Stacja elektroenergetyczna - Electrical substation

Elementy podstacji
  1. Strona głównych linii energetycznych
  2. Strona wtórnych linii energetycznych
  1. Pierwotne linie energetyczne
  2. Uziemienie
  3. Linie napowietrzne
  4. Transformator do pomiaru napięcia elektrycznego
  5. Odłącz przełącznik
  6. Wyłącznik obwodu
  7. Przekładnik prądowy
  8. Odgromnik
  9. Główny transformator
  10. Kontroluj budynek
  11. Ogrodzenie ochronne
  12. Wtórne linie energetyczne
A 50 Hz podstacja elektryczna w Melbourne , Australia . Pokazuje to trzy z pięciu transformatorów 220 kV/66 kV, a także bariery przeciwpożarowe transformatorów wysokiego napięcia , każdy o mocy 150 MVA. Ta podstacja jest zbudowana przy użyciu stalowych konstrukcji kratowych do podtrzymywania przewodów i aparatury szyny naprężeń.
Podstacja 115 kV do 41,6/12,47 kV 5 MVA 60 Hz z przełącznikiem obwodów, regulatorami, reklozerami i budynkiem sterowania w Warren, Minnesota . Ta podstacja pokazuje elementy konstrukcji niskoprofilowej; aparat jest montowany na poszczególnych kolumnach.

Podstacji jest częścią elektrycznego wytwarzania , przesyłania i dystrybucji systemu. Podstacje przekształcają napięcie z wysokiego na niskie lub odwrotnie lub wykonują jedną z kilku innych ważnych funkcji. Pomiędzy elektrownią a odbiorcą energia elektryczna może płynąć przez kilka podstacji na różnych poziomach napięcia. Podstacja może zawierać transformatory do zmiany poziomów napięcia między wysokimi napięciami przesyłowymi a niższymi napięciami dystrybucyjnymi lub na połączeniu dwóch różnych napięć przesyłowych.

Podstacje mogą być własnością i być obsługiwane przez przedsiębiorstwo energetyczne lub mogą być własnością dużego klienta przemysłowego lub komercyjnego. Generalnie podstacje są bezobsługowe i polegają na systemie SCADA do zdalnego nadzoru i sterowania.

Słowo „ podstacja” pochodzi z czasów, zanim system dystrybucji stał się siecią . W miarę rozrastania się centralnych stacji wytwórczych, mniejsze elektrownie zostały przekształcone w stacje dystrybucyjne, otrzymujące energię z większej elektrowni, zamiast korzystać z własnych generatorów. Pierwsze podstacje były podłączone tylko do jednej elektrowni , w której znajdowały się generatory i były filiami tej elektrowni.

Stacja 220 kV/110 kV/20 kV w Niemczech

Rodzaje

Podstacja wysokiego napięcia w Kaanaa , Pori , Finlandia

Podstacje można opisać na podstawie ich klasy napięciowej, ich zastosowań w systemie elektroenergetycznym, metody zastosowanej do izolacji większości połączeń oraz stylu i materiałów użytych konstrukcji. Kategorie te nie są rozłączne; na przykład, aby rozwiązać konkretny problem, podstacja przesyłowa może obejmować istotne funkcje dystrybucyjne.

Podstacja w Rosji

Podstacja przesyłowa

Podstacji przekładnia łączy dwie lub więcej linii przesyłowych. Najprostszy przypadek to taki, w którym wszystkie linie przesyłowe mają to samo napięcie. W takich przypadkach podstacja zawiera przełączniki wysokiego napięcia, które umożliwiają podłączenie lub odizolowanie linii w celu usunięcia awarii lub konserwacji. Stacja przesyłowa może mieć transformatory do konwersji między dwoma napięciami przesyłowymi, urządzenia do regulacji napięcia / korekcji współczynnika mocy , takie jak kondensatory, dławiki lub statyczne kompensatory VAR oraz sprzęt, taki jak transformatory przesuwające fazę, do sterowania przepływem mocy między dwoma sąsiednimi systemami energetycznymi.

Minimalna stacja WN w Niemczech

Podstacje przesyłowe mogą mieć charakter od prostych do złożonych. Mała „rozdzielnia” może być niewiele więcej niż autobusem i kilkoma wyłącznikami . Największe podstacje przesyłowe mogą obejmować duży obszar (kilka akrów/hektarów) z wieloma poziomami napięcia, wieloma wyłącznikami oraz dużą ilością sprzętu zabezpieczającego i sterującego ( przekładniki napięciowe i prądowe , przekaźniki i systemy SCADA ). Nowoczesne podstacje mogą być wdrażane przy użyciu międzynarodowych standardów, takich jak norma IEC 61850 .

Podstacja dystrybucyjna

Wieża transformatorowa w Niemczech. Zasilanie średniego napięcia z przodu, wyjście niskiego napięcia z boku.
Podstacja dystrybucyjna w Scarborough , Ontario, przebrana za dom, wraz z podjazdem, chodnikiem i skoszonym trawnikiem i krzewami na podwórku. Na „drzwiach wejściowych” widać wyraźnie ostrzeżenie. Przebrania dla podstacji są powszechne w wielu miastach.

Podstacji dystrybucja przenosi moc z systemu przesyłowego do systemu dystrybucyjnego na danym obszarze. Bezpośrednie podłączanie odbiorców energii elektrycznej do głównej sieci przesyłowej jest nieopłacalne, chyba że zużywają one duże ilości energii, dlatego stacja rozdzielcza obniża napięcie do poziomu odpowiedniego dla dystrybucji lokalnej.

Wejściem dla podstacji dystrybucyjnej są zazwyczaj co najmniej dwie linie przesyłowe lub podprzesyłowe. Napięcie wejściowe może wynosić, na przykład, 115 kV lub inne powszechne w okolicy. Wyjściem jest liczba podajników. Napięcia dystrybucyjne to zazwyczaj średnie napięcie, od 2,4 kV do 33 kV, w zależności od wielkości obsługiwanego obszaru i praktyk lokalnego zakładu energetycznego. Linie zasilające biegną wzdłuż ulic napowietrznych (lub w niektórych przypadkach pod ziemią) i zasilają transformatory rozdzielcze w lokalach klientów lub w ich pobliżu.

Oprócz transformacji napięcia, podstacje dystrybucyjne izolują również awarie w systemach przesyłowych lub dystrybucyjnych. Podstacje rozdzielcze są zazwyczaj punktami regulacji napięcia , chociaż w długich obwodach rozdzielczych (kilka mil/kilometrów) wzdłuż linii można również zainstalować urządzenia do regulacji napięcia.

W obszarach śródmiejskich dużych miast znajdują się skomplikowane podstacje dystrybucyjne, z rozdzielniami wysokiego napięcia oraz układami łączeniowymi i rezerwowymi po stronie niskiego napięcia. Bardziej typowe podstacje dystrybucyjne mają przełącznik, jeden transformator i minimalne urządzenia po stronie niskiego napięcia.

Podstacja kolektorowa

W projektach generacji rozproszonej , takich jak farma wiatrowa lub elektrownia fotowoltaiczna , może być wymagana podstacja kolektorowa. Przypomina podstację dystrybucyjną, chociaż przepływ mocy jest w przeciwnym kierunku, z wielu turbin wiatrowych lub falowników do sieci przesyłowej. Zwykle, ze względu na oszczędność budowy, system kolektorów pracuje około 35 kV, chociaż niektóre systemy kolektorów mają napięcie 12 kV, a podstacja kolektorów zwiększa napięcie do napięcia przesyłowego dla sieci. Podstacja kolektorów może również zapewnić korekcję współczynnika mocy, jeśli jest to konieczne, pomiary i sterowanie farmą wiatrową. W niektórych szczególnych przypadkach podstacja kolektorowa może również zawierać stację przekształtnikową HVDC.

Podstacje kolektorowe istnieją również tam, gdzie w pobliżu znajduje się wiele elektrowni cieplnych lub wodnych o porównywalnej mocy wyjściowej. Przykładami takich podstacji są Brauweiler w Niemczech i Hradec w Czechach, gdzie energia pobierana jest z pobliskich elektrowni opalanych węglem brunatnym . Jeżeli do podwyższenia napięcia do poziomu przesyłu nie są potrzebne transformatory, podstacja jest rozdzielnią.

Stacje przekształtnikowe

Podstacje przekształtnikowe mogą być powiązane z instalacjami przekształtnikowymi HVDC , prądem trakcyjnym lub połączonymi ze sobą sieciami asynchronicznymi. Stacje te zawierają urządzenia energoelektroniczne do zmiany częstotliwości prądu lub konwersji z prądu przemiennego na prąd stały lub odwrotnie. Dawniej konwertery obrotowe zmieniały częstotliwość, aby połączyć dwa systemy; w dzisiejszych czasach takie podstacje są rzadkością.

Rozdzielnia

Rozdzielnia to podstacja bez transformatorów, pracująca tylko na jednym poziomie napięcia. Rozdzielnie są czasami używane jako stacje zbiorcze i rozdzielcze. Czasami służą do przełączania prądu do linii rezerwowych lub do zrównoleglania obwodów w przypadku awarii. Przykładem są rozdzielnie linii przesyłowej HVDC Inga–Shaba .

Rozdzielnia może być również znana jako rozdzielnia i są one zwykle zlokalizowane bezpośrednio w sąsiedztwie lub w pobliżu elektrowni . W tym przypadku generatory z elektrowni dostarczają energię na plac do szyny generatorowej po jednej stronie placu, a linie przesyłowe pobierają energię z szyny zasilającej po drugiej stronie placu.

Ważną funkcją pełnioną przez stację elektroenergetyczną jest przełączanie , czyli podłączanie i odłączanie linii przesyłowych lub innych elementów do i z systemu. Zdarzenia zamiany mogą być planowane lub nieplanowane. Linia przesyłowa lub inny element może wymagać odłączenia zasilania w celu konserwacji lub nowej budowy, na przykład dodawania lub usuwania linii przesyłowej lub transformatora. Aby utrzymać niezawodność dostaw, firmy dążą do utrzymywania systemu w stanie gotowości i działania podczas wykonywania konserwacji. Wszystkie prace do wykonania, od rutynowych testów po dodawanie całkowicie nowych podstacji, powinny być wykonywane przy zachowaniu działania całego systemu.

Nieplanowane zdarzenia łączeniowe są spowodowane awarią linii przesyłowej lub dowolnego innego elementu, na przykład:

  • w linię uderza piorun i powstaje łuk ,
  • wieża jest zmiecione przez silny wiatr.

Zadaniem rozdzielni jest odizolowanie uszkodzonej części systemu w możliwie najkrótszym czasie. Odłączenie wadliwego sprzętu chroni go przed dalszymi uszkodzeniami, a odizolowanie usterki pomaga utrzymać stabilność pracy reszty sieci elektrycznej.

Szyny kolejowe

Koleje zelektryfikowane również korzystają z podstacji, często podstacji dystrybucyjnych. W niektórych przypadkach ma miejsce konwersja typu prądu, zwykle z prostownikami dla pociągów prądu stałego (DC) lub przetwornicami obrotowymi dla pociągów wykorzystujących prąd przemienny (AC) o częstotliwościach innych niż częstotliwość sieci publicznej. Czasami są to również podstacje przesyłowe lub podstacje kolektorowe, jeśli sieć kolejowa obsługuje również własną sieć i generatory do zasilania pozostałych stacji.

Mobilna podstacja

Mobile podstacja jest podstacja na kółkach, zawierający transformator, wyłączniki i buswork zamontowany na samowystarczalnego naczepą , ma być ciągnięty przez ciężarówkę . Zostały zaprojektowane tak, aby były kompaktowe do podróżowania po drogach publicznych i służą do tymczasowego tworzenia kopii zapasowych w czasie klęski żywiołowej lub wojny . Podstacje mobilne są zwykle oceniane znacznie niżej niż instalacje stałe i mogą być budowane w kilku jednostkach, aby sprostać ograniczeniom ruchu drogowego.

Projekt

Adelard-Godbout podstacji w Montrealu Kanada jest najstarszym podstacji, w ciągłej eksploatacji od roku 1901. Ma elewacji w glinianej cegły z szarymi kamiennymi ozdobami, aby wtopić się w jego otoczeniu miasta.
Podstacja w budynku przypominającym zamek z lat 1910, służy jako punkt dystrybucyjny obok zapory Lésna, jednej z kilku elektrowni wodnych na rzece Bóbr .
Wieża dystrybucyjna 15 kV/400 V w Polsce

Elementy podstacji

Podstacje są zazwyczaj wyposażone w urządzenia przełączające, zabezpieczające i sterujące oraz transformatory. W dużej podstacji wyłączniki są używane do przerywania wszelkich zwarć lub prądów przeciążeniowych, które mogą wystąpić w sieci. Mniejsze stacje rozdzielcze mogą stosować wyłączniki lub bezpieczniki reklozera do ochrony obwodów rozdzielczych. Same podstacje zwykle nie mają generatorów, chociaż elektrownia może mieć w pobliżu podstację. Inne urządzenia, takie jak kondensatory , regulatory napięcia i dławiki, mogą również znajdować się w podstacji.

Podstacje mogą znajdować się na powierzchni w ogrodzonych obudowach, pod ziemią lub w budynkach specjalnego przeznaczenia. Budynki wysokościowe mogą mieć kilka podstacji wewnętrznych. Podstacje wnętrzowe zwykle znajdują się na obszarach miejskich w celu zmniejszenia hałasu z transformatorów, ze względu na ich wygląd lub w celu ochrony rozdzielnicy przed ekstremalnymi warunkami klimatycznymi lub zanieczyszczeniami.

Uziemienia systemu (uziemienie) muszą być zaprojektowane. Całkowity wzrost potencjału ziemi oraz gradienty potencjału podczas zwarcia (nazywane potencjałami dotykowymi i krokowymi ) muszą być obliczone, aby chronić przechodniów podczas zwarcia w systemie przesyłowym. Zwarcia doziemne w podstacji mogą powodować wzrost potencjału uziemienia. Prądy płynące po powierzchni Ziemi podczas zwarcia mogą spowodować, że metalowe przedmioty będą miały znacznie inne napięcie niż ziemia pod stopami człowieka; ten potencjał dotykowy stwarza zagrożenie porażenia prądem. Jeżeli podstacja ma metalowe ogrodzenie, musi być odpowiednio uziemione, aby chronić ludzi przed tym zagrożeniem.

Główne problemy, przed którymi stoi energetyk, to niezawodność i koszt. Dobry projekt stara się znaleźć równowagę między tymi dwoma, aby osiągnąć niezawodność bez nadmiernych kosztów. Projekt powinien również umożliwiać rozbudowę stacji w razie potrzeby.

Wybór lokalizacji

Wybór lokalizacji podstacji musi uwzględniać wiele czynników. Wymagana jest wystarczająca powierzchnia gruntu do zainstalowania sprzętu z niezbędnymi prześwitami dla bezpieczeństwa elektrycznego oraz do dostępu w celu konserwacji dużych urządzeń, takich jak transformatory.

Tam, gdzie grunty są drogie, na przykład na obszarach miejskich, rozdzielnice z izolacją gazową mogą ogólnie zaoszczędzić pieniądze. Podstacje zlokalizowane na obszarach przybrzeżnych dotkniętych powodziami i burzami tropikalnymi mogą często wymagać podwyższonej konstrukcji, aby sprzęt był wrażliwy na przepięcia był odporny na te elementy. Zakład musi mieć miejsce na rozbudowę ze względu na wzrost obciążenia lub planowane zwiększenie transmisji. Należy wziąć pod uwagę skutki środowiskowe podstacji, takie jak odwadnianie , hałas i wpływ ruchu drogowego.

Miejsce podstacji musi znajdować się centralnie w stosunku do obsługiwanego obszaru dystrybucji. Miejsce to musi być zabezpieczone przed wtargnięciem przechodniów, zarówno w celu ochrony ludzi przed porażeniem prądem elektrycznym lub łukiem elektrycznym, jak i w celu ochrony instalacji elektrycznej przed nieprawidłowym działaniem spowodowanym aktami wandalizmu.

Schematy projektowe

Podstacja Tottenham, położona w dzikim parku w północnym Londynie.

Pierwszym krokiem w planowaniu rozmieszczenia stacji jest przygotowanie schematu jednokreskowego , który w uproszczony sposób przedstawia wymagany układ łączeniowy i zabezpieczeniowy, a także dochodzące i wychodzące linie zasilające lub linie przesyłowe. Powszechną praktyką wielu zakładów energetycznych jest sporządzanie schematów jednokreskowych z głównymi elementami (linie, przełączniki, wyłączniki, transformatory) rozmieszczonymi na stronie w sposób podobny do tego, w jaki aparatura byłaby rozplanowana w stacji rzeczywistej.

We wspólnej konstrukcji linie przychodzące mają odłącznik i wyłącznik automatyczny . W niektórych przypadkach linie nie będą miały obu, a przełącznik lub wyłącznik automatyczny to wszystko, co uważa się za konieczne. Wyłącznik służy do zapewnienia izolacji, ponieważ nie może przerywać prądu obciążenia. Wyłącznik jest używany jako urządzenie zabezpieczające do automatycznego przerywania prądów zwarciowych i może być używany do włączania i wyłączania obciążeń lub do odcinania linii, gdy prąd płynie w „niewłaściwym” kierunku. Gdy przez wyłącznik przepływa duży prąd zwarciowy, jest to wykrywane za pomocą przekładników prądowych . Wielkość wyjść przekładnika prądowego może być wykorzystana do wyzwolenia wyłącznika powodującego odłączenie obciążenia dostarczanego przez wyłącznik od punktu zasilania. Ma to na celu odizolowanie punktu awarii od reszty systemu i umożliwienie dalszej pracy reszty systemu przy minimalnym wpływie. Zarówno wyłączniki, jak i wyłączniki mogą być obsługiwane lokalnie (w obrębie podstacji) lub zdalnie z nadrzędnego centrum sterowania.

W przypadku napowietrznych linii przesyłowych propagacja wyładowań atmosferycznych i przepięć łączeniowych może powodować awarie izolacji urządzeń podstacji. Ograniczniki przepięć na wejściu linii służą do odpowiedniej ochrony sprzętu podstacji. Badania koordynacyjne izolacji są szeroko prowadzone, aby zapewnić, że awarie sprzętu (i związane z nimi przestoje ) są minimalne.

Po przejściu przez elementy przełączające linie o danym napięciu łączą się z jedną lub kilkoma magistralami . Są to zestawy szyn zbiorczych , zwykle w wielokrotnościach trzech, ponieważ trójfazowy rozdział energii elektrycznej jest w dużej mierze uniwersalny na całym świecie.

Rozmieszczenie zastosowanych przełączników, wyłączników i szyn ma wpływ na koszt i niezawodność podstacji. W przypadku ważnych podstacji można zastosować szynę pierścieniową, podwójną szynę lub tak zwaną konfigurację „półtora wyłącznika”, aby awaria jednego wyłącznika nie przerywała zasilania innych obwodów i aby części podstacji mogły być odłączone od zasilania na czas konserwacji i napraw. Podstacje zasilające tylko jedno obciążenie przemysłowe mogą mieć minimalne wymagania dotyczące przełączania, szczególnie w przypadku małych instalacji.

Ten schemat jednoliniowy ilustruje koncepcję półtora wyłącznika, często używaną w rozdzielniach.

Po ustaleniu szyn dla różnych poziomów napięcia, transformatory można podłączyć między poziomami napięcia. Będą one ponownie wyposażone w wyłącznik, podobnie jak linie przesyłowe, na wypadek awarii transformatora (powszechnie nazywanego „zwarciem”).

Oprócz tego podstacja zawsze ma obwody sterujące potrzebne do nakazania otwarcia różnych wyłączników w przypadku awarii jakiegoś elementu.

Automatyzacja

Wczesne podstacje elektryczne wymagały ręcznego przełączania lub regulacji sprzętu oraz ręcznego gromadzenia danych dotyczących obciążenia, zużycia energii i nietypowych zdarzeń. Wraz ze wzrostem złożoności sieci dystrybucyjnych, ekonomicznie konieczne stało się zautomatyzowanie nadzoru i kontroli podstacji z centralnie obsługiwanego punktu, aby umożliwić ogólną koordynację w przypadku awarii i obniżyć koszty operacyjne. Wczesne próby zdalnego sterowania podstacjami wykorzystywały dedykowane przewody komunikacyjne, często biegnące wzdłuż obwodów zasilających. Sieć nośna , radio mikrofalowe , kable światłowodowe, a także dedykowane przewodowe obwody zdalnego sterowania zostały zastosowane w systemach SCADA dla podstacji. Rozwój mikroprocesora spowodował wykładniczy wzrost liczby punktów, które można było ekonomicznie kontrolować i monitorować. Obecnie znormalizowane protokoły komunikacyjne, takie jak DNP3 , IEC 61850 i Modbus , aby wymienić tylko kilka, są używane do umożliwienia wielu inteligentnym urządzeniom elektronicznym komunikowania się ze sobą i nadrzędnymi centrami sterowania. Rozproszona automatyka na stacjach elektroenergetycznych jest jednym z elementów tzw. smart grid .

Izolacja

Przełączniki, wyłączniki automatyczne, transformatory i inne urządzenia mogą być połączone za pomocą izolowanych powietrzem, nieosłoniętych przewodów naciągniętych na konstrukcje wsporcze. Wymagana przestrzeń powietrzna wzrasta wraz z napięciem systemu i wartością znamionową przepięcia piorunowego. W przypadku podstacji rozdzielczych średniego napięcia można stosować aparaturę rozdzielczą w metalowej obudowie i w ogóle nie odsłaniać przewodów pod napięciem. W przypadku wyższych napięć rozdzielnica z izolacją gazową zmniejsza wymaganą przestrzeń wokół szyny pod napięciem. Zamiast przewodów gołych, magistrali i urządzenie wbudowane ciśnieniem cylindrycznych pojemników z sześciofluorek siarki (SF 6 ) gazu. Gaz ten ma wyższą wartość izolacyjną niż powietrze, co pozwala na zmniejszenie wymiarów aparatu. Oprócz powietrza lub gazu SF 6 , urządzenie będzie wykorzystywać inne materiały izolacyjne, takie jak olej transformatorowy , papier, porcelana i izolatory polimerowe.

Struktura

Zewnętrzne, naziemne konstrukcje podstacji obejmują słup drewniany, metalową wieżę kratową i metalowe konstrukcje rurowe, chociaż dostępne są inne warianty. Tam, gdzie jest dużo miejsca, a wygląd stacji nie ma znaczenia, stalowe wieże kratowe zapewniają tanie podpory dla linii i aparatury przesyłowej. Podstacje niskoprofilowe mogą być stosowane w obszarach podmiejskich, gdzie wygląd jest bardziej istotny. Podstacje wnętrzowe mogą być rozdzielnicami izolowanymi gazem (przy wysokich napięciach) lub rozdzielnicami metalowymi lub metalowymi przy niższych napięciach. Węzły cieplne miejskie i podmiejskie mogą być wykończone na zewnątrz tak, aby wtopiły się w inne budynki w okolicy.

Kompaktowy podstacja jest na ogół na zewnątrz podstacji wybudowany w metalowej obudowie, w której każdy element sprzętu elektrycznego znajduje się bardzo blisko siebie, aby utworzyć stosunkowo mniejszy rozmiar śladu cieplnego.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

RMS de Oliveira i CLSS Sobrinho (2009). „Środowisko obliczeniowe do symulacji uderzeń piorunów w podstacji elektroenergetycznej metodą różnic skończonych w dziedzinie czasu”. Transakcje IEEE dotyczące kompatybilności elektromagnetycznej . 51 (4): 995–1000. doi : 10.1109/TEMC.2009.2028879 .