Подстанция является частью системы производства , передачи и распределения электроэнергии . Подстанции преобразуют напряжение из высокого в низкое или наоборот или выполняют любую из нескольких других важных функций. Между генерирующей станцией и потребителем электроэнергия может проходить через несколько подстанций с разными уровнями напряжения. Подстанция может включать в себя трансформаторы для изменения уровней напряжения между высоким напряжением передачи и более низким напряжением распределения или для соединения двух разных напряжений передачи. Они являются общим компонентом инфраструктуры. В США 55 000 подстанций. [2]
Подстанции могут принадлежать и эксплуатироваться электроэнергетической компанией или крупным промышленным или коммерческим потребителем. Как правило, подстанции не обслуживаются, и для дистанционного наблюдения и управления используется SCADA .
Слово « подстанция» пришло из тех дней, когда распределительная система не стала энергосистемой . По мере того, как центральные генерирующие станции становились больше, меньшие электростанции были преобразованы в распределительные станции, получающие электроэнергию от более крупной электростанции вместо использования собственных генераторов. Первые подстанции были подключены только к одной электростанции , где размещались генераторы, и были дочерними предприятиями этой электростанции.
Подстанции можно описать по классу напряжения, их применению в энергосистеме, методу изоляции большинства соединений, а также по стилю и материалам используемых конструкций. Эти категории не разделены; например, для решения конкретной проблемы передающая подстанция может включать в себя важные функции распределения.
Передающая подстанция соединяет две или более линии электропередачи. [3] Самый простой случай – все линии электропередачи имеют одинаковое напряжение. В таких случаях на подстанции имеются высоковольтные выключатели, которые позволяют подключать или изолировать линии для устранения неисправностей или технического обслуживания. Передающая станция может иметь трансформаторы для преобразования между двумя напряжениями передачи, устройства контроля напряжения / коррекции коэффициента мощности , такие как конденсаторы, реакторы или статические компенсаторы реактивной мощности, а также оборудование, такое как фазосдвигающие трансформаторы, для управления потоком мощности между двумя соседними энергосистемами.
Подстанции передачи могут варьироваться от простых до сложных. Небольшая «коммутационная станция» может представлять собой нечто большее, чем автобус плюс несколько автоматических выключателей . Крупнейшие передающие подстанции могут занимать большую территорию (несколько акров/гектаров) с несколькими уровнями напряжения, множеством автоматических выключателей и большим количеством оборудования защиты и управления ( трансформаторы напряжения и тока , реле и системы SCADA ). Современные подстанции могут быть реализованы с использованием международных стандартов, таких как стандарт IEC 61850 .
Распределительная подстанция передает электроэнергию из системы передачи в систему распределения территории. [3] Непосредственное подключение потребителей электроэнергии к основной сети передачи неэкономично, если только они не используют большие объемы мощности, поэтому распределительная станция снижает напряжение до уровня, подходящего для местного распределения.
Входом распределительной подстанции обычно являются как минимум две линии передачи или подстанции. Входное напряжение может составлять, например, 115 кВ или любое другое, распространенное в данной местности. На выходе получается несколько фидеров. Распределительное напряжение обычно среднее, от 2,4 до 33 кВ, в зависимости от размера обслуживаемой территории и практики местной коммунальной компании. Фидеры проходят по улицам над головой (или в некоторых случаях под землей) и питают распределительные трансформаторы в помещениях потребителей или рядом с ними.
Помимо преобразования напряжения, распределительные подстанции также изолируют неисправности в системах передачи или распределения. Распределительные подстанции обычно являются точками регулирования напряжения , хотя на длинных распределительных цепях (протяженностью в несколько миль/километров) оборудование регулирования напряжения также может быть установлено вдоль линии.
В центре крупных городов имеются сложные распределительные подстанции с коммутацией высокого напряжения, а также системами коммутации и резервирования на стороне низкого напряжения. Более типичные распределительные подстанции имеют выключатель, один трансформатор и минимальное оборудование на стороне низкого напряжения.
В проектах распределенной генерации , таких как ветряная электростанция или фотоэлектрическая электростанция , может потребоваться коллекторная подстанция. Он напоминает распределительную подстанцию, хотя поток энергии идет в противоположном направлении: от множества ветряных турбин или инверторов вверх в передающую сеть. Обычно в целях экономии строительства коллекторная система работает при напряжении около 35 кВ, хотя некоторые коллекторные системы имеют напряжение 12 кВ, и коллекторная подстанция повышает напряжение до напряжения передачи для сети. Коллекторная подстанция также может обеспечить коррекцию коэффициента мощности, если это необходимо, учет и управление ветроэлектростанцией. В некоторых особых случаях коллекторная подстанция может также содержать преобразовательную подстанцию высокого напряжения постоянного тока.
Коллекторные подстанции также существуют там, где поблизости расположены несколько тепловых или гидроэлектростанций сопоставимой выходной мощности. Примерами таких подстанций являются Браувайлер в Германии и Градец в Чешской Республике, где электроэнергия собирается с близлежащих электростанций, работающих на буром угле . Если для повышения напряжения до уровня передачи не требуются трансформаторы, подстанция является коммутационной станцией.
Преобразовательные подстанции могут быть связаны с преобразовательными установками постоянного тока , тягового тока или взаимосвязанными асинхронными сетями. Эти станции содержат силовые электронные устройства для изменения частоты тока или преобразования переменного тока в постоянный или наоборот. Раньше ротационные преобразователи меняли частоту, чтобы соединить две системы; в настоящее время такие подстанции встречаются редко.
Коммутационная станция – это подстанция без трансформаторов, работающая только на одном уровне напряжения. Коммутационные станции иногда используются в качестве коллекторных и распределительных станций. Иногда их используют для переключения тока на резервные линии или для распараллеливания цепей в случае отказа. Примером могут служить коммутационные станции ВЛЭП «Инга-Шаба» .
Коммутационная станция также может быть известна как распределительная станция, и они обычно расположены непосредственно рядом с электростанцией или рядом с ней . В этом случае генераторы электростанции подают электроэнергию на двор по шине генератора на одной стороне двора, а линии электропередачи берут энергию от фидерной шины на другой стороне двора.
Важной функцией, выполняемой подстанцией, является коммутация , то есть подключение и отключение линий электропередачи или других компонентов к системе и от нее. События переключения могут быть запланированными или незапланированными. Линию передачи или другой компонент может потребоваться обесточить для технического обслуживания или для нового строительства, например, для добавления или удаления линии передачи или трансформатора. Чтобы поддерживать надежность поставок, компании стремятся поддерживать работоспособность системы во время выполнения технического обслуживания. Вся работа, которую необходимо выполнить, от планового тестирования до добавления совершенно новых подстанций, должна выполняться при сохранении работоспособности всей системы.
Незапланированные события переключения вызваны неисправностью линии передачи или любого другого компонента, например:
Функция коммутационной станции – изолировать неисправный участок системы в кратчайшие сроки. Обесточивание неисправного оборудования защищает его от дальнейшего повреждения, а изоляция неисправности помогает поддерживать стабильную работу остальной части электрической сети. [5]
На электрифицированных железных дорогах также используются подстанции, часто распределительные. В некоторых случаях происходит преобразование типа тока, обычно с помощью выпрямителей для поездов постоянного тока (DC) или вращающихся преобразователей для поездов, использующих переменный ток (AC) на частотах, отличных от частоты сети общего пользования. Иногда это также передающие подстанции или коллекторные подстанции, если железнодорожная сеть также имеет собственную сеть и генераторы для снабжения других станций.
Мобильная подстанция — это подстанция на колесах, содержащая трансформатор, выключатели и шинопровод, установленный на автономном полуприцепе , предназначенном для перевозки грузовым автомобилем . Они спроектированы так, чтобы быть компактными для передвижения по дорогам общего пользования и использоваться в качестве временного запасного варианта во время стихийного бедствия или войны . Мобильные подстанции обычно имеют гораздо более низкий рейтинг, чем постоянные установки, и могут быть построены в виде нескольких блоков, чтобы удовлетворить ограничения на передвижение по дорогам. [6]
.jpg/1280px-Le%C5%9Bna,_Elektrownia_wodna_Le%C5%9Bna_-_fotopolska.eu_(129510).jpg)
Подстанции обычно имеют коммутационное оборудование, оборудование защиты и управления, а также трансформаторы. На крупных подстанциях автоматические выключатели используются для прерывания любых коротких замыканий или токов перегрузки, которые могут возникнуть в сети. Небольшие распределительные станции могут использовать автоматические выключатели или предохранители с повторным включением для защиты распределительных цепей. Сами подстанции обычно не имеют генераторов, хотя электростанция может иметь подстанцию поблизости. Другие устройства, такие как конденсаторы , регуляторы напряжения и реакторы , также могут быть расположены на подстанции.
Подстанции могут располагаться на поверхности в огороженных ограждениях, под землей или в специальных зданиях. Высотные здания могут иметь несколько внутренних подстанций. Внутренние подстанции обычно располагаются в городских районах для снижения шума трансформаторов, улучшения внешнего вида или защиты распределительных устройств от экстремальных климатических условий или загрязнения.
Должна быть спроектирована система заземления . Общий рост потенциала земли и градиенты потенциала во время неисправности (называемые потенциалами прикосновения и шага ) [7] должны быть рассчитаны для защиты прохожих во время короткого замыкания в системе передачи. Замыкания на землю на подстанции могут вызвать повышение потенциала земли. Токи, протекающие по поверхности Земли во время замыкания, могут привести к тому, что металлические объекты будут иметь напряжение, значительно отличающееся от напряжения земли под ногами человека; этот потенциал прикосновения представляет опасность поражения электрическим током. Если подстанция имеет металлическое ограждение, оно должно быть надлежащим образом заземлено, чтобы защитить людей от этой опасности.
Главные вопросы, стоящие перед энергетиком, — надежность и стоимость. Хорошая конструкция пытается найти баланс между ними для достижения надежности без чрезмерных затрат. Проект также должен позволять расширение станции. [8]
Выбор места подстанции должен учитывать множество факторов. Требуется достаточная земельная площадь для установки оборудования с необходимыми зазорами для электробезопасности, а также для доступа для обслуживания крупного оборудования, такого как трансформаторы.
Там, где земля стоит дорого, например, в городских районах, распределительное устройство с элегазовой изоляцией может в целом сэкономить деньги. Подстанциям, расположенным в прибрежных районах, пострадавших от наводнений и тропических штормов, часто может потребоваться возведение надземной конструкции, чтобы оборудование было чувствительным к скачкам напряжения и устойчиво к этим элементам. [9] На объекте должно быть место для расширения в связи с ростом нагрузки или запланированным расширением линий электропередачи. Необходимо учитывать воздействие подстанции на окружающую среду, например, дренаж , шум и воздействие дорожного движения.
Место подстанции должно находиться в центре обслуживаемой распределительной зоны. Место должно быть защищено от проникновения прохожих, как для защиты людей от поражения электрическим током или дуговых разрядов, так и для защиты электрической системы от неправильной работы из-за вандализма.
Если подстанции не принадлежат и не управляются коммунальной компанией, подстанции обычно арендуются на условиях долгосрочной аренды , например возобновляемой 99-летней аренды, что дает коммунальной компании гарантию владения . [10]
Первым шагом при планировании компоновки подстанции является подготовка однолинейной схемы , на которой в упрощенной форме показаны необходимые устройства коммутации и защиты, а также входящие линии питания и отходящие фидеры или линии передачи. Во многих электроэнергетических компаниях обычной практикой является подготовка однолинейных схем с основными элементами (линиями, выключателями, автоматическими выключателями, трансформаторами), расположенными на странице аналогично тому, как оборудование будет расположено на реальной станции. [3]
В обычной конструкции входящие линии имеют разъединитель и автоматический выключатель . В некоторых случаях на линиях не будет ни того, ни другого, и все, что считается необходимым, — это выключатель или автоматический выключатель. Разъединитель используется для обеспечения изоляции, поскольку он не может прерывать ток нагрузки. Автоматический выключатель используется в качестве защитного устройства для автоматического прерывания токов повреждения и может использоваться для включения и выключения нагрузки или для отключения линии, когда мощность течет в «неправильном» направлении. Когда через автоматический выключатель протекает большой ток повреждения, это обнаруживается с помощью трансформаторов тока . Величина выходного сигнала трансформатора тока может использоваться для отключения автоматического выключателя, что приводит к отключению нагрузки, питаемой автоматическим выключателем от точки питания. Это делается для того, чтобы изолировать точку отказа от остальной системы и позволить остальной части системы продолжать работу с минимальным воздействием. И выключателями, и автоматическими выключателями можно управлять локально (внутри подстанции) или дистанционно из центра диспетчерского управления.
В воздушных линиях электропередачи распространение молний и коммутационных перенапряжений может привести к нарушению изоляции оборудования подстанции. Ограничители перенапряжения на входе линии используются для соответствующей защиты оборудования подстанции. Исследования по координации изоляции проводятся широко, чтобы гарантировать, что отказ оборудования (и связанные с ним простои ) будут минимальными.
Пройдя коммутационные компоненты, линии заданного напряжения подключаются к одной или нескольким шинам . Это наборы шин , обычно кратные трем, поскольку трехфазное распределение электроэнергии в значительной степени универсально во всем мире.
Расположение используемых выключателей, автоматических выключателей и шин влияет на стоимость и надежность подстанции. Для важных подстанций можно использовать кольцевую шину, двойную шину или так называемую схему «полтора выключателя», чтобы выход из строя любого выключателя не прерывал подачу электроэнергии в другие цепи и чтобы части подстанции могли быть обесточенным для проведения технического обслуживания и ремонта. Подстанции, питающие только одну промышленную нагрузку, могут иметь минимальные возможности переключения, особенно для небольших установок. [8]
После установки шин для различных уровней напряжения трансформаторы можно подключать между уровнями напряжения. Они снова будут иметь автоматический выключатель, как и линии электропередачи, на случай неисправности трансформатора (обычно называемого «коротким замыканием»).
Наряду с этим на подстанции всегда имеется схема управления, необходимая для подачи команды на размыкание различных автоматических выключателей в случае выхода из строя какого-либо компонента.
Первые электрические подстанции требовали ручного переключения или настройки оборудования, а также ручного сбора данных о нагрузке, потреблении энергии и аномальных событиях. По мере роста сложности распределительных сетей возникла экономическая необходимость автоматизировать надзор и управление подстанциями из централизованно обслуживаемой точки, чтобы обеспечить общую координацию в случае чрезвычайных ситуаций и снизить эксплуатационные расходы. В ранних попытках дистанционного управления подстанциями использовались выделенные провода связи, часто проходящие рядом с силовыми цепями. Несущая линия электропередачи , микроволновая радиосвязь , оптоволоконные кабели, а также выделенные проводные цепи дистанционного управления были применены в системе диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) на подстанциях. Развитие микропроцессора привело к экспоненциальному увеличению количества точек, которыми можно было экономично управлять и контролировать. Сегодня стандартизированные протоколы связи, такие как DNP3 , IEC 61850 и Modbus , и это лишь некоторые из них, используются, чтобы позволить множеству интеллектуальных электронных устройств взаимодействовать друг с другом и центрами диспетчерского управления. Распределенное автоматическое управление на подстанциях является одним из элементов так называемой интеллектуальной сети .
Выключатели, автоматические выключатели, трансформаторы и другое оборудование могут быть соединены между собой с помощью неизолированных проводов с воздушной изоляцией, натянутых на опорные конструкции. Требуемое воздушное пространство увеличивается с ростом напряжения системы и номинального напряжения грозового перенапряжения. На распределительных подстанциях среднего напряжения можно использовать распределительные устройства в металлическом корпусе и вообще не подвергать провода под напряжением воздействию окружающей среды. При более высоких напряжениях распределительное устройство с элегазовой изоляцией на подстанции с элегазовой изоляцией (КРУЭ) уменьшает необходимое пространство вокруг шин под напряжением. Вместо оголенных проводников шины и устройства, такие как распределительные устройства, встроены в трубчатые контейнеры под давлением, заполненные гексафторидом серы (SF 6 ) или альтернативным газом. Этот газ имеет более высокую изоляционную способность, чем воздух, что позволяет уменьшить размеры устройства. Помимо воздуха или газа SF 6 , в аппаратах будут использоваться другие изоляционные материалы, такие как трансформаторное масло , бумага, фарфор и полимерные изоляторы.
Наружные надземные конструкции подстанции включают деревянные опоры, решетчатые металлические башни и трубчатые металлические конструкции, хотя доступны и другие варианты. Там, где места много и внешний вид станции не имеет значения, стальные решетчатые башни обеспечивают недорогую опору для линий электропередачи и оборудования. Низкопрофильные подстанции могут устанавливаться в пригородных районах, где внешний вид более важен. Закрытые подстанции могут быть подстанциями с элегазовой изоляцией (КРУЭ) (при высоких напряжениях, с распределительными устройствами с элегазовой изоляцией) или использовать распределительные устройства в металлическом корпусе или в металлической оболочке при более низких напряжениях. Городские и пригородные закрытые подстанции могут быть отделаны снаружи так, чтобы они гармонировали с другими зданиями на территории.
Компактная подстанция, как правило, представляет собой уличную подстанцию, построенную в металлическом корпусе, в которой каждый элемент электрооборудования расположен очень близко друг к другу, что позволяет создать относительно меньшую занимаемую площадь подстанции.
RMS де Оливейра и CLSS Собриньо (2009). «Вычислительная среда для моделирования ударов молнии на силовой подстанции методом конечных разностей во временной области». Транзакции IEEE по электромагнитной совместимости . 51 (4): 995–1000. дои : 10.1109/TEMC.2009.2028879.
