Введение
Подстанция является частью системы генерации, передачи и распределения электроэнергии. Подстанции преобразуют напряжение с высокого на низкое или наоборот, либо выполняют другие важные функции. Между генерирующей станцией и потребителем электрическая энергия может проходить через несколько подстанций с разными уровнями напряжения. Подстанция может включать трансформаторы для изменения уровней напряжения между высокими напряжениями передачи и более низкими напряжениями распределения, или на узлах соединения различных напряжений передачи. Они являются распространенным элементом инфраструктуры. В Соединенных Штатах насчитывается 55 000 подстанций. Подстанции могут принадлежать и эксплуатироваться электроэнергетической компанией или крупным промышленным или коммерческим потребителем. Как правило, подстанции не обслуживаются персоналом, полагаясь на SCADA для удаленного надзора и управления. Слово "подстанция" возникло в те времена, когда система распределения еще не представляла собой сеть. С ростом централизованных электростанций, небольшие генерирующие установки преобразовывались в распределительные пункты, получая электроэнергию от более крупных станций вместо использования собственных генераторов. Первые подстанции были подключены только к одной электростанции, где располагались генераторы, и являлись её подразделениями.
A substation is a part of an electrical generation, transmission, and distribution system. Substations transform voltage from high to low, or the reverse, or perform any of several other important functions. Between the generating station and consumer, electric power may flow through several substations at different voltage levels. A substation may include transformers to change voltage levels between high transmission voltages and lower distribution voltages, or at the interconnection of two different transmission voltages. They are a common component of the infrastructure. There are 55,000 substations in the United States. Substations may be owned and operated by an electrical utility, or may be owned by a large industrial or commercial customer. Generally substations are unattended, relying on SCADA for remote supervision and control. The word substation comes from the days before the distribution system became a grid. As central generation stations became larger, smaller generating plants were converted to distribution stations, receiving their energy supply from a larger plant instead of using their own generators. The first substations were connected to only one power station, where the generators were housed, and were subsidiaries of that power station.
Типы
Подстанции могут быть описаны по классу напряжения, их назначению в энергосистеме, способу изоляции большинства соединений, а также по стилю и материалам, из которых изготовлены их конструкции. Эти категории не являются взаимоисключающими; например, для решения конкретной задачи передающая подстанция может выполнять и функции распределительной.
Подстанция передачи
Подстанция передачи соединяет две или более линии электропередачи. Распределительная подстанция передает электроэнергию из системы передачи в распределительную сеть определенной территории. Нецелесообразно напрямую подключать потребителей электроэнергии к магистральной сети передачи, если они не потребляют значительное количество энергии, поэтому распределительная подстанция понижает напряжение до уровня, подходящего для локального распределения. Ввод распределительной подстанции обычно осуществляется по как минимум двум линиям электропередачи или подстанционным линиям. Входное напряжение может составлять, например, 115 кВ или любое другое, распространенное в данном регионе. Выход представляет собой несколько линий отпайки. Распределительное напряжение обычно относится к среднему напряжению, в диапазоне от 2,4 кВ до 33 кВ, в зависимости от размера обслуживаемой территории и практики местной энергоснабжающей организации. Линии отпайки прокладываются по улицам над землей (или под землей, в некоторых случаях) и питают распределительные трансформаторы, расположенные на территории потребителя или вблизи нее. Помимо преобразования напряжения, распределительные подстанции также изолируют повреждения в системах передачи или распределения. Распределительные подстанции обычно являются точками регулирования напряжения, хотя на протяженных распределительных линиях (в несколько миль/километров) оборудование для регулирования напряжения также может быть установлено вдоль линии. В центральных районах крупных городов располагаются сложные распределительные подстанции с высоковольтным коммутационным оборудованием, а также системами коммутации и резервирования на стороне низкого напряжения. Более типичные распределительные подстанции состоят из выключателя, одного трансформатора и минимального набора оборудования на стороне низкого напряжения.
Коллекторная подстанция
В проектах распределенной генерации, таких как ветропарк или фотоэлектрическая станция, может потребоваться коллекторная подстанция. Она аналогична распределительной подстанции, хотя направление потока мощности обратное – от множества ветровых турбин или инверторов к сети передачи. Как правило, для снижения стоимости строительства коллекторная система работает на уровне 35 кВ, хотя встречаются и системы на 12 кВ, а коллекторная подстанция повышает напряжение до уровня напряжения сети передачи. Коллекторная подстанция также может обеспечивать коррекцию коэффициента мощности при необходимости, а также проводить измерения и осуществлять управление ветропарком. В некоторых особых случаях коллекторная подстанция может включать в себя преобразовательную станцию HVDC. Коллекторные подстанции также используются при расположении вблизи нескольких тепловых или гидроэлектростанций со сравнимой выходной мощностью. Примерами таких подстанций являются Brauweiler в Германии и Hradec в Чешской Республике, где собирается электроэнергия с расположенных поблизости электростанций, работающих на буром угле. Если для повышения напряжения до уровня передачи трансформаторы не требуются, подстанция представляет собой коммутационный узел.
Конверторные подстанции
Конверторные подстанции могут быть связаны с установками преобразователей постоянного тока высокого напряжения, тяговым током или объединенными несинхронными сетями. Эти станции содержат силовые электронные устройства для изменения частоты тока, либо для преобразования переменного тока в постоянный и наоборот. Ранее для соединения двух систем использовались ротационные преобразователи; в настоящее время такие подстанции встречаются редко.
Железные дороги
Электрифицированные железные дороги также используют подстанции, часто распределительные. В некоторых случаях происходит преобразование типа тока, как правило, с использованием выпрямителей для поездов постоянного тока (DC) или ротационных преобразователей для поездов, использующих переменный ток (AC) с частотой, отличной от частоты общественной электросети. Иногда они также могут быть передающими или собирающими подстанциями, если железнодорожная сеть также эксплуатирует собственную сеть и генераторы для питания других подстанций.
Мобильная подстанция
Подвижная подстанция – это подстанция на колёсах, включающая в себя трансформатор, выключатели и шины, смонтированные на самоходном полуприцепе, предназначенном для буксировки грузовиком. Они разработаны для компактности при транспортировке по дорогам общего пользования и используются в качестве временной резервной мощности в случае стихийных бедствий или военных действий. Мощность подвижных подстанций обычно значительно ниже, чем у стационарных, и для соблюдения ограничений по транспортировке они могут состоять из нескольких секций.
Элементы подстанции
Подстанции обычно оснащаются коммутационным, защитным и управляющим оборудованием, а также трансформаторами. На крупных подстанциях выключатели используются для отключения коротких замыканий или токов перегрузки, которые могут возникнуть в сети. На небольших распределительных подстанциях для защиты распределительных цепей могут применяться повторные выключатели или предохранители. Сами подстанции обычно не имеют генераторов, хотя электростанция может располагаться рядом с подстанцией. Другие устройства, такие как конденсаторы, регуляторы напряжения и реакторы, также могут быть установлены на подстанции. Подстанции могут располагаться на поверхности в огороженных помещениях, под землей или в специальных зданиях. В высотных зданиях может быть несколько закрытых подстанций. Закрытые подстанции обычно располагают в городских районах для снижения шума от трансформаторов, улучшения внешнего вида или защиты коммутационного оборудования от экстремальных погодных условий или загрязнений. Необходимо проектировать систему заземления. Общий рост потенциала земли и градиенты потенциала при коротком замыкании (так называемые потенциалы прикосновения и шага) должны быть рассчитаны для обеспечения безопасности прохожих. Земляные замыкания на подстанции могут вызывать повышение потенциала земли. Токи, протекающие по поверхности земли во время замыкания, могут приводить к значительному различию напряжения между металлическими объектами и землей под ногами человека; этот потенциал прикосновения представляет опасность поражения электрическим током. Если подстанция имеет металлический забор, его необходимо правильно заземлить для защиты людей от этой опасности. Основные задачи, стоящие перед инженером-энергетиком, – это надежность и стоимость. Хороший проект стремится к балансу между ними, обеспечивая надежность без чрезмерных затрат. Проект также должен предусматривать возможность расширения подстанции.
Выбор места
При выборе места размещения подстанции необходимо учитывать множество факторов. Требуется достаточная площадь для установки оборудования с соблюдением необходимых расстояний для обеспечения электробезопасности, а также для доступа при обслуживании крупногабаритного оборудования, такого как трансформаторы. В районах с дорогой землей, например, в городах, использование газоизолированного коммутационного оборудования может оказаться экономически выгодным в целом. Подстанции, расположенные в прибрежных зонах, подверженных наводнениям и тропическим штормам, часто требуют возведения на возвышенности для защиты чувствительного к перенапряжениям оборудования от воздействия этих факторов. Необходимо предусмотреть возможность расширения участка в связи с ростом нагрузки или планируемым добавлением линий передачи. Следует учитывать воздействие подстанции на окружающую среду, включая дренаж, уровень шума и влияние на дорожное движение. Место размещения подстанции должно быть достаточно центральным по отношению к обслуживаемой зоне распределения. Участок должен быть надежно защищен от несанкционированного доступа посторонних лиц, как для предотвращения травм людей от поражения электрическим током или дуги, так и для защиты электрооборудования от повреждений в результате вандализма. Если подстанция не находится в собственности и не эксплуатируется энергетической компанией, она обычно занимает территорию на основании долгосрочной аренды, например, возобновляемой 99-летней, что обеспечивает энергетической компании стабильность владения.
Диаграммы проектирования
Первым шагом в планировании компоновки подстанции является подготовка схемы оперативной однолинейной схемы, которая в упрощенном виде отображает требуемую схему коммутации и защиты, а также входящие линии электроснабжения и исходящие линии питания или линии передачи. Многие электроэнергетические компании обычно готовят оперативные однолинейные схемы, располагая на них основные элементы (линии, разъединители, автоматические выключатели, трансформаторы) аналогично тому, как оборудование будет размещено на фактической подстанции. В типичной схеме входящие линии оснащаются разъединителем и автоматическим выключателем. В некоторых случаях линии могут не иметь обоих устройств, и считается достаточным наличие только разъединителя или автоматического выключателя. Разъединитель используется для обеспечения изоляции, поскольку он не предназначен для разрыва тока нагрузки. Автоматический выключатель используется в качестве защитного устройства для автоматического отключения 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 выходных сигналов трансформаторов тока может использоваться для срабатывания автоматического выключателя, что приводит к отключению нагрузки, питаемой от автоматического выключателя, от точки питания. Это позволяет изолировать точку неисправности от остальной части системы и обеспечить продолжение работы остальной части системы с минимальным воздействием. И разъединители, и автоматические выключатели могут управляться как локально (в пределах подстанции), так и дистанционно из диспетчерского центра. В случае воздушных линий передачи распространение импульсов молнии и коммутационных перенапряжений может привести к пробою изоляции оборудования подстанции. Для защиты оборудования подстанции используются ограничители перенапряжений на вводе линий. Комплексные исследования координации изоляции проводятся для обеспечения минимального количества отказов оборудования (и связанных с ними отключений электроэнергии). После коммутационных аппаратов линии заданного напряжения подключаются к одной или нескольким шинам. Это набор шин, обычно кратный трем, поскольку трехфазное распределение электроэнергии широко распространено во всем мире. Расположение разъединителей, автоматических выключателей и шин влияет на стоимость и надежность подстанции. Для важных подстанций могут использоваться кольцевые шины, двойные шины или так называемая схема "выключатель и полтора", чтобы отказ любого автоматического выключателя не приводил к отключению питания других цепей, и чтобы части подстанции могли быть обесточены для технического обслуживания и ремонта. Подстанции, питающие только одну промышленную нагрузку, могут иметь минимальное количество коммутационных аппаратов, особенно для небольших установок. После определения шин для различных уровней напряжения трансформаторы могут быть подключены между этими уровнями напряжения. Они также будут оснащены автоматическим выключателем, как и линии передачи, на случай возникновения неисправности трансформатора (обычно называемой "коротким замыканием"). Кроме того, подстанция всегда оснащена цепями управления, необходимыми для подачи команд различным автоматическим выключателям на отключение в случае отказа какого-либо компонента.
Автоматизация
Ранние электрические подстанции требовали ручного переключения или настройки оборудования, а также ручного сбора данных о нагрузке, потреблении энергии и нештатных ситуациях. По мере усложнения распределительных сетей автоматизация надзора и управления подстанциями из центрального пункта стала экономически необходимой для обеспечения общей координации в аварийных ситуациях и снижения эксплуатационных расходов. Первые попытки дистанционного управления подстанциями использовали выделенные линии связи, часто проложенные вдоль силовых цепей. Для систем диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) подстанций применялись каналы связи по линиям электропередачи, микроволновое радио, волоконно-оптические кабели, а также выделенные проводные каналы дистанционного управления. Развитие микропроцессоров обеспечило экспоненциальный рост числа точек, которые можно было экономично контролировать и отслеживать. Сегодня для обмена данными между интеллектуальными электронными устройствами и диспетчерскими центрами используются стандартизированные протоколы связи, такие как DNP3, IEC 61850 и Modbus, и это лишь некоторые из них. Распределенное автоматическое управление на подстанциях является одним из элементов так называемой интеллектуальной энергосистемы.
Изоляция
Выключатели, автоматические выключатели, трансформаторы и другое оборудование могут быть соединены между собой неизолированными проводами, подвешенными на опорных конструкциях. Требуемое воздушное пространство увеличивается с повышением напряжения системы и номинального напряжения импульса молнии. Для распределительных подстанций среднего напряжения могут использоваться шкафы распределительных устройств с металлической оболочкой, при этом все токоведущие части полностью исключены из контакта с окружающей средой. Для более высоких напряжений газоизолированное коммутационное оборудование, используемое в газоизолированной подстанции (GIS), уменьшает пространство, необходимое вокруг токоведущих шин. Вместо неизолированных проводов шины и оборудование, такое как выключатели, встраиваются в герметичные трубчатые корпуса, заполненные гексафторидом серы (SF6) или альтернативным газом. Этот газ обладает более высокой диэлектрической прочностью, чем воздух, что позволяет уменьшить габариты оборудования. Помимо воздуха или газа SF6, в оборудовании используются другие изоляционные материалы, такие как трансформаторное масло, бумага, фарфор и полимерные изоляторы.
Структура
Наружные, надземные подстанции включают в себя конструкции из деревянных столбов, решетчатые металлические мачты и трубчатые металлические конструкции, хотя доступны и другие варианты. В местах, где достаточно места и внешний вид подстанции не имеет значения, стальные решетчатые мачты обеспечивают экономичную поддержку линий электропередачи и оборудования. Подстанции с пониженным профилем могут быть установлены в пригородных районах, где внешний вид играет более важную роль. Внутренние подстанции могут быть газоизолированными (ГИС) (при высоком напряжении, с газоизолированным коммутационным оборудованием) или использовать металлозакрытое или металлооболочное коммутационное оборудование при более низких напряжениях. Городские и пригородные внутренние подстанции могут быть отделаны снаружи таким образом, чтобы гармонировать с окружающими зданиями. Компактная подстанция обычно представляет собой наружную подстанцию, построенную в металлическом ограждении, где каждый элемент электрооборудования расположен максимально близко друг к другу для уменьшения занимаемой площади подстанции.