Подстанция является частью системы генерации , передачи и распределения электроэнергии . Подстанции преобразуют напряжение с высокого на 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 трансформаторы для изменения уровней напряжения между высокими напряжениями передачи и низкими напряжениями распределения или при соединении двух разных напряжений передачи. Они являются обычным компонентом инфраструктуры. В Соединенных Штатах насчитывается 55 000 подстанций. [2]
Подстанции могут принадлежать и эксплуатироваться электросетевой компанией или крупным промышленным или коммерческим клиентом. Обычно подстанции не обслуживаются, полагаясь на SCADA для удаленного контроля и управления.
Слово «подстанция» появилось во времена, когда распределительная система еще не стала сетью . По мере того, как центральные генерирующие станции становились больше, более мелкие генерирующие станции были преобразованы в распределительные станции, получая электроснабжение от более крупной станции вместо использования собственных генераторов. Первые подстанции были подключены только к одной электростанции , где размещались генераторы, и были дочерними предприятиями этой электростанции.
Подстанции могут быть спроектированы и построены подрядчиком или , в качестве альтернативы, все этапы ее разработки могут быть выполнены электросетевой компанией . Чаще всего коммунальная компания занимается проектированием и закупками, нанимая подрядчика для фактического строительства. [3] Основные ограничения по проектированию для строительства подстанций включают доступность и стоимость земли, ограничения по срокам строительства, транспортные ограничения и необходимость быстрого запуска подстанции. [4] Предварительное изготовление является распространенным способом снижения стоимости строительства. [5] Для подключения новой подстанции может потребоваться частичное отключение другой подстанции, но коммунальная компания часто старается минимизировать время простоя. [6]
Подстанции обычно служат как минимум одной из следующих целей: [7]
Подстанция передачи соединяет две или более линий передачи. [10] Самый простой случай — когда все линии передачи имеют одинаковое напряжение. В таких случаях подстанция содержит высоковольтные переключатели, которые позволяют соединять или изолировать линии для устранения неисправностей или обслуживания. Подстанция передачи может иметь трансформаторы для преобразования между двумя напряжениями передачи, устройства управления напряжением / 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 быть от простых до сложных. Небольшая «коммутационная станция» может быть немного больше, чем шина плюс несколько автоматических выключателей . Крупнейшие подстанции передачи могут охватывать большую площадь (несколько акров/гектаров) с несколькими уровнями напряжения, множеством автоматических выключателей и большим количеством защитного и контрольного оборудования ( трансформаторы напряжения и тока , реле и системы SCADA ). Современные подстанции могут быть реализованы с использованием международных стандартов, таких как стандарт МЭК 61850 .
Распределительная подстанция передает электроэнергию из системы передачи в распределительную систему района. [10] Невыгодно напрямую подключать потребителей электроэнергии к основной сети передачи, если только они не потребляют большие объемы электроэнергии, поэтому распределительная подстанция снижает напряжение до уровня, подходящего для местного распределения.
Вход для распределительной подстанции обычно представляет собой как минимум две линии передачи или сублинии передачи. Входное напряжение может быть, например, 115 кВ или любым другим, распространенным в данной области. Выход представляет собой ряд фидеров. Распределительные напряжения обычно имеют среднее напряжение, от 2,4 кВ до 33 кВ, в зависимости от размера обслуживаемой области и практики местной коммунальной службы. Фидеры проходят вдоль улиц над землей (или под землей, в некоторых случаях) и питают распределительные трансформаторы в помещениях клиентов 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 (несколько миль/километров) оборудование для регулирования напряжения может также устанавливаться вдоль линии.
В центре крупных городов имеются сложные распределительные подстанции с высоковольтным переключением и системами переключения и резервирования на стороне низкого напряжения. Более типичные распределительные подстанции имеют переключатель, один трансформатор и минимальные объекты на стороне низкого напряжения.
В проектах распределенной генерации, таких как ветряная электростанция или фотоэлектрическая электростанция , может потребоваться коллекторная подстанция. Она напоминает распределительную подстанцию, хотя поток мощности идет в противоположном направлении, от многих ветряных турбин или инверторов вверх в передающую сеть. Обычно для экономии строительства коллекторная система работает около 35 кВ, хотя некоторые коллекторные системы имеют 12 кВ, а коллекторная подстанция повышает напряжение до напряжения передачи для сети. Коллекторная подстанция также может обеспечивать коррекцию коэффициента мощности , если это необходимо, измерение и управление ветряной электростанцией. В некоторых особых случаях коллекторная подстанция может также содержать преобразовательную станцию HVDC.
Коллекторные подстанции также существуют там, где поблизости находятся несколько тепловых или гидроэлектростанций сопоставимой выходной мощности. Примерами таких подстанций являются Brauweiler в Германии и Hradec в Чехии, где электроэнергия собирается с близлежащих электростанций, работающих на буром угле . Если для повышения напряжения до уровня передачи не требуются трансформаторы, то подстанция является коммутационной станцией.
Преобразовательные подстанции могут быть связаны с преобразовательными установками HVDC , тяговым током или взаимосвязанными несинхронными сетями. Эти станции содержат силовые электронные устройства для изменения частоты тока или преобразования переменного тока в постоянный или наоборот. Раньше вращающиеся преобразователи изменяли частоту для соединения двух систем; в настоящее время такие подстанции редки.
Коммутационная станция — это подстанция без трансформаторов, работающая только на одном уровне напряжения. Коммутационные станции иногда используются как коллекторные и распределительные станции. Иногда они используются для переключения тока на резервные линии или для параллельного включения цепей в случае отказа. Примером могут служить коммутационные станции линии электропередачи постоянного тока Инга–Шаба .
Коммутационная станция также может быть известна как распределительное устройство, и они обычно располагаются непосредственно рядом или вблизи электростанции . В этом случае генераторы с электростанции подают свою мощность на двор на шину генератора на одной стороне двора, а линии электропередачи берут свою мощность с фидерной шины на другой стороне двора.
Важной функцией, выполняемой подстанцией, является переключение , то есть подключение и отключение линий электропередачи или других компонентов к системе и от нее. События переключения могут быть запланированными или незапланированными. Линия электропередачи или другой компонент может нуждаться в отключении питания для технического обслуживания или для нового строительства, например, добавления или удаления линии электропередачи или трансформатора. Для поддержания надежности поставок компании стремятся поддерживать систему в рабочем состоянии во время проведения технического обслуживания. Все работы, которые необходимо выполнить, от планового тестирования до добавления совершенно новых подстанций, должны выполняться при поддержании работы всей системы.
Незапланированные переключения происходят из-за неисправности линии электропередачи или любого другого компонента, например:
Функция коммутационной станции заключается в изоляции неисправной части системы в кратчайшие сроки. Отключение неисправного оборудования защищает его от дальнейшего повреждения, а изоляция неисправности помогает поддерживать стабильную работу остальной части электросети. [12]
Электрифицированные железные дороги также используют подстанции, часто распределительные подстанции. В некоторых случаях происходит преобразование тока, обычно с помощью выпрямителей для поездов постоянного тока (DC) или вращающихся преобразователей для поездов, использующих переменный ток (AC) на частотах, отличных от частот общественной сети. Иногда они также являются передающими подстанциями или коллекторными подстанциями, если железнодорожная сеть также использует свою собственную сеть и генераторы для питания других станций.
Мобильная подстанция — это подстанция на колесах, содержащая трансформатор, выключатели и шинопровод, установленный на автономном полуприцепе , предназначенном для перевозки грузовиком . Они спроектированы так, чтобы быть компактными для перемещения по дорогам общего пользования, и используются в качестве временного резерва во время стихийных бедствий или войны . Мобильные подстанции обычно имеют гораздо более низкие номинальные характеристики, чем постоянные установки, и могут быть построены в виде нескольких блоков для соответствия ограничениям дорожного движения. [13]
.jpg/1280px-Le%C5%9Bna,_Elektrownia_wodna_Le%C5%9Bna_-_fotopolska.eu_(129510).jpg)
Проектирование подстанции направлено на минимизацию затрат при обеспечении доступности и надежности электроэнергии, а также на возможность внесения изменений в подстанцию в будущем. [14]
Подстанции могут быть построены на открытом воздухе, в помещении или под землей, или в комбинации этих мест. [15] [16]
Выбор места расположения подстанции должен учитывать множество факторов. Для установки оборудования требуется достаточная площадь земли с необходимыми зазорами для электробезопасности и для доступа к обслуживанию крупных аппаратов, таких как трансформаторы. На площадке должно быть место для расширения из-за роста нагрузки или планируемых дополнительных линий передачи. Необходимо учитывать воздействие подстанции на окружающую среду, например, дренаж , шум и воздействие дорожного движения.
Место расположения подстанции должно быть разумно расположено в центре обслуживаемой распределительной зоны. Место должно быть защищено от проникновения прохожих, как для защиты людей от поражения электрическим током или дугами, так и для защиты электрической системы от неправильной работы из-за вандализма.
Если подстанции не принадлежат коммунальной компании и не эксплуатируются ею, они, как правило, арендуются на условиях долгосрочной аренды , например, возобновляемой аренды сроком на 99 лет, что дает коммунальной компании гарантию права собственности . [17]
Первым шагом в планировании подстанции является подготовка однолинейной схемы , которая в упрощенной форме показывает требуемые коммутационные и защитные схемы, а также входящие линии питания и исходящие фидеры или линии передачи. Это обычная практика для многих электросетей - подготовка однолинейных схем с основными элементами (линиями, переключателями, автоматическими выключателями, трансформаторами), расположенными на странице аналогично тому, как будет располагаться аппаратура на реальной станции. [10]
В общей конструкции входящие линии имеют разъединитель и автоматический выключатель . В некоторых случаях линии не имеют ни того, ни другого, и либо выключатель, либо автоматический выключатель являются всем, что считается необходимым. Разъединитель используется для обеспечения изоляции, поскольку он не может прерывать ток нагрузки. Автоматический выключатель используется в качестве защитного устройства для автоматического прерывания токов короткого замыкания и может использоваться для включения и выключения нагрузок или для отключения линии, когда мощность течет в «неправильном» направлении. Когда через автоматический выключатель протекает большой ток короткого замыкания, это обнаруживается с помощью трансформаторов тока . Величина выходов трансформатора тока может использоваться для отключения автоматического выключателя, что приводит к отключению нагрузки, питаемой разрывом цепи, от точки питания. Это направлено на то, чтобы изолировать точку короткого замыкания от остальной части системы и позволить остальной части системы продолжать работать с минимальным воздействием. Как выключатели, так и автоматические выключатели могут управляться локально (в пределах подстанции) или удаленно из центра управления.
В случае воздушных линий электропередачи распространение грозовых и коммутационных перенапряжений может привести к повреждению изоляции в оборудовании подстанции. Для защиты оборудования подстанции используются соответствующие ограничители перенапряжения на входе линии . Исследования координации изоляции проводятся в широких масштабах, чтобы гарантировать, что отказ оборудования (и связанные с ним отключения ) минимален.
После прохождения коммутационных компонентов линии заданного напряжения подключаются к одной или нескольким шинам . Это наборы шин , обычно кратные трем, поскольку трехфазное распределение электроэнергии широко распространено во всем мире.
Расположение переключателей, автоматических выключателей и шин влияет на стоимость и надежность подстанции. Для важных подстанций может использоваться кольцевая шина, двойная шина или так называемая установка «выключатель и половина», так что отказ любого одного выключателя не прерывает питание других цепей, и так что части подстанции могут быть обесточены для обслуживания и ремонта. Подстанции, питающие только одну промышленную нагрузку, могут иметь минимальные коммутационные возможности, особенно для небольших установок. [18]
Из-за риска поражения электрическим током подстанции изначально опасны для электротехников. [19] Чтобы снизить эту опасность, подстанции проектируются с различными функциями безопасности. [20] Токовые проводники и неизолированное оборудование размещаются отдельно, либо с помощью защищенного оборудования, либо с использованием экранов или расстояния. [20] В зависимости от юрисдикции или компании, [21] существуют стандарты безопасности с минимальным требуемым зазором между различным токовыводящим оборудованием или проводниками или между токовыводящим металлом и землей, который часто варьируется, при этом для более высоких напряжений требуется больший зазор из-за большей способности генерировать перекрытие . [22] К этому добавляется необходимое пространство для безопасной работы сотрудников и проезда транспортных средств. [23] Иногда необходимо работать на частях подстанции, когда она находится под напряжением, но сотрудники должны соблюдать безопасное расстояние не менее 3 метров (9,8 фута). [24] Цель уменьшения площади подстанции вступает в противоречие с простотой обслуживания, которая улучшается за счет включения зазоров, где сотрудники могут безопасно работать. [25]
Под подстанцией мат или сетка из проводников, уложенных на глубине 0,5 или 0,6 метра (1 фут 8 дюймов или 2 фута 0 дюймов) под землей, обеспечивает заземление . [26] [27] Эта сетка, которая обычно изготавливается из меди, хотя в некоторых странах может быть из оцинкованного железа , [27] используется для заземления цепей, над которыми ведутся работы, чтобы предотвратить случайное повторное включение, когда рабочие контактируют с обесточенной цепью. [28] Часто заземляющие стержни забиваются глубже в землю от заземляющей сетки для заземления с меньшим сопротивлением, [29] и могут быть окружены бентонитом или марконитом для дальнейшего снижения сопротивления и обеспечения эффективного заземления на весь срок службы подстанции. [30] Над землей заземляющие проводники могут быть стальными, алюминиевыми или медными. Они должны быть достаточно толстыми, чтобы выдерживать ожидаемый ток замыкания в течение 1-3 секунд и оставаться неповрежденными. [27] Ограждения подстанции, как правило, высотой не менее 2 метров (6 футов 7 дюймов), защищают население от опасности поражения электрическим током, а также защищают подстанцию от вандализма. [31] Внутренние ограждения также могут быть включены для защиты сотрудников от зон, которые небезопасны при нахождении под напряжением. [32]
Подстанции обычно имеют коммутационное, защитное и контрольное оборудование, а также трансформаторы. На большой подстанции автоматические выключатели используются для прерывания любых коротких замыканий или токов перегрузки, которые могут возникнуть в сети. Небольшие распределительные станции могут использовать автоматические выключатели повторного включения или предохранители 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 находиться на поверхности в огороженных помещениях, под землей или в зданиях специального назначения. Высотные здания могут иметь несколько внутренних подстанций. Внутренние подстанции обычно находятся в городских районах для снижения шума от трансформаторов, улучшения внешнего вида или защиты распределительных устройств от экстремального климата или загрязнения.
Подстанции часто используют шины в качестве проводников между электрооборудованием. Шины могут быть алюминиевыми трубками толщиной 3–6 дюймов (76–152 мм) или же проводами (шина натяжения). [33]
Наружные, надземные конструкции подстанций включают деревянные столбы, решетчатые металлические башни и трубчатые металлические конструкции, хотя доступны и другие варианты. Там, где много места и внешний вид станции не является фактором, стальные решетчатые башни обеспечивают недорогие опоры для линий электропередачи и аппаратуры. Низкопрофильные подстанции могут быть указаны в пригородных районах, где внешний вид более важен. Внутренние подстанции могут быть газовыми подстанциями (GIS) (при высоких напряжениях, с газовым распределительным устройством) или использовать распределительное устройство в металлическом корпусе или металлической оболочке при более низких напряжениях. Городские и пригородные внутренние подстанции могут быть отделаны снаружи, чтобы вписаться в другие здания в этом районе.
Компактная подстанция , как правило, представляет собой наружную подстанцию, построенную в металлическом корпусе, в которой все элементы электрооборудования расположены очень близко друг к другу, что позволяет уменьшить занимаемую подстанцией площадь.
Высоковольтные выключатели обычно используются для прерывания тока в оборудовании подстанции. В момент прерывания ток может быть нормальным, слишком высоким из-за чрезмерной нагрузки, необычным из-за неисправности или срабатывать защитными реле до предполагаемой проблемы. [34] Наиболее распространенные технологии для гашения дуги питания при разделении проводников в выключателе включают: [35]
Реклоузеры похожи на выключатели и могут быть дешевле, поскольку им не требуются отдельные защитные реле. Часто используемые в распределении, они часто программируются на отключение, когда амперы превышают определенное значение в течение определенного периода времени. Реклоузеры будут пытаться повторно включить цепь после задержки. Если несколько раз не удается, реклоузер должен быть вручную сброшен электриком. [45]
Конденсаторные батареи используются на подстанциях для балансировки отстающего тока, потребляемого индуктивными нагрузками (такими как двигатели, трансформаторы и некоторое промышленное оборудование) с их реактивной нагрузкой. [46] Дополнительная емкость конденсатора может потребоваться, если в систему добавляется распределенная генерация (такая как небольшие дизельные генераторы, фотоэлектрические солнечные панели на крыше или ветряные турбины ). [47] Конденсаторы могут уменьшать ток в проводах, помогая предотвратить потери системы от падения напряжения или позволяя передавать дополнительную мощность через проводники. Конденсаторы могут оставаться включенными в ответ на постоянную индуктивную нагрузку или включаться, когда индуктивная нагрузка увеличивается, например, летом для кондиционеров . Переключение может быть дистанционным и может выполняться вручную или автоматически. [46]
На более крупных подстанциях есть диспетчерские для оборудования, используемого для мониторинга, управления и защиты остального оборудования подстанции. Они часто содержат защитные реле, счетчики, средства управления выключателями, средства связи, батареи и регистраторы, которые сохраняют подробные данные о работе подстанции, особенно когда происходит какая-либо необычная активность, чтобы помочь восстановить то, что произошло после факта. Эти диспетчерские обычно отапливаются и кондиционируются, чтобы обеспечить надежную работу этого оборудования. [48] Дополнительное оборудование необходимо для обработки скачков напряжения, связанных с прерывистой возобновляемой энергией, такой как рассеянная генерация от ветра или солнца. [49]
Большинство трансформаторов теряют от 5 до 1,5 процентов своего входного тока в виде тепла и шума. Потери в железе являются холостыми и постоянными, когда трансформатор находится под напряжением, в то время как потери в меди и вспомогательных цепях пропорциональны квадрату тока. Вспомогательные потери возникают из-за работающих вентиляторов и насосов [50], что создает шум, когда трансформатор работает на максимальной мощности. [51] Для снижения шума вокруг трансформатора часто строят кожухи, которые также могут быть добавлены после строительства подстанции. [51]
Масляные трансформаторы часто строятся с обвалованными участками, чтобы предотвратить утечку горящего или вытекающего масла. Зоны противопожарного разделения или противопожарные стены строятся вокруг трансформатора, чтобы остановить распространение огня. [52] Пожарным машинам разрешается доступ к этой зоне. [53]
Техническое обслуживание подстанций включает в себя проверки, сбор и анализ данных, а также рутинные плановые работы. Используя такие методы, как инфракрасное сканирование и анализ растворенного газа, можно предсказать, когда подстанции потребуется техническое обслуживание, и предсказать опасности до того, как они материализуются. Инфракрасная технология находит горячие точки на подстанции, где электрическая энергия преобразуется в тепло, [54] что указывает на проблему и может вызвать дополнительный ущерб от высокой температуры. Анализ растворенного газа может определить, когда необходимо отфильтровать или заменить масло в масляном трансформаторе, а также обнаружить другие проблемы. [55]
Ранние 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 стало экономически необходимо автоматизировать надзор и управление подстанциями из централизованной точки, чтобы обеспечить общую координацию в случае чрезвычайных ситуаций и сократить эксплуатационные расходы. Ранние попытки дистанционного управления подстанциями использовали выделенные коммуникационные провода, часто проложенные вдоль силовых цепей. Линия электропередач , микроволновая радиосвязь , оптоволоконные кабели, а также выделенные проводные схемы дистанционного управления — все это применялось для диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) для подстанций. Разработка микропроцессора привела к экспоненциальному увеличению количества точек, которые можно было экономически контролировать и контролировать. Сегодня стандартизированные протоколы связи, такие как DNP3 , IEC 61850 и Modbus , и это лишь некоторые из них, используются для того, чтобы позволить нескольким интеллектуальным электронным устройствам взаимодействовать друг с другом и с центрами диспетчерского управления. Распределенное автоматическое управление на подстанциях является одним из элементов так называемой интеллектуальной сети .
