Проектування електропідстанцій: Вступ

Електричні підстанції становлять важливі частини мережі розподілу електроенергії, функціонуючи як вузли для передачі та розподілу електроенергії. Ці складні об'єкти потребують докладного планування, проектування та реалізації, щоб забезпечити постійне та ефективне надходження електроенергії.

У цьому дописі ми розглянемо основи проектування електричних підстанцій, включаючи різні компоненти, питання розташування та екологічні фактори.

Критерії планування підстанції

Максимальний рівень аварії на новій шині підстанції не може перевищувати 80% номінальної здатності преривання автоматичного вимикача.

Запас 20% призначений для врахування зростання рівнів коротких замикань з розвитком системи.

Швидкість переривання струму та генерація струму, а також здатність до видалення аварійного стану у комутаційному обладнанні на різних напругах можуть бути розраховані таким чином:

Місткість будь-якої окремої підстанції на різних напругах загалом не повинна перевищувати.

Розмір та кількість з'єднуючих трансформаторів (ICTs) повинні бути заплановані так, щоб випадок виходу з ладу будь-якого окремого агрегату не перенавантажував залишок ICTs або підприготувану систему.

Залишений у відкритому положенні преривач не може перервати більше 4 фідерів для системи 220 кВ, двох для системи 400 кВ і одного для системи 765 кВ.

Вимоги до системи підстанції

Термінологія

Надійність: Надійність електроенергетичної системи полягає у безперервному забезпеченні електроенергією з необхідною напругою та частотою. Шинопроводи, комутатори, трансформатори, відокремлювачі та регулювальні пристрої впливають на надійність підстанції.

Частота відмов: Це середня річна кількість відмов.

Час відмови: Час відмови — це час, необхідний для виправлення непрацездатного компонента або переходу на інший джерело живлення.

Час переключення: Час від початку відмови до відновлення послуг через операцію переключення.

Схема переключення: Розташування шинопроводів та обладнання враховує вартість, гнучкість та надійність системи.

Кліранс фаза-земля: Кліранс фаза-земля підстанції є 

• Відстань між провідником та конструкцією. 

• Відстань між живим обладнанням та конструкціями &

• Відстань між живим провідником та землею.

Кліранс фаза-фаза: Клірани фаза-фаза підстанції є 

• Відстань між живими провідниками. 

• Відстань між живими провідниками та апаратурами &

• Відстань між живими контактами в комутаторах, відокремлювачах тощо.

Кліранс земля: Це мінімальна відстань від будь-якого місця, де людині може знадобитися стояти, до найближчої частини ізолятора, який підтримує живий провідник, яка не має потенціалу землі.

Секційний кліранс: Це мінімальна відстань від будь-якого місця, де людина стоїть, до найближчого неекранированого живого провідника. Для розрахунку секційного клірансу врахуйте висоту людини з розкинутими руками та кліранс фаза-земля.

Безпецька відстань: Це включає відстань до землі та роздільну відстань.

Електростатичне поле підстанції: Заводжені провідники або металеві частини створюють електростатичні поля. Підстанції ЕВН (понад 400 кВ) мають електростатичні поля, які змінюються в залежності від геометрії заводженого провідника/металевої частини та сусіднього заземленого об'єкта або поверхні землі.

Загальне

• Лінії передачі, 

• Підпровідні лінії, 

• Генеруючі кола, і 

• Трансформатори підвищення та пониження напруги 

з'єднуються з підстанціями або комутаційними станціями. 

Підстанції від 66 до 40 кВ називаються ЕВН. Вище 500 кВ, вони є УВН.

Особливості та методи проектування підстанцій ЕВН подібні, проте деякі елементи домінують на різних рівнях напруги. До 220 кВ, перехідні перепади можна ігнорувати, але понад 345 кВ, вони є важливими.

Критерії проектування підстанцій та дослідження

Вимоги до проектування підстанцій будуть визначені наступними дослідженнями.

• Дослідження потоку навантаження

• Дослідження коротких замикань

• Дослідження транзитивної стабільності

• Дослідження транзитивних наднапруг

Дослідження потоку навантаження

• Підстанція забезпечує надійну передачу електроенергії до системних навантажень. 

• Поточні потреби нової підстанції (або) комутаційної станції визначаються дослідженнями потоку навантаження, коли всі лінії працюють, а також коли вибрані лінії вийняті для обслуговування. 

• Після оцінки різних умов потоку навантаження, можна розрахувати номінальні та аварійні характеристики обладнання.

Дослідження коротких замикань

• Окрім неперервних струмових характеристик, обладнання підстанції повинно мати короткочасні характеристики.

• Ці характеристики мають бути достатніми, щоб обладнання могло витримати тепловий і механічний тиск короткозамкнутого струму без пошкоджень.

• Для забезпечення достатньої здатності переривання у вимикачах, міцності у стойкових ізоляторах та правильного налаштування захисних реле, які виявляють аварію.

• Необхідно встановити максимальні та мінімальні короткозамкнуті струми для різних типів та місць короткого замикання та конфігурацій системи.

Дослідження трансієнтної стабільності

• Зазвичай механічне входження генератора дорівнює електричному виходу, додаючи втрати генератора.

• Генератори системи обертаються з частотою 50 Гц, поки це триває. Будь-яка зміна в механічному або електричному потоці призводить до того, що швидкість генератора відхиляється від 50 Гц і коливається навколо нової точки рівноваги.

• Дуже поширена причина — коротке замикання. Короткі замикання поруч з генератором знижують напругу на нижній клемі та прискорюють машину.

• Після виправлення помилки пристрій буде подавати надлишкову енергію в електроенергетичну систему, щоб повернути її до початкового стану.

• Коли електричні зв'язки сильні, машина швидко сповільнюється і стабілізується. Слабкі зв'язки призведуть до нестабільності машини.

• Фактори, що впливають на стабільність, включають:

• Серйозність аварії,

• Швидкість ліквідації аварії,

• Зв'язки між машинами та системою після ліквідації аварії.

• Трансієнтна стабільність підстанції залежить від

• Типу та швидкості релейної захисти ліній та шин,

• Часу переривання вимикачем, та

• Конфігурації шин після ліквідації аварії.

• Останній пункт впливає на розташування шин.

• Якщо аварія буде ліквідована під час первинного релейного захисту, буде вплинуто лише на одну лінію.

• Заблокований вимикач може призвести до втрати кількох ліній під час релейного захисту від відмови вимикача, що послаблює зв'язок системи.

Дослідження трансієнтних перевищень напруги

• Трансієнтні перевищення напруги можуть виникнути через блискавку або комутацію цепів.

• Дослідження за допомогою трансієнтного мережевого аналізатора (TNA) є найбільш точним способом визначення перевищень напруги при комутації.

Розташування підстанції

Розташування підстанції визначається фізичними та електричними розглядами, включаючи наступне:

• Безпека систем

• Гнучкість операцій

• Прості системи захисту

• Обмеження рівнів короткозамкнутого струму

• Можливості обслуговування

• Простота розширення

• Фактори місця

• Економія

Безпека систем

• Ідеальні підстанції включають окремі вимикачі для кожного контуру та дозволяють заміну шин або вимикачів під час обслуговування або аварій.

• Безпека системи може бути визначена, дозволяючи 100% залежність від цілісності підстанції або дозволяючи відсоток простої через періодичні аварії (або) обслуговування.

• Хоча система з подвійними шинами і подвійними вимикачами є ідеальною, це дорога підстанція.

Гнучкість операцій

• Керування завантаженням MVA і MVAR у всіх умовах з'єднання цепей є важливим для ефективності завантаження генератора.

• Цепи завантаження повинні бути об'єднані для забезпечення оптимального керування в нормальних та надзвичайних ситуаціях.

Прості системи захисту

• Якщо один комутатор керує багатьма цепями або більше комутаторів зламано, це можна знищити за допомогою розділення шин.

• Навіть якщо захисне реле просте, одинарна система шин жорстка для складного захисту.

Обмеження рівнів коротких замикань

• Підстанцію можна розділити на дві частини, повністю або через з'єднання реактором, для зменшення рівнів коротких замикань.

• Правильне використання комутаторів у кільцевих системах може надати подібну можливість.

Засоби обслуговування

• Обслуговування необхідно під час роботи підстанції, плановане (або) надзвичайне.

• Ефективність роботи підстанції під час обслуговування залежить від заходів захисту.

Просте розширення

• Макет підстанції має дозволяти розширення секцій для нових ліній живлення.

• З покращенням системи може стати необхідним перехід від одинарної системи шин до подвійної системи шин або розширення сіткової станції до подвійної системи шин.

• Будуть доступні простір та засоби розширення.

Фактори місця

• Доступність місця є важливою для планування підстанції. В обмежених місцях може бути необхідно будувати станцію з меншою гнучкістю.

• Підстанція з меншим числом комутаторів та простішою схемою займає менше місця.

Економіка

• Якщо економічно це можливо, можна створити покращену систему комутації для технологічних потреб.

Макет підстанції та системи комутації

Макет підстанції та система комутації повинні бути тщательно спроектовані на основі IEEE 141 для забезпечення ефективності та безпеки електричної системи розподілу.

• Трансформатори,

• Комутатори та

• Виплями

має бути вибрано залежно від напруги та вимог до навантаження.

Для максимальної економії простору, спрощення обслуговування та можливості розширення планування макету має бути детальним. Шинопроводи повинні ефективно з'єднувати обладнання, а електричні кола — покращувати потік енергії та надійність.

Для швидкого виявлення і відокремлення несправностей необхідні стійкі системи захисту та керування. Нормативні стандарти та екологічні питання визначають проект підстанції, щоб забезпечити безпеку, надійність та екологічну відповідність.

При проектуванні компоновки ЕВН та конфігурацій комутації слід врахувати кілька аспектів:

• Вона має бути надійною, безпечним і гарантувати високу континуальність послуг.

Типові схеми шинопроводів підстанцій та захист пояснюється як детально у:

1. Що таке електричний шинопровід? Типи, переваги, недоліки &

2. Схеми захисту шинопроводів

Різні конфігурації шинопроводів надають різні переваги в плані надлишковості, гнучкості управління та доступності для обслуговування.

Ефективна компоновка шинопроводів забезпечує ефективний потік енергії та сприяє майбутньому розширенню.

Конструкції перехідних парків

Конструкції потрібні для підтримки та встановлення електричного обладнання шинопроводів та завершення кабелів ліній передачі.

Конструкції можуть бути зроблені з сталі, деревини, ЖБК або ЖБК. В залежності від грунту, їм потрібні фундаменти.

Підстанції використовують змонтовані сталеві конструкції через їх переваги.

Те

• Фазовий прогін, 

• Заземлення, 

• Ізолятори, 

• Довжина шини, і 

• Вага обладнання 

впливають на конструктивний проект.

• Згинальні навантаження, 

• Згинання фланця, 

• Вертикальні та горизонтальні зсувні навантаження, і 

• Злам плоскості стільника 

мають запобігати відмові сталевих балок та ригелів. 

Решітчасті коробкові ригелі повинні становити 1/10 до 1/15 проліту і квадрату. Зазвичай, прогин балки не може перевищувати 1/250 довжини проліту. 

Болти та гайки конструкції повинні мати діаметр 16 мм, за винятком легковантажних секцій, де вони можуть бути 12 мм.

Конструктивне навантаження для стовпів та ригелів має включати 

• Напруженість проводника, 

• Напруженість заземлюючого проводу, 

• Вагу ізоляторів та фурнітури, і 

• Часткове навантаження (близько 350 кг), 

• Вагу працівника та інструментів (200 кг) 

• Навантаження від вітру та ударів 

під час роботи обладнання.

Проліт надземної лінії повинен завершуватися конструкціями підстанції. Він може схилитися вертикально до +15 градусів і горизонтально до +30 градусів.

Конструкції двора можна фарбувати або гаряче цинкувати. 

Конструкції, виготовлені з цинкованими сталями, потребують мінімального обслуговування. 

Однак, фарбовані конструкції забезпечують кращу стійкість до корозії в деяких екстремально забруднених районах.

Зазвичай використовуються фазові відступи як:

Дизайн шинопроводу

Щоб спростити з'єднання між багатьма компонентами, що складають підстанцію, шинопроводи — це провідні стрижні, які використовуються для передачі електричної енергії по всій підстанції.

Електричні втрати зменшуються, розподіл енергії стає більш стабільним, а продуктивність підстанції покращується, коли шинопроводи правильно проектуються та розмірюються.

Підстанція – Системи керування

Автоматизація підстанції оптимізує роботу та ефективність, об'єднуючи системи керування, інтелектуальні пристрої та мережі зв'язку.

Моніторинг у реальному часі, дистанційне керування, аналіз даних та прогнозування обслуговування покращують надійність та зменшують простої завдяки автоматизації.

Сучасні системи керування, такі як SCADA, покращують автоматизацію підстанції, збирання даних та дистанційне керування.

Автоматизація підстанції використовує системи SCADA для централізованого керування та моніторингу.

Системи SCADA збирають дані підстанції, щоб поліпшити потік енергії, приймати рішення та швидко вирішувати аварії.

Дизайн підстанції – Протоколи зв'язку

Обладнання підстанції та центри керування потребують ефективних мереж зв'язку для обміну даними та керування.

Архітектура проектування підстанції вимагає надійних протоколів зв'язку, таких як IEC 61850, DNP3 або Modbus для взаємодії, цілісності даних та кібербезпеки.

Заява: Поважайте оригінал, якісні статті варті поширення, якщо є порушення авторських прав, зверніться для видалення.