Elektriska understationsdesign: En introduktion

Elektriska understationer utgör viktiga delar av elnätsfördelningen, och fungerar som noder för överföring och distribution av elektricitet. Dessa komplexa anläggningar kräver noggrann planering, design och genomförande för att säkerställa en konstant och effektiv strömförsörjning.

I denna artikel kommer vi att titta på grunderna för design av elektriska understationer, inklusive olika komponenter, layoutfrågor och miljöfaktorer.

Kriterier för planering av understationer

Det maximala felnivån på en ny understationsbuss får inte vara mer än 80% av strömavbrytarens nominella avbrytningskapacitet.

20%-bufferten är avsedd att täcka ökningen av kortslutningsnivåerna med systemets utveckling.

Strömbrytningshastigheten och genereringsströmmen, samt felet rensningskapaciteten hos spänningsomvandlare vid olika spänningsnivåer, kan beräknas som:

Kapaciteten för en enda understation vid olika spänningsnivåer bör i allmänhet inte överskrida.

Storleken och antalet kopplingstransformatorer (ICTs) måste planeras så att ett fel i en enda enhet inte överbelastar de återstående ICTs eller det underliggande systemet.

En fast brytare kan inte avbryta mer än 4 försörjningslinjer för ett 220 kV-system, två för ett 400 kV-system och en för ett 765 kV-system.

Krav på delstationsystem

Terminologi

Tillförlitlighet: Tillförlitligheten i elkraftsystemet är den oavbrutna leveransen av ström vid det krävda spänningen och frekvens. Busbar, brytare, transformatorer, isolatorer och regleringsenheter påverkar tillförlitligheten i anläggningen.

Felhastighet: Det är årlig medelfelhastighet.

Avbrotts tid: Avbrotts tid hänvisar till tiden som krävs för att reparera en defekt komponent eller växla till en annan försörjningskälla.

Växlingstid: Tiden från avbrottets start till serviceåterställning via växlingsoperation.

Växlings schema: Placeringen av busbar och utrustning tar hänsyn till kostnad, flexibilitet och systemets tillförlitlighet.

Fas-till-jord klarhet: Anläggnings fas-till-jord klarhet är 

• Avstånd mellan ledare och konstruktion. 

• Avstånd mellan levande utrustning och konstruktioner &

• Avstånd mellan levande ledare och jorden.

Fas-till-fas klarhet: Anläggnings fas-till-fas klarheter är 

• Avstånd mellan levande ledare. 

• Avstånd mellan levande ledare & apparater och 

• Avstånd mellan levande terminaler i brytare, isolatorer, etc.

Jordklarhet: Det är det minsta avståndet från någon plats där en människa kan behöva stå till närmaste icke-jordpotential del av en isolator som stöder den levande ledaren.

Sektionsklarhet: Det är det minsta avståndet från någon stående plats till närmaste oskyddade levande ledare. Använd höjden på en person med utsträckta händer och fas-till-jord klarheten för att beräkna sektionsklarheten.

Säkerhetsavstånd: Detta inkluderar mark- och sektionsavstånd.

Understations elektrostatiska fält: Energiserade ledare eller metalliska delar skapar elektrostatiska fält. EHV-understationer (över 400 kV) har elektrostatiska fält som varierar beroende på geometrin av den energiserade ledaren/metalliska delen och den intilliggande jordade objektet eller marken.

Generellt

• Förbindelseledningar, 

• Subförbindelseledningar, 

• Genereringskretsar, och 

• Spänningshöjande och spänningssänkande transformer 

ansluter till understationer eller växlingsstationer. 

Understationer från 66 till 40 kV kallas EHV. Över 500 kV kallas de UHV.

Designfrågor och metoder för EHV-understationer är liknande, men vissa element dominerar vid olika spänningsnivåer. Upp till 220 kV kan växlingsflak ignoreras, men över 345 kV är de nödvändiga.

Kriterier och studier för understationsdesign

Kraven för understationsdesign fastställs genom följande studier.

• Belastningsflödesstudier

• Kortslutningsstudier

• Transient stabilitetsstudier

• Transient överspänningstudier

Belastningsflödesstudier

• En understation säkerställer pålitlig strömleverans till systembelastningar. 

• Strömföringsbehoven för den nya understationen (eller) växlingsstationen fastställs genom belastningsflödesstudier när alla linjer är i drift och när utvalda linjer är stängda för underhåll. 

• Efter utvärdering av flera belastningsflödeslägen kan utrustningens kontinuerliga och nödratings beräknas.

Kortslutningsstudier

• Utöver kontinuerliga strömkrav behöver anläggningsutrustning ha korttidsbetyg.

• Dessa måste vara tillräckliga för att möjliggöra att utrustningen kan stå ut kortslutningsströms värme och mekaniska tryck utan skada.

• För att ge tillräcklig avbrottskapacitet i brytare, styrka i stolpinulatorer, och lämplig inställning för skyddsslutare som upptäcker felet.

• Det maximala & minimala kortslutningsströmmen för olika typer och platser för kortslutning och systemkonfigurationer måste fastställas.

Transient Stability Studies

• Normal generator mekanisk inmatning är lika med elektrisk utmatning plus generatorförluster.

• Systemgeneratorerna roterar vid 50 Hz så länge detta fortsätter. Någon störning i den mekaniska eller elektriska flödet orsakar att generatorhastigheten avviker från 50Hz och oscillerar runt ett nytt jämviktsläge.

• En mycket vanlig störning är kortslutning. Kortslutningar nära generatören sänker terminalspänningen och ökar maskinens hastighet.

• Efter att felet har åtgärdats kommer enheten att mata in överflödande energi i elsystemet för att återställa dess ursprungliga tillstånd.

• När elektriska kopplingar är starka decelererar maskinen snabbt och stabiliserar. Svaga kopplingar orsakar maskinstabilitet.

• Faktorer som påverkar stabilitet inkluderar:

• Felets allvarlighet,

• Hastighet för felrensning,

• Kopplingar mellan maskin och system efter felsökning.

• Anläggnings transient stabilitet beror på

• Linje och bussskyddsslutartyp och hastighet,

• Brytaravbrotts tid, och

• Busstillstånd när felet är rensat.

• Sista punkten påverkar busstillstånd.

• Endast en linje kommer att påverkas om felet löses under primärt reläering.

• En blockerad brytare kan orsaka att flera linjer går förlorade under brytarfelreläering, vilket sväger systemkopplingen.

Transient Overvoltage Studies

• Transient överspänning kan resultera från blixt eller kretsswitching.

• Transient Network Analyzer (TNA) studier är den mest exakta metoden för att bestämma switching överspänning.

Anläggningslayout

Anläggningslayouten bestäms av fysiska och elektriska överväganden, inklusive följande:

• Systemets säkerhet

• Operativa flexibilitet

• Lätt skyddshantering

• Begränsning av kortslutningsnivåer

• Underhållsmöjligheter

• Lätt utbyggnad

• Platsfaktorer

• Ekonomi

Systems Security

• Ideala understationer inkluderar separata brytare för varje krets och möjliggör ersättning av busbarer eller brytare under underhåll eller fel.

• Systemets säkerhet kan fastställas genom att tillåta 100% beroende av understations integritet eller tillåta en procentandel av driftstopp på grund av periodiska fel (eller) underhåll.

• Även om ett dubbel busbarsystem med dubbel brytardesign är perfekt, är det ett dyrt understation.

Operativa Flexibilitet 

• Kontroll av MVA och MVAR-belastning under alla kretsanslutningsförhållanden är viktigt för generatorbelastningseffektivitet. 

• Belastningskretsar måste grupperas för att ge optimal kontroll i normala och nödsituationer. 

Enkla Skyddsförordningar

• Om en kretsavbrytare styr många kretsar eller om flera kretsavbrytare är trasiga. Detta kan lindras genom bussektionering. 

• Även om skyddssystemet är enkelt, är ett enda busssystem stramt för komplicerat skydd. 

Begränsning av Kortslutningsnivåer

• En anläggning kan delas in i två delar, antingen helt eller genom reaktoranslutning, för att minska kortslutningsnivåerna. 

• Rätt användning av kretsavbrytare i ringkretsar kan ge en liknande funktion.

Underhållsanläggningar

• Underhåll krävs under drift av anläggningen, antingen planerat (eller) nödsituation. 

• Anläggningsprestandan under underhåll beror på skyddsbestämmelserna.

Lätta Utbyggnadsalternativ

• Anläggningslayouten bör tillåta utbyggnad av bayar för nya matningar. 

• När systemet förbättras kan det vara nödvändigt att byta från en enda busskonfiguration till en dubbel busskonfiguration eller utvidga en nätstation till en dubbel bussstation. 

• Plats och utbyggnadsanläggningar kommer att finnas tillgängliga.

Platsfaktorer

• Tillgänglighet av plats är viktigt för anläggningsplanering. Byggnation av en anläggning med mindre flexibilitet kan vara nödvändig på begränsade platser. 

• En anläggning med färre kretsavbrytare och en enklare schematik upptar mindre plats.

Ekonomi

• Om ekonomin är möjlig, kan en förbättrad växlingsanordning för tekniska krav skapas.

Anläggningslayout och Växlingsanordning

Anläggningslayout och växlingsanordning måste noggrant designas baserat på IEEE 141 för att säkerställa effektivitet och säkerhet i elektriska distributionsystem. 

• Transformatorer, 

• Kretsavbrytare, och 

• Växlar 

måste väljas baserat på spännings- och belastningskrav.

För att maximera utrymmet, underlätta underhåll och tillåta utbyggnad måste layouten noggrant planeras. Bussbarer bör effektivt länka utrustning, och kretsar bör förbättra strömförsörjning och tillförlitlighet.

För snabb felupptäckt och isolering behövs robusta skydd- och styrsystem. Regleringsstandarder och miljöhänsyn bestämmer transformatorstationsdesign för att säkerställa säkerhet, tillförlitlighet och miljökompatibilitet.

Vid design av EHV-layout och växlingskonfigurationer bör flera aspekter beaktas:

• Den bör vara tillförlitlig, säker och säkerställa utmärkt tjänstefortgång.

Typiska bussbarscheman och skydd i transformatorstationer förklaras i detalj i:

1. Vad är elektrisk bussbar? Typer, fördelar, nackdelar&

2. Bussbarskyddsscheman

Olika bussbarerkonfigurationer ger olika fördelar vad gäller redundans, driftflexibilitet och underhållstillgänglighet.

En effektiv bussbarlayout säkerställer en effektiv strömförsörjning och underlättar framtida utbyggnad.

Switchyard Structures

Konstruktioner behövs för att stödja och installera busselektrisk utrustning och avsluta transmissionskablar.

Konstruktioner kan göras av stål, trä, RCC eller PSC. Baserat på sidomark behöver de fundament.

Transformatorstationer använder bearbetade stålkonstruktioner för deras fördelar.

The

• Fasavstånd,

• Markavstånd,

• Isolatorer,

• Busslängd, och

• Utrustningsvikt

påverkar strukturell design.

• Böjning,

• Flenskollaps,

• Vertikal och horisontell skjuvning, och

• Webbkollaps

måste förhindra stålbalks- och bärverksfel.

Gitterboksgirder bör vara 1/10 till 1/15 av spännvidden & kvadrat. Vanligtvis får balkens deflektion inte överstiga 1/250 av spännvidden.

Konstruktionsskruvar och mutterar måste ha en diameter på 16 mm, förutom i lätta belastade delar där de kan vara 12 mm.

Designbelastningen för pelare och girder bör omfatta

• Ledningssträckning,

• Jordledningssträckning,

• Isolator- och monteringsvikt, samt

• Fraktionbelastning (ca 350 kg),

• Arbetarens och verktygets vikt (200 kg)

• Vind- och påverkningsbelastningar

under utrustningsdrift.

Överföringslinjens nedladdningssträcka måste avslutas av anläggningens portkonstruktioner. Den kan gå upp till +15 grader vertikalt och +30 grader horisontellt.

Anläggningskonstruktionerna kan målas eller hetdoppas.

Konstruktioner gjorda med hetdoppat stål kräver minimal underhåll.

Dock ger målade konstruktioner bättre korrosionsbeständighet i vissa extremt förorenade områden.

Vanligtvis använda fasavstånd som:

Spänningsbussdesign

För att underlätta anslutningen mellan de många komponenterna som utgör en ombordställning används spänningsbussar, vilka är ledande stänger som används för att överföra elektrisk energi genom hela ombordställningen.

Elektriska förluster minskas, energifördelningen blir mer konsekvent och prestandan för ombordställningen förbättras när spänningsbussar är korrekt dimensionerade och designade.

Ombordställning – Kontrollsystem

Automatisering av ombordställningar optimiserar drift och effektivitet genom att kombinera kontrollsystem, intelligenta enheter och kommunikationsnätverk.

Real-tidsövervakning, fjärrstyrning, dataanalys och prediktiv underhållshantering förbättrar tillförlitligheten och minskar driftstopp med automatisering.

Avancerade kontrollsystem som SCADA förbättrar automatisering av ombordställningar, datainsamling och fjärrstyrning.

Automatisering av ombordställningar använder SCADA-system för centraliserad styrning och övervakning.

SCADA-system samlar in data från ombordställningarna för att förbättra strömfördelningen, fatta beslut och snabbt lösa fel.

Ombordställningsdesign – Kommunikationsprotokoll

Utrustning i ombordställningar och kontrollcentraler behöver effektiva kommunikationsnätverk för att dela data och styra.

Utformningen av anläggningsarkitektur kräver pålitliga kommunikationsprotokoll som IEC 61850, DNP3 eller Modbus för samverkan, dataintegritet och cybersäkerhet.

Uttryck: Respektera det ursprungliga, godartade artiklar är värda att dela, om det finns upphovsrättsskydd kontakta för radering.