше 400 кВ) электростатические поля изменяются в зависимости от геометрии заряженного проводника/металлической части и соседнего заземленного объекта или земли.

Общее

• Линии передачи, 

• Подстанционные фидеры, 

• Генерирующие цепи, и 

• Трансформаторы повышения и понижения напряжения 

подключаются к подстанциям или коммутационным станциям. 

Подстанции от 66 до 40 кВ называются ЭВЧ. Свыше 500 кВ они называются УВЧ.

Озабоченности и методы проектирования ЭВЧ подстанций схожи, однако некоторые элементы доминируют на различных уровнях напряжения. До 220 кВ переключательные всплески можно игнорировать, но свыше 345 кВ они становятся существенными.

Критерии и исследования проектирования подстанций

Требования к проектированию подстанций будут определены следующими исследованиями.

• Исследования потока нагрузки

• Исследования короткого замыкания

• Исследования переходных процессов устойчивости

• Исследования переходных перенапряжений

Исследования потока нагрузки

• Подстанция обеспечивает надежную передачу электроэнергии к системным нагрузкам. 

• Необходимость пропускной способности нового подстанционного (или) коммутационного оборудования определяется исследованиями потока нагрузки при всех линиях в работе и при выбытии выбранных линий на обслуживание. 

• После оценки нескольких условий потока нагрузки могут быть рассчитаны продолжительные и аварийные характеристики оборудования.

Исследования короткого замыкания

• Помимо непрерывных токовых характеристик, оборудование подстанции должно иметь кратковременные характеристики.

• Они должны быть достаточными, чтобы оборудование могло выдерживать тепловое и механическое воздействие короткого замыкания без повреждений.

• Для обеспечения достаточной прерывной способности в выключателях, прочности в опорных изоляторах и соответствующей настройки защитных реле, которые обнаруживают неисправность.

• Необходимо установить максимальные и минимальные значения короткого замыкания для различных типов и мест короткого замыкания и конфигураций системы.

Исследования переходной устойчивости

• Нормальный механический вход генератора равен электрическому выходу плюс потери генератора.

• Генераторы системы вращаются с частотой 50 Гц, пока это продолжается. Любое возмущение в механическом или электрическом потоке вызывает отклонение скорости генератора от 50 Гц и колебания вокруг новой точки равновесия.

• Частым возмущением является короткое замыкание. Короткие замыкания вблизи генератора снижают напряжение на нижнем выводе и увеличивают скорость машины.

• После устранения ошибки устройство будет подавать избыточную энергию в систему для восстановления ее исходного состояния.

• При сильных электрических связях машина быстро замедляется и стабилизируется. Слабые связи вызывают нестабильность машины.

• Факторы, влияющие на устойчивость, включают:

• Тяжесть неисправности,

• Скорость устранения неисправности,

• Связи между машиной и системой после устранения неисправности.

• Переходная устойчивость подстанции зависит от

• Типа и скорости релейной защиты линий и шин,

• Времени прерывания выключателя и

• Конфигурации шин после устранения неисправности.

• Последний пункт влияет на расположение шин.

• Если неисправность устраняется во время первичного релейного действия, будет затронута только одна линия.

• Заблокированный выключатель может привести к потере нескольких линий во время релейного действия при отказе выключателя, ослабляя связь системы.

Исследования переходных перенапряжений

• Переходные перенапряжения могут быть вызваны молнией или коммутацией цепи.

• Исследования с использованием анализатора переходных процессов (TNA) являются наиболее точным способом определения перенапряжений при коммутации.

Расположение подстанции

Расположение подстанции определяется физическими и электрическими соображениями, включая следующее:

• Безопасность системы

• Гибкость операций

• Простота организации защиты

• Ограничение уровней короткого замыкания

• Средства обслуживания

• Простота расширения

• Факторы местоположения

• Экономика

Безопасность системы

• Идеальные подстанции включают отдельные выключатели для каждой цепи и позволяют заменять шины или выключатели во время обслуживания или при неисправностях.

• Безопасность системы можно определить, допуская 100% зависимость от целостности подстанции или допуская процентное количество простоев из-за периодических неисправностей (или) обслуживания.

• Хотя система с двойной шиной и двойными выключателями является идеальной, это дорогостоящая подстанция.

Гибкость операций

• Контроль загрузки MVA и MVAR при всех условиях соединения цепей необходим для эффективности загрузки генератора.

• Цепи нагрузки должны быть сгруппированы для обеспечения оптимального управления в нормальных и аварийных условиях.

Простые схемы защиты

• Если один выключатель управляет многими цепями или больше выключателей повреждено. Это можно уменьшить за счет секционирования шины.

• Даже если защитная релейная защита проста, однобусовая система жестка для сложной защиты.

Ограничение уровней короткого замыкания

• Подстанция может быть разделена на две части, полностью или через реакторное соединение, чтобы снизить уровни короткого замыкания.

• Правильное использование выключателей в кольцевых системах может предоставить аналогичные возможности.

Средства обслуживания

• Обслуживание требуется во время эксплуатации подстанции, как запланированное, так и аварийное.

• Производительность подстанции во время обслуживания зависит от средств защиты.

Легкое расширение

• Планировка подстанции должна позволять расширение пролетов для новых линий питания.

• По мере совершенствования системы может потребоваться переход от однобусовой схемы к двухбусовой или увеличение сетчатой станции до двухбусовой.

• Будут доступны пространство и средства расширения.

Факторы площадки

• Доступность площадки важна для планирования подстанции. В ограниченных местах может потребоваться строительство станции с меньшей гибкостью.

• Подстанция с меньшим количеством выключателей и более простой схемой занимает меньше места.

Экономика

• Если экономически это целесообразно, можно создать улучшенную схему переключения для технологических требований.

Планировка подстанции и схемы переключения

Планировка подстанции и схемы переключения должны быть тщательно спроектированы на основе IEEE 141 для обеспечения эффективности и безопасности электрической распределительной системы.

• Трансформаторы,

• Выключатели и

• Переключатели

должен выбираться на основе требований к напряжению и нагрузке.

Для максимального использования пространства, облегчения обслуживания и возможности расширения планировка должна быть тщательно продумана. Шины должны эффективно соединять оборудование, а цепи должны улучшать поток мощности и надежность.

Для быстрого обнаружения и изоляции неисправностей необходимы надежные системы защиты и управления. Нормативные стандарты и экологические проблемы определяют проектирование подстанции, чтобы обеспечить безопасность, надежность и соответствие экологическим требованиям.

При проектировании схемы и конфигураций переключения для сверхвысокого напряжения следует учитывать несколько аспектов:

• Она должна быть надежной, безопасной и обеспечивать отличную непрерывность обслуживания.

Типичные схемы шин и защиты подстанций подробно описаны в:

1. Что такое электрическая шина? Типы, преимущества, недостатки &

2. Схемы защиты шин

Различные конфигурации шин предоставляют различные преимущества в отношении резервирования, операционной гибкости и доступности для обслуживания.

Эффективная планировка шин обеспечивает эффективный поток мощности и способствует будущему расширению.

Структуры распределительных устройств

Структуры необходимы для поддержки и установки электрооборудования шин и оконечных кабелей линий передачи.

Структуры могут быть изготовлены из стали, дерева, железобетона или предварительно напряженного бетона. В зависимости от типа грунта им нужны фундаменты.

Подстанции используют металлоконструкции из-за их преимуществ.

Те

• Фазовое расстояние, 

• Расстояние до земли, 

• Изоляторы, 

• Длина шин и 

• Вес оборудования 

влияют на конструктивный дизайн.

• Изгиб, 

• Сжатие фланца, 

• Вертикальная и горизонтальная срезающая нагрузка и 

• Смятие стенки 

необходимо предотвратить разрушение стальных балок и ферм. 

Решетчатые коробчатые фермы должны составлять 1/10 до 1/15 пролета и площади. Обычно прогиб балки не должен превышать 1/250 длины пролета. 

Болты и гайки конструкции должны иметь диаметр 16 мм, за исключением слабонагруженных участков, где они могут быть 12 мм.

Проектная нагрузка на колонны и фермы должна включать 

• Натяжение проводника, 

• Натяжение заземляющего провода, 

• Вес изоляторов и крепежных элементов и 

• Дробную нагрузку (около 350 кг), 

• Вес рабочего и инструмента (200 кг) 

• Ветровую и ударную нагрузку 

во время работы оборудования.

Пролет воздушной линии должен заканчиваться опорными конструкциями подстанции. Он может достигать +15 градусов по вертикали и +30 градусов по горизонтали.

Конструкции двора могут быть окрашены или оцинкованы методом горячего цинкования. 

Конструкции, изготовленные из оцинкованной стали, требуют минимального обслуживания. 

Однако, окрашенные конструкции обеспечивают лучшую коррозионную устойчивость в некоторых крайне загрязненных районах.

Обычно используемые фазовые расстояния следующие:

Дизайн шинопроводов

Для облегчения соединения между множеством компонентов, составляющих подстанцию, шинопроводы представляют собой проводящие полосы, используемые для передачи электроэнергии по всей подстанции.

Электрические потери снижаются, распределение энергии становится более стабильным, а производительность подстанции улучшается, когда шинопроводы правильно спроектированы и размеры выбраны верно.

Подстанция – Системы управления

Автоматизация подстанций оптимизирует работу и эффективность, объединяя системы управления, интеллектуальные устройства и сети связи.

Мониторинг в реальном времени, дистанционное управление, анализ данных и предиктивное обслуживание повышают надежность и сокращают время простоя благодаря автоматизации.

Продвинутые системы управления, такие как SCADA, улучшают автоматизацию подстанций, сбор данных и дистанционное управление.

Автоматизация подстанций использует системы SCADA для централизованного управления и мониторинга.

Системы SCADA собирают данные подстанции для улучшения потока мощности, принятия решений и быстрого устранения неисправностей.

Проектирование подстанций – Протоколы связи

Оборудование подстанций и центры управления нуждаются в эффективных сетях связи для обмена данными и управления.

Архитектура проектирования подстанций требует надежных протоколов связи, таких как IEC 61850, DNP3 или Modbus для обеспечения взаимодействия, целостности данных и кибербезопасности.

Заявление: Уважайте оригинал, хорошие статьи стоят того, чтобы ими делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.