Кіріспе
Электр беру және тарату жүйесінің бөлігі
Субстанция – электр энергиясын өндіру, беру және тарату жүйесінің құрамына кіретін бөлік. Субстанциялар кернеуді жоғарыдан төменге немесе керісінше түрлендіреді, сондай-ақ басқа да маңызды функцияларды орындайды. Электр энергиясы өндіру станциясынан тұтынушыға дейін әртүрлі кернеу деңгейлеріндегі бірнеше субстанциялар арқылы өтуі мүмкін. Субстанция жоғары кернеулі беру және төмен кернеулі тарату арасындағы, немесе екі түрлі беру кернеулерінің қосылысында кернеу деңгейін өзгерту үшін трансформаторларды қамтуы мүмкін. Олар инфрақұрылымның маңызды бөлігі болып табылады. АҚШ-та 55 000 субстанция бар. Субстанциялар электр энергиясын өндіруші компанияға тиесілі болуы және олармен басқарылуы мүмкін, сондай-ақ ірі өнеркәсіптік немесе коммерциялық тұтынушыларға да тиесілі болуы мүмкін. Әдетте, субстанциялар қадағаланбайды, қашықтан бақылау және басқару үшін SCADA жүйесіне сүйенеді. "Субстанция" сөзі тарату жүйесі желіге айналмаған кезеңде пайда болған. Орталық электр станциялары үлкейген кезде, кіші электр станциялары өз генераторларын пайдаланудың орнына үлкен станциялардан энергиямен қамтамасыз етілетін тарату станцияларына айналдырылды. Алғашқы субстанциялар генераторлар орналасқан бір ғана электр станциясына қосылып, сол станцияның еншілес компаниялары болған.
Түрлері
Субстанциялар кернеу классы, электр жүйесіндегі қолданылуы, көптеген қосылыстарды оқшаулау тәсілі, сондай-ақ қолданылатын құрылымдардың стилі мен материалдары арқылы сипатталуы мүмкін. Бұл категориялар өзара байланысты емес; мысалы, нақты бір мәселені шешу үшін, беру субстанциясы маңызды тарату функцияларын да қамтуы мүмкін.
Тасымалдау қосалқы станциясы
Тасымалдау қосалқы станциясы екі немесе одан көп тасымалдау желілерін қосады. Тарату қосалқы станциясы электр қуатын тасымалдау жүйесінен ауданның тарату жүйесіне жеткізеді. Электр энергиясын тікелей тұтынушыларға басты тасымалдау желісіне қосу, егер олар көп мөлшерде қуат пайдаланбаса, экономикалық тұрғыдан тиімді емес, сондықтан тарату станциясы кернеуді жергілікті таратуға қажетті деңгейге дейін төмендетеді. Тарату қосалқы станциясына әдетте кем дегенде екі тасымалдау немесе аралық тасымалдау желісі кіреді. Кіріс кернеуі, мысалы, 115 кВ немесе аймақта қолданылатын кернеу болуы мүмкін. Шығысы – бірнеше желілер. Тарату кернеуі әдетте 2,4 кВ мен 33 кВ аралығындағы орташа кернеу болып табылады, бұл қызмет көрсетілетін аумақтың мөлшеріне және жергілікті коммуналдық қызметтің тәжірибесіне байланысты. Желілер көшелер бойымен (немесе кейбір жағдайларда жер астынан) өтеді және тұтынушылардың үй-жайларында немесе жанындағы тарату трансформаторларын қуатпен жабдықтайды. Кернеуді түрлендіруден басқа, тарату қосалқы станциялары тасымалдау немесе тарату жүйелеріндегі ақауларды да оқшаулайды. Тарату қосалқы станциялары әдетте кернеуді реттеу орталықтары болып табылады, бірақ ұзын тарату желілерінде (бірнеше шақырым) кернеуді реттеу жабдықтары желі бойымен орнатылуы мүмкін. Ірі қалалардың орталық аудандары жоғары кернеулі коммутациялау және төмен кернеулі жағында коммутациялау және қосалқы жүйелермен жабдықталған күрделі тарату қосалқы станцияларына ие. Көбінесе тарату қосалқы станцияларында коммутатор, бір трансформатор және төмен кернеулі жағында минималды жабдықтар болады.
Коллекторлық қосалқы станциясы
Жел электр станциясы немесе фотоэлектр станциясы сияқты таратылған электр энергиясын өндіру жобаларында коллекторлық қосалқы станция қажет болуы мүмкін. Ол тарату қосалқы станциясына ұқсас, бірақ қуат ағыны кері бағытта – көптеген жел турбиналарынан немесе инверторлардан беріліс желісіне қарай ағады. Әдетте, құрылыс шығындарын азайту үшін коллекторлық жүйе 35 кВ деңгейінде жұмыс істейді, бірақ кейбір коллекторлық жүйелер 12 кВ болады, ал коллекторлық қосалқы станция кернеуді желіге қажетті беріліс кернеуіне дейін көтереді. Коллекторлық қосалқы станция қажет болған жағдайда қуат коэффициентін түзету, есептеу және жел электр станциясын басқару функцияларын да қамтамасыз ете алады. Кейбір ерекше жағдайларда коллекторлық қосалқы станцияда HVDC конвертерлік станциясы да орналасуы мүмкін. Бірнеше жылулық немесе гидроэлектр станцияларының шығыс қуаты шамалас болса және олар бір-біріне жақын орналасқан жағдайларда да коллекторлық қосалқы станциялар қолданылады. Мұндай станцияларға Германиядағы Brauweiler және Чехиядағы Hradec мысалдар келтіріледі, онда электр энергиясы жақын жердегі қоңыр көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларынан жиналады. Егер кернеуді беріліс деңгейіне көтеру үшін трансформаторлар қажет болмаса, онда бұл қосалқы станция коммутациялық станция болып табылады.
Конвертерлік қосалқы станциялар
Конвертерлік қосалқы станциялар Жоғары Жылдамдықты Тұрақты Ток (HVDC) конвертерлік станцияларымен, локомотивтік тоқпен немесе өзара байланысты асинхронды желілермен байланысты болуы мүмкін. Бұл станцияларда токтың жиілігін өзгертуге немесе айнымалы токтан тұрақты токқа немесе керісінше түрлендіруге арналған қуаттық электрондық құрылғылар орналасқан. Бұрын екі жүйені байланыстыру үшін жиілігін өзгертетін роторлық конвертерлер қолданылған, бірақ қазір мұндай станциялар сирек кездеседі.
Темір жолдар
Электрлендірілген теміржолдар да көбінесе тарату станцияларын пайдаланады. Кейбір жағдайларда токтың түрі өзгертіледі, әдетте, тұрақты ток (DC) пойыздары үшін түзеткіштер арқылы, немесе желілік жиіліктен өзге жиілікте ауыспалы ток (AC) қолданатын пойыздар үшін айналмалы түрлендіргіштер арқылы. Егер теміржол желісі өз желісімен және генераторларымен басқа станцияларды қуатпен жабдықтаса, онда олар беру немесе жинақтау станциялары болып та табылуы мүмкін.
Қозғалмалы қосалқы станция
Жылжымалы қосалқы станция – дөңгелекті қосалқы станция, трансформатор, автоматты ажыратқыштар және шиналар өздігінен толыққандай жартылай тіркемеге орнатылған, оны жүк көлігімен тартады. Олар қоғамдық жолдарда оңай тасымалдау үшін ықшамдалып жасалған және табиғи апаттар немесе соғыс кезінде уақытша резервтік қуат көзі ретінде қолданылады. Жылжымалы қосалқы станциялардың қуаты тұрақты станциялардан көбінесе төмен болады, ал көлік тасымалының шектеулерін ескере отырып, бірнеше бөліктен құрастырылуы мүмкін.
Қосалқы станцияның элементтері
Субстанциялар әдетте коммутациялық, қорғау және басқару жабдықтарымен, сондай-ақ трансформаторлармен жабдықталған. Ірі субстанцияларда желіде туындауы мүмкін қысқа тұйықталулар немесе артық жүктеме тогын тоқтату үшін автоматты ажыратқыштар қолданылады. Кішірек тарату станциялары тарату тізбектерін қорғау үшін қайта қосылатын автоматты ажыратқыштарды немесе сақтандырғыштарды пайдалануы мүмкін. Субстанциялардың өзінде генераторлар болмайды, бірақ электр станциясының жанында субстанция орналасуы мүмкін. Конденсаторлар, кернеу реттегіштері және реакторлар сияқты басқа да құрылғылар субстанцияда орналасуы мүмкін. Субстанциялар қоршалған аймақтарда, жер астында немесе арнайы мақсаттағы ғимараттарда орналасуы мүмкін. Биік ғимараттарда бірнеше ішкі субстанциялар болуы мүмкін. Ішкі субстанциялар көбінесе қалалық аймақтарда трансформаторлардың шуын азайту, сыртқы түрін жақсарту немесе коммутациялық жабдықты экстремалды климаттық жағдайлар мен ластанудан қорғау үшін орналастырылады. Жерге қосу (жерге тұйықтау) жүйесін жобалау қажет. Жердің потенциалының жалпы көтерілуі және ақау кезіндегі потенциал градиенттері (тач және қадамдық потенциалдар деп аталады) беру жүйесіндегі қысқа тұйықталу кезінде жаяу өтетін адамдарды қорғау үшін есептелуі тиіс. Субстанциядағы жерге тұйықталу ақаулары жердің потенциалын көтеруі мүмкін. Ақау кезінде жер бетімен ағатын тоқтар металл заттардың кернеуін адам аяғы астындағы жерге қарағанда айтарлықтай жоғары етуіне әкелуі мүмкін; бұл жанасу потенциалы электр тогының соғу қаупін тудырады. Егер субстанцияда металл қоршау болса, онда ол адамдарды осы қауіптен қорғау үшін дұрыс жерге қосылуы керек. Энергетика инженерінің алдындағы басты мәселелер – сенімділік және құн. Жақсы жобалау олардың арасында тепе-теңдік орнатуға тырысады, артық құнға бармай сенімділікті қамтамасыз ету үшін. Жоба станцияны кеңейтуге мүмкіндік беруі керек.
Орналасу орнын таңдау
Қосалқы станцияның орналасуын таңдауда көптеген факторларды ескеру қажет. Электр қауіпсіздігі үшін қажетті аралықтармен жабдықтарды орнатуға және трансформаторлар сияқты ірі аппараттарды күтіп-жөндеуге жететін жер көлемі керек. Жер бағасы жоғары болған аймақтарда, мысалы қалаларда, газды оқшауланған коммутациялық жабдықтар жалпы шығындарды азайтуға мүмкіндік береді. Жағалау аймақтарында орналасқан, су тасқыны мен тропикалық дауылдарға ұшырайтын қосалқы станциялар, осы құбылыстарға төзімді жабдықтарды қорғау үшін көтеріңкі құрылымды қажет етеді. Жер учаскесі жүктеме өсуіне немесе жоспарланған қосымша беру желілеріне байланысты кеңейтуге мүмкіндік беруі тиіс. Қосалқы станцияның қоршаған ортаға тигізетін әсері, мысалы, дренаж, шу және көлік қозғалысы да ескерілуі керек. Қосалқы станция қызмет көрсететін тарату аймағының орталық бөлігінде орналасуы тиіс. Жер учаскесі сырттан кіруден қорғалған болуы керек, бұл адамдарды электр тогының соққысынан немесе доғадан қорғауға, сондай-ақ вандализм салдарынан электр жүйесінің дұрыс жұмыс істемеуінен сақтауға мүмкіндік береді. Егер қосалқы станция коммуналдық компанияға тиесілі болмаса және олар басқармаса, онда әдетте ұзақ мерзімді жалға алу шартымен, мысалы, 99 жылға қайта жаңартылатын жалға алу шартымен пайдаланылады, бұл компанияға сенімділік береді.
Жобалау диаграммалары
Қосалқы станцияның жоспарын жасаудағы алғашқы қадам – бір сызықты схеманы дайындау болып табылады. Онда коммутациялық және қорғау құрылғылары, сондай-ақ кіріс желілері мен шығыс қоректендірушілер немесе беру желілері қарапайым түрде көрсетіледі. Көптеген электрмен жабдықтау компаниялары үшін негізгі элементтер (желілер, ажыратқыштар, автоматтық қосқыштар, трансформаторлар) бар бір сызықты схемаларды құрылғылардың нақты станцияда орналасуын еске түсіретіндей етіп дайындау қалыпты жағдай. Әдетте, кіріс желілерінде ажыратқыш және автоматтық қосқыш болады. Кейбір жағдайларда желілерде бұл екеуі де болмайды, тек ажыратқыш немесе автоматтық қосқыш қажет деп саналады. Ажыратқыш жүктеме тогын үзіп тастамайтындықтан, оқшаулауды қамтамасыз ету үшін қолданылады. Автоматтық қосқыш ақаулық тогын автоматты түрде үзу үшін қорғау құрылғысы ретінде қолданылады және жүктемені қосу/өшіру үшін немесе қуат «бұрыс» бағытта ағып жатқанда желіні ажырату үшін пайдаланылуы мүмкін. Автоматтық қосқыш арқылы үлкен ақаулық тогы өткен кезде, ток трансформаторларын пайдалану арқылы бұл анықталады. Ток трансформаторларының шығыс шамасы автоматтық қосқышты іске қосу үшін пайдаланылуы мүмкін, нәтижесінде автоматтық қосқыштан қуат алатын жүктеме қоректендіру нүктесінен ажыратылады. Бұл ақаулық нүктесін жүйенің қалған бөлігінен оқшаулауға және жүйенің қалған бөлігінің минималды әсермен жұмыс істеуін жалғастыруға мүмкіндік береді. Ажыратқыштар мен автоматтық қосқыштарды жергілікті түрде (қосалқы станция ішінде) немесе бақылау орталығынан қашықтан басқаруға болады. Ауа желілеріндегі шағын және коммутациялық импульстар қосалқы станция жабдықтарының оқшаулауының бұзылуына әкелуі мүмкін. Желіге кіретін импульстарды шектегіштер қосалқы станция жабдықтарын тиісінше қорғау үшін қолданылады. Жабдықтың бұзылуын (және оған байланысты тоқтауларды) азайту үшін изоляция үйлестіру зерттеулері кеңінен жүргізіледі. Коммутациялық элементтерден өткеннен кейін, белгілі бір кернеудегі желілер бір немесе бірнеше шиналарға қосылады. Шиналар жиынтыбы, әдетте үш еселенген, өйткені үш фазалы электр қуаты тарату әлемде кеңінен таралған. Ажыратқыштардың, автоматтық қосқыштардың және шиналардың орналасуы қосалқы станцияның құны мен сенімділігіне әсер етеді. Маңызды қосалқы станциялар үшін сақиналық шина, екі шина немесе «автоматтық қосқыш және жарты» конфигурациясы қолданылуы мүмкін, сондықтан кез келген бір автоматтық қосқыштың бұзылуы басқа тізбектерге қуат беруді тоқтатпайды және қосалқы станцияның бөліктерін техникалық қызмет көрсету және жөндеу үшін тоқтатуға болады. Тек бір өндірістік жүктемені қоректендіретін қосалқы станциялар, әсіресе кішкентай орналымдар үшін, минималды коммутациялық ережелерге ие болуы мүмкін. Әр түрлі кернеу деңгейлеріне арналған шиналар орнатылғаннан кейін трансформаторларды кернеу деңгейлері арасында қосуға болады. Бұларда трансформатордың ақаулығы болған жағдайда (әдетте «қысқа тұйықталу» деп аталады) беру желілеріне ұқсас автоматтық қосқыштар болады. Сонымен қатар, қосалқы станцияда әр түрлі автоматтық қосқыштарды кейбір компоненттердің істен шығуына жағдайда ашуға бұйрық беруге қажетті басқару схемасы әрқашан болады.
Автоматтандыру
Электрлік қосалқы станцияларында жабдықтарды қолмен ауыстыру немесе реттеу, сондай-ақ жүктеме, энергия тұтыну және ерекше жағдайлар туралы деректерді қолмен жинау қажет болды. Тарату желілерінің күрделілігі артқан сайын, төтенше жағдайларда жалпы үйлестіруді қамтамасыз ету және пайдалану шығындарын азайту үшін қосалқы станцияларды орталықтандырылған пункттен автоматты түрде бақылау және басқару экономикалық тұрғыдан қажеттілікке айналды. Қосалқы станцияларды қашықтан басқаруға жасалған алғашқы әрекеттер арнайы байланыс сымдарын пайдаланды, олар көбінесе қуат тізбектерімен бірге жүргізілді. Электр желісі арқылы берілетін сигналдар, микротолқынды радио, оптикалық талшық кабельдері, сондай-ақ арнайы сымдық қашықтан басқару тізбектері қосалқы станциялар үшін қадағалау, бақылау және деректерді жинау (SCADA) жүйесінде қолданылды. Микропроцессордың дамуы экономикалық тұрғыдан бақыланатын және қадағаланатын нүктелер санын экспоненциалды түрде арттырды. Бүгінде DNP3, IEC 61850 және Modbus сияқты стандартталған байланыс протоколдары бірнеше интеллектуалды электрондық құрылғылардың бір-бірімен және қадағалау орталықтарымен байланысуына мүмкіндік береді. Қосалқы станциялардағы таратылған автоматты басқару – «ақылды желі» деп аталатын жүйенің бір бөлігі болып табылады.
Оқшаулау
Қосқыштар, автоматты ажыратқыштар, трансформаторлар және басқа да құрылғылар ауада оқшауланған, тірек құрылымдарына ілінген жалаңаш сымдар арқылы байланыстырылуы мүмкін. Қажетті ауа кеңістігі жүйелік кернеудің және шағын соққы кернеуінің деңгейімен бірге артады. Орта кернеулі тарату подстанцияларында металл корпусты қосқыш жабдықтары қолданылуы мүмкін, бұл жағдайда қоршаған ортаға ешқандай тоқ өткізгіш бөліктер ашық қалдырылмайды. Жоғары кернеу үшін газ оқшауланған жабдық, газ оқшауланған подстанцияда (GIS) тоқ өткізгіш шиналардың айналасындағы қажетті кеңістікті азайтады. Жалаңаш сымдардың орнына шиналар және қосқыштар сияқты құрылғылар күкірт гексафториді (SF6) немесе басқа газбен толтырылған, қысыммен ұсталатын түтік тәрізді контейнерлерге орналастырылады. Бұл газдың оқшаулау қасиеті ауадан жоғары болғандықтан, құрылғылардың өлшемдерін кішірейтуге болады. Ауа немесе SF6 газынан өзге, құрылғыларда трансформатор майы, қағаз, фарфор және полимер изоляторлар сияқты қосымша оқшаулағыш материалдар да қолданылады.
Құрылымы
Сыртқы, жер үсті субстанция құрылыстары ағаш бағаналар, торлы металл мұнаралар және түтікшелі металл конструкцияларды қамтиды, бірақ басқа да нұсқалар бар. Егер кеңістік жеткілікті болса және станцияның сыртқы түрі маңызды болмаса, болат торлы мұнаралар беру желілері мен жабдықтарына төмен құнмен қолдау көрсетеді. Сыртқы түрі маңыздырақ қала маңындағы аудандарда төмен профильді субстанциялар қолданылуы мүмкін. Ішкі субстанциялар газ оқшауланған субстанциялар (ГИС) (жоғары кернеуде, газ оқшауланған қосқыштармен) немесе төмен кернеуде металл жабық немесе металл қаптамалы қосқыштарды пайдалануы мүмкін. Қалалық және қала маңындағы ішкі субстанциялар сыртқы жағынан аймақтағы басқа ғимараттармен үйлесімді болу үшін әрленуі мүмкін. Шағын субстанция – бұл әдетте металл корпуста орналасқан сыртқы субстанция, онда электр жабдықтарының әрбір бөлігі бір-біріне өте жақын орналасқан, бұл субстанцияның салыстырмалы түрде кішірек ауданын қамтамасыз етеді.