Распределительная подстанция
Распределительная подстанция обычно работает на уровнях напряжения 2, 4 - 34, 5 кВ и доставляет электроэнергию непосредственно промышленным и жилым потребителям. Распределительные питатели транспортируют электроэнергию от распределительных подстанций до помещений конечных потребителей. Эти фидеры обслуживают большое количество помещений и обычно содержат много филиалов.
Что такое распределительная подстанция и ее основные компоненты? (на фото: подстанция 69kV в Стушбурге, кредит: PA Powerliner через Flickr)
В помещениях потребителей распределительные трансформаторы преобразуют напряжение распределения в напряжение уровня обслуживания, непосредственно используемое в домашних хозяйствах и промышленных предприятиях, обычно от 110 до 600 В.
Подстанция распределения обычно состоит из следующих основных компонентов:
- Линия поставки
- трансформеры
- Шинопроводы
- Распредустройство
- Выходные фидеры
- Коммутационное устройство
- Выключатели
- Плавкие предохранители
- Автоматические выключатели
- Защита от перенапряжения
- заземления
Рисунок 1 - Однолинейная диаграмма основных компонентов энергосистемы от поколения к потреблению (щелкните, чтобы развернуть)
1. Линия поставки
Распределительная подстанция подключается к системе субпередачи через, по меньшей мере, одну линию питания, которую часто называют первичным фидером. Однако типично для распределительной подстанции поставляться двумя или более линиями питания для повышения надежности источника питания в случае отключения одной линии питания.
Подводной линией может быть воздушная линия или подземный питатель в зависимости от местоположения подстанции с подземными кабельными линиями в основном в городских районах и воздушных линиях в сельских районах и пригородах.
Линии питания подключаются к подстанции через высоковольтные разъединители для изоляции линий от подстанции для выполнения работ по техническому обслуживанию или ремонту.
Рисунок 2 - Схема подключения распределительной подстанции (фото кредит: edisontechcenter.org) - нажмите, чтобы развернуть диаграмму
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
2. Трансформаторы
Трансформаторы «понижают» напряжение линии питания до напряжения уровня распределения. См. Рисунок 3 ниже. В распределительной подстанции обычно используются трехфазные трансформаторы. Тем не менее, банки однофазных трансформаторов также могут быть использованы.
Для обеспечения надежности и технического обслуживания на подстанции обычно используются два трансформатора, но их количество может варьироваться в зависимости от важности потребителей, подаваемых с подстанции, и схемы системы распределения в целом.
Рисунок 3 - Трансформаторы напряжения (General Electric)
Трансформаторы могут быть классифицированы по следующим факторам:
a) Мощность
Который выражается в киловольт-амперах (кВА) или мегавольт-амперах (MVA) и указывает количество мощности, которое может быть передано через трансформатор. Трансформаторы распределительной подстанции обычно находятся в диапазоне от 3 кВА до 25 МВА.
b) Изоляция
Который включает жидкие или сухие типы изоляции трансформатора. Жидкая изоляция может представлять собой минеральное масло, негорючие или легковоспламеняющиеся жидкости. Сухой тип включает вентилируемую, литую катушку, закрытые невентилируемые и герметичные газонаполненные типы.
Кроме того, изоляция может быть комбинацией жидкости, пара и газонаполненной установки.
c) Номинальное напряжение
Который регулируется подстанцией уровня передачи и распределения напряжения, к которой подключен трансформатор. Кроме того, существуют стандартные номинальные уровни напряжения, регулируемые применимыми стандартами. Показатель напряжения трансформатора указан изготовителем.
Например, 115 / 34, 5 кВ означает, что высоковольтная обмотка трансформатора рассчитана на 115 кВ, а обмотка низкого напряжения рассчитана на 34, 5 кВ между различными фазами.
Номинальное напряжение определяет требования к конструкции и изоляции трансформатора для выдерживания номинального напряжения или более высоких напряжений во время работы системы.
d) Охлаждение
Это обусловлено мощностью мощности трансформатора и максимально допустимым повышением температуры при ожидаемом пиковом спросе. Оценка трансформатора включает в себя самоохлаждаемую оценку при заданном повышении температуры или при принудительном охлаждении трансформатора, если он оборудован.
Типичная номинальная температура обмотки трансформатора составляет 55 ° C / 65 ° C при температуре окружающей среды 30 ° C для трансформаторов с заполненной жидкостью, чтобы обеспечить 100% -ную загрузку или выше, если это временно необходимо для работы системы.
Современные трансформаторы с малыми потерями допускают еще более высокий рост температуры. Однако работа при более высоких температурах может повлиять на изоляцию и сократить срок службы трансформатора.
e) Соединения обмотки
Что указывает, как три фазы обмоток трансформатора соединены вместе с каждой стороны. Существуют два основных соединения обмоток трансформатора:
- Delta (где конец каждой фазовой обмотки связан с началом следующей фазы, образующей треугольник); а также
- Звезда (где концы каждой фазовой обмотки соединены вместе, образуя нейтральную точку, а начало обмоток подключено снаружи).
Как правило, распределительный трансформатор соединен с дельтами со стороны высокого напряжения и расположен на стороне низкого напряжения. Соединение Delta изолирует две системы по отношению к некоторым гармоникам (особенно третья гармоника), которые нежелательны в системе. Соединение wye создает удобную нейтральную точку для подключения к земле.
Рисунок 4 - Паспортная табличка масляного трансформатора McGraw-Edison (фото: mgmelectricalsurplus.com)
Изучите все группы векторов трансформаторов ✔
f) Регулирование напряжения
Это указывает на то, что трансформатор способен изменять напряжение на стороне низкого напряжения, чтобы поддерживать номинальное напряжение в точках обслуживания клиентов. Напряжение в точках обслуживания клиентов может колебаться в результате колебаний напряжения первичной системы или чрезмерного падения напряжения из-за высокого тока нагрузки.
Для этого трансформаторы оснащены регуляторами напряжения. Они могут быть либо без нагрузки, требуя отключения нагрузки для изменения крана, либо типа под нагрузкой (тип нагрузки), что позволяет переключать переход во время нормальной нагрузки трансформатора.
Трансформаторные краны эффективно меняют коэффициент трансформации и позволяют регулировать напряжение на 10-15% с шагом 1, 75-2, 5% на каждый ответвитель. Переключение трансформатора может быть ручным или автоматическим.
Тем не менее, только переключатели смены под нагрузкой могут работать автоматически.
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
3. Шинопроводы
Шины (также называемые автобусами) можно найти на всей энергетической системе, от поколения до промышленных установок до электрических распределительных щитов. Шинные шины используются для переноса большого тока и распределения тока по нескольким схемам в распределительном устройстве или оборудовании (рис. 5).
Подключаемые устройства с автоматическими выключателями или плавкими выключателями могут быть установлены и подключены без обесточивания шин, если это указано изготовителем.
Рисунок 5 - Наружная распределительная шина (верхние проводники) с трансформаторами напряжения
Первоначально сборные шины состояли из непокрытых медных проводников, поддерживаемых на изоляторах, таких как фарфор, установленных в невентилируемом стальном корпусе. Этот тип конструкции был достаточен для номинальных токов 225-600 А.
Поскольку использование шин расширялось и увеличивалось, нагрузки, требующие более высоких номинальных токов и корпусов, были вентилированы для обеспечения лучшего охлаждения на более высоких мощностях.
Шины были также покрыты изоляцией для обеспечения безопасности и позволяли устанавливать более близкое расстояние между стержнями противоположной полярности, чтобы обеспечить более низкое сопротивление и падение напряжения.
Используя проводимость, плотности тока достигаются для полностью закрытых сборных шин, которые сопоставимы с теми, которые ранее достигались с вентилируемыми шинами. Полностью закрытые сборные шины имеют одинаковый номинальный ток независимо от монтажного положения. Конфигурация шины может представлять собой стек из одной сборной шины на фазу (0-800 A), тогда как более высокие оценки будут использовать два (3000 A) или три стека (5000 A).
Каждый стек может содержать все три фазы, нейтральные и заземляющие проводники, чтобы минимизировать сопротивление цепи.
Проводники шин и токоведущие части могут быть сплавом меди, алюминия или меди, предназначенным для этой цели.
По сравнению с меди, алюминиевый алюминий имеет более низкую проводимость и более низкую механическую прочность.
Как правило, при одинаковой несущей способности алюминий легче по весу и дешевле. Все контактные места на токоведущих частях покрыты оловом или серебром, чтобы предотвратить образование на поверхности оксидов или изоляционной пленки.
В распределительной подстанции сборные шины используются как с высоким, так и с низким напряжением на стороне, для подключения разных цепей и для передачи питания от источника питания к нескольким выходным фидерам. Фидерные шины доступны для внутреннего и наружного строительства.
Наружные сборные шины предназначены для надежной работы, несмотря на воздействие погоды. Доступные номинальные значения тока составляют от 600 до 5000 А постоянного тока. Доступные значения тока короткого замыкания составляют 42 000-200 000 A, симметричный среднеквадратичный (RMS).
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
4. Распределительное устройство
Распределительное устройство (рис. 6) является общим термином, охватывающим первичные коммутационные и прерывающие устройства вместе с его управляющим и регулирующим оборудованием. Распределительное устройство включает в себя выключатели, разъединители, проводники главной шины, соединительные провода, опорные конструкции с изоляторами, корпуса и вторичные устройства для контроля и управления.
Распределительное устройство электропитания используется во всей энергетической системе, от поколения к промышленным установкам для подключения входящего источника питания и распределения электроэнергии потребителям.
Распределительные устройства могут быть наружного или внутреннего типа или их комбинации. Наружное распределительное устройство обычно используется для напряжений выше 26 кВ, тогда как распределительные устройства для помещений обычно имеют напряжение ниже 26 кВ.
Рисунок 6 - Первичное распределительное устройство с воздушной изоляцией, оснащенное фидерными терминалами (тип «UniGear ZS1»)
Внутреннее распределительное устройство может быть дополнительно классифицировано в распределительное устройство с металлическим корпусом и открытое распределительное устройство, которое аналогично наружному коммутационному устройству, но работает при более низких напряжениях. Металлические распределительные устройства могут быть дополнительно классифицированы в распределительные устройства с металлическим покрытием, распределительные устройства низкого напряжения и распределительные устройства прерывания.
Распределительное устройство с металлической оболочкой (рис. 6) обычно используется во всей отрасли для распределения напряжения питания более 1000 В.
Металлические распределительные устройства можно охарактеризовать следующим образом:
- Первичные выключатели и переключатели напряжения установлены на съемном механизме, позволяющем перемещать и правильно выравнивать.
- Заземленные металлические барьеры охватывают основные части первичной цепи, такие как выключатели или переключатели, шины, трансформаторы напряжения и управляющие силовые трансформаторы.
- Все токоведущие части заключены в заземленные металлические отсеки. Элементы первичной цепи не подвергаются воздействию даже тогда, когда съемный элемент находится в тесте, отсоединен или полностью снят.
- Проводники и соединения основной шины покрыты изоляционным материалом повсюду посредством изолированных барьеров между фазами и между фазой и землей.
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
5. Выходные питатели
Ряд выходных фидеров подключен к шине подстанции для передачи мощности от подстанции к точкам обслуживания. Питатели могут управляться по улицам или под улицами и передавать мощность распределительным трансформаторам в помещениях или вблизи от них.
Выключатель и изолятор фидеров являются частью низковольтного распределительного устройства подстанции и, как правило, имеют металлическую оболочку.
При возникновении неисправности
,Когда на фидере возникает ошибка, защита обнаружит его и откройте выключатель.
После обнаружения, автоматически или вручную, может быть предпринята одна или несколько попыток возобновить подачу. Если неисправность нестабильна, питатель будет перегенерирован, а прерыватель останется закрытым. Если неисправность остается постоянной, прерыватель остается открытым, а обслуживающий персонал будет располагать и изолировать неисправную секцию фидера.
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
6. Переключающее устройство
Коммутационное устройство необходимо для подключения или отключения элементов силовой системы к другим элементам системы или из других элементов системы. Коммутационное устройство включает в себя выключатели, предохранители, автоматические выключатели и защитные устройства.
a) Переключатели
Переключатели используются для изоляции, прерывания нагрузки и передачи обслуживания между различными источниками питания.
Изолирующие переключатели используются для обеспечения видимого разъединения для обеспечения безопасного доступа к изолированному оборудованию. Эти переключатели обычно не имеют прерывания тока, что означает, что цепь должна открываться другими средствами (такими как выключатели). Блокировка обычно предусмотрена для предотвращения срабатывания, когда переключатель имеет ток.
Переключатель нагрузки или выключатель нагрузки объединяют функции разъединителя и нагрузочного прерывателя для прерывания при номинальном напряжении и токах, не превышающем номинальный ток переключателя.
Переключатели нагрузки имеют тип с воздушным или жидкостным погружением. Переключатель прерывания обычно управляется вручную и имеет механизм быстрого срабатывания, быстрого размыкания, который функционирует независимо от работы с ручным управлением. Эти типы переключателей обычно используются при напряжениях выше 600 В.
Для сервисов 600 В и ниже обычно используются предохранительные выключатели и переключатели. Предохранительные выключатели закрыты и могут быть сплавлены или не слиты. Этот тип переключателя управляется рукояткой вне корпуса и блокируется так, что корпус не может быть открыт, если переключатель не открыт или не работает защитный кожух блокировки.
Переключатели могут работать автоматически или вручную.
Автоматические переключатели передачи имеют двойную броскую конструкцию и в основном используются для аварийных и резервных энергогенерирующих систем мощностью 600 В и ниже. Эти переключатели используются для обеспечения защиты от обычных сбоев в работе.
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
b) Предохранители
Предохранители используются в качестве устройства защиты от перегрузки по току с плавким соединением, которое нагревается и разъединяется по мере прохождения через него сверхтока. Предохранители доступны в широком диапазоне значений напряжения, тока и прерывания, типов ограничения тока и для внутреннего и наружного применения.
Предохранители выполняют ту же функцию, что и выключатели, и нет общего правила для использования одного и другого.
Решение использовать предохранитель или автоматический выключатель обычно основывается на конкретном приложении и таких факторах, как текущее требование прерывания, согласование с соседними защитными устройствами, требования к пространству, капитальные и эксплуатационные расходы, автоматическое переключение и т. Д.
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
c) Автоматические выключатели
Автоматические выключатели - это устройства, предназначенные для открытия и закрытия схемы либо автоматически, либо вручную. При применении в пределах своего рейтинга автоматический автоматический выключатель должен иметь возможность автоматически открывать цепь при заданной перегрузке тока без повреждения самого или соседних элементов. Автоматические выключатели должны работать нечасто, хотя некоторые классы выключателей подходят для более частых операций.
Прерывающие и кратковременные номинальные значения автоматического выключателя должны быть равны или превышать имеющиеся токи короткого замыкания системы.
Автоматические выключатели доступны для всего диапазона напряжения в системе и могут быть оборудованы однополюсным, двухполюсным, трехполюсным или четырехполюсным и предназначены для использования внутри помещений или снаружи. Выключатели с гальванической изоляцией серы (SF6) доступны для средних и высоких напряжений, таких как подстанции с газовой изоляцией.
Когда ток прерывается, генерируется дуга. Эта дуга должна содержаться, охлаждаться и гаснуть контролируемым образом, чтобы зазор между контактами снова мог выдерживать напряжение в цепи. Автоматические выключатели могут использовать вакуум, воздух, изоляционный газ или масло в качестве среды, в которой образуется дуга.
Для тушения дуги используются различные методы, в том числе:
- Удлинение дуги
- Интенсивное охлаждение (в реактивных камерах)
- Разделение на частичные дуги
- Нулевое точечное тушение (контакты разомкнуты при нулевом точечном переходе сигнала переменного тока, эффективно нарушая ток холостого хода во время открытия)
- Подключение конденсаторов параллельно контактам в цепях постоянного тока
Рисунок 7 - Наружный автоматический выключатель с масляным маслом
Традиционно масляные выключатели (рис. 7) использовались в электроэнергетике, которые используют масло в качестве среды для тушения дуги и полагаются на испарение части масла для взрыва струи масла через дугу.
- Газовые (обычно гексафторид серы) выключатели иногда растягивают дугу, используя магнитное поле, а затем полагаются на диэлектрическую прочность гексафторида серы для гашения вытянутой дуги.
- Вакуумные автоматические выключатели имеют минимальную дугу (так как ионизировать не нужно, кроме контактного материала), поэтому дуга гасит, когда она растягивается на очень небольшое количество (<2-3 мм). Вакуумные выключатели часто используются в современных распределительных устройствах среднего напряжения до 35 кВ.
- Воздушные воздушные прерыватели могут использовать сжатый воздух для продувки дуги, или, альтернативно, контакты быстро качаются в небольшую герметичную камеру, где выходящий смещенный воздух продувает дугу.
Автоматические выключатели обычно способны очень быстро прекратить весь ток: обычно дуга гаснет между 30 и 150 мс после срабатывания механизма в зависимости от возраста и конструкции устройства.
Внутренние выключатели рассчитаны на постоянный ток 1-3 кА и прерывают ток короткого замыкания 8-40 кА при номинальном напряжении.
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
7. Защита от перенапряжения
Переходные перенапряжения обусловлены естественными и присущими характеристиками энергетических систем. Повышенное перенапряжение может быть вызвано молнией или внезапным изменением системных условий (таких как операции переключения, сбои, отключение нагрузки и т. Д.) Или и то, и другое. Как правило, типы перенапряжений могут быть классифицированы как генерируемые молнии и генерируемые переключения.
Величина перенапряжений может быть выше максимально допустимых уровней и поэтому должна быть уменьшена и защищена, чтобы избежать повреждения оборудования и нежелательных характеристик системы.
Возникновение аномальных приложенных напряжений перенапряжения, как краткосрочного, так и устойчивого стационарного состояния, способствует преждевременному разрушению изоляции. Большие количества тока могут проходить через поврежденный канал, производя большое количество тепла.
Неспособность быстро и эффективно подавлять перенапряжение или прерывать высокий ток короткого замыкания может привести к серьезному повреждению изоляции в больших частях энергосистемы, что приведет к длительному ремонту.
Соответствующее применение устройств защиты от перенапряжений (рис. 8) уменьшит величину и продолжительность скачков напряжения, наблюдаемых защищенным оборудованием. Проблема осложняется тем фактом, что отказ изоляции является результатом впечатляющих перенапряжений и из-за суммарной продолжительности повторных случаев перенапряжений.
Рисунок 8 - Сторона высокого напряжения 144 кВ. Ограничители перенапряжения с заземленными нижними терминалами (фото: arresterworks.com)
Ограничители перенапряжения использовались в энергосистемах для защиты изоляции от перенапряжений. Исторически сложилось так, что эволюция технологии материального разрядника создала различные конструкции разрядников, начиная с арматурного разрядника, который использовался почти исключительно на защите электросистем на протяжении десятилетий. Активный элемент (т. Е. Элемент клапана) в этих разрядниках представляет собой нелинейный резистор, который обладает относительно высоким сопротивлением (мегаом) при рабочих напряжениях системы и значительно более низким сопротивлением (Ом) при быстром скачкообразном перенапряжении.
Аресторы имеют двойное значение номинальной мощности (RMS) (т. Е. Номинальное напряжение рабочего цикла) и соответствующее максимальное постоянное рабочее напряжение. Напряжение рабочего цикла определяется как назначенное максимально допустимое напряжение между клеммами, на которых предназначен разрядник.
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
8. Заземление
Заземление подразделяется на две категории: заземление энергетической системы и заземление оборудования. Заземление системы электропитания означает, что в каком-то месте в системе существуют преднамеренные электрические соединения между фазовыми проводниками электрической системы и массой (земля).
Заземление силовой системы
Заземление системы необходимо для управления перенапряжениями и для обеспечения пути для токового тока, чтобы облегчить чувствительную защиту от замыканий на землю, основанную на обнаружении токового тока.
Заземление системы электропитания может быть следующим:
- Прочно заземленный
- необоснованный
- Сопротивление заземлено
Каждое устройство заземления имеет свои преимущества и недостатки, а выбор зависит от местных и глобальных стандартов и практик, а также от технических решений.
Прочно заземленные системы устроены таким образом, что устройства защиты цепи обнаруживают неисправную цепь и изолируют ее от системы независимо от типа неисправности. Все системы передачи и большинства подпередач прочно заземлены для обеспечения стабильности системы. Уровни обслуживания низкого напряжения в четырехпроводных системах 120-480 В также должны быть прочно заземлены для обеспечения безопасности жизни.
Твердое заземление достигается за счет подключения нейтрали сварочной обмотки силового трансформатора к земле.
В тех случаях, когда требуется непрерывность обслуживания, например, для непрерывного процесса работы, можно использовать заземленную силовую систему сопротивления. При таком типе заземления предполагается, что любой контакт между однофазным проводником и землей не приведет к срабатыванию устройства защиты от перегрузки по току. Сопротивление заземления обычно используется от 480 В до 15 кВ для трехпроводных систем. Сопротивление заземления достигается за счет подключения нейтрали обмоток, соединенных звездой силового трансформатора, к земле через резистор или с использованием специальных трансформаторов заземления.
Рабочее преимущество незаземленной системы - это возможность продолжать работу во время одного отказа от замыкания на землю, который, если он будет устойчивым, не приведет к автоматическому отключению цепи путем защиты !
Незаземленные системы обычно используются на уровне распределения и исходят от дельта-подключенных силовых трансформаторов.
Заземление оборудования
Заземление оборудования относится к системе электрических проводников (заземляющий проводник и заземляющие шины), с помощью которых все несущие металлические конструкции внутри промышленной установки взаимосвязаны и заземлены.
Основными целями заземления оборудования являются:
- Для поддержания низкой разности потенциалов между металлическими конструкциями или деталями, минимизируя возможность поражения электрическим током персонала в этом районе
- Вносить вклад в обеспечение адекватных характеристик защитных устройств электрической системы и безопасность персонала и оборудования
- Во избежание пожаров от летучих материалов и воспламенения газов в горючих атмосферах путем создания эффективной электрической проводящей системы для потока токов замыкания на землю и молнии и статических разрядов для устранения дуги и других тепловых бедствий в электрооборудовании
Системы заземления подстанции тщательно спроектированы. В электрической подстанции заземляющий мат представляет собой сетку металлических стержней, соединенных вместе с проводящим материалом и устанавливаемых под земной поверхностью. Он предназначен для предотвращения роста опасного потенциала грунта в месте, где персонал будет располагаться при работе переключателей или других аппаратов.
Он соединен с локальной несущей металлической конструкцией и к распределительному устройству так, чтобы оператор не будет подвергаться воздействию высокого дифференциального напряжения из-за неисправности в подстанции.
Вернуться к компонентам распределительной подстанции ↑
Ссылка // Системы распределения, подстанции и интеграция распределенного поколения Джона Д. Макдональда, Бартоша Войцчика, Байрона Флинна и Илии Волоха