Приемники и потребители электрической энергии систем электроснаб. 1. Приемники электрической энергии Введение
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
4.3. Электрические подстанции 4.3.1. Общие сведения о подстанциях Электрические подстанции являются важнейшими элементами ЕЭС России. Они обеспечивают прием электроэнергии, ее преобразование и распределение по электросети. Крупные подстанции представляют собой громоздкие сооружения, занимающие значительную территорию, а небольшие могут даже размещаться на опорах ЛЭП или специальных мачтах. На рис. 146 показан внешний вид районной подстанции. Рис. 146. Внешний вид подстанции 218 Для преобразования параметров переменного напряжения при транспортировке электроэнергии используются трансформаторные подстанции. Они могут быть повышающими и понижающими. Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот происходит на преобразовательных подстанциях. Для сопряжения различных энергосистем строятся вставки постоянного тока – подстанции, преобразующие переменный ток сначала в постоянный, а затем снова в переменный с другими параметрами. Близкими к подстанциям по роли в энергосистеме являются распределительные пункты. Они выполняют те же задачи, кроме трансформации и преобразования электроэнергии. На конечных участках электросетей часто применяются комплектные трансформаторные подстанции (КТП). Это максимально унифицированные электроустановки, преобразующие напряжение 6 или 10 кВ в 400 В. По значению в энергосистеме различают несколько видов подстанций. Узловая распределительная подстанция питается от энергосистемы напряжением 110–220 кВ. Она, как правило, не трансформирует это напряжение (или трансформирует частично), а лишь распределяет его по расположенным на территории предприятия подстанциям глубокого ввода. Также непосредственно от энергосистемы получают напряжение 35–220 кВ главные понизительные подстанции, распределяющие электроэнергию напряжением 6 или 10 кВ по предприятию. Непосредственно от энергосистемы питаются и подстанции глубокого ввода, у которых сторона высокого напряжения выполнена по упрощенной схеме. Их назначение – питание группы потребителей предприятия или отдельного объекта. Подстанция с первичным напряжением от 6 до 35 кВ, обеспечивающая питание потребителей напряжением 380/220 В, называется трансформаторным пунктом. По обслуживаемой территории подстанции могут быть районными, местными и локальными, то есть снабжающими электричеством объекты, сосредоточенные в одном месте, например в крупном торговом центре. 219 На предприятиях подстанции могут располагаться в отдельных зданиях, но часто пристраиваются к обслуживаемым объектам или встраиваются в них. Также существуют и внутрицеховые, располагаемые внутри. Большим разнообразием подвидов отличаются комплектные подстанции. Они бывают столбовыми, мачтовыми, киосковыми, мобильными на колесной базе и на салазках. По способу присоединения к электроэнергетической сети все подстанции могут быть тупиковыми, ответвительными, проходными и узловыми. Смысл этих терминов поясняет рис. 147. Рис. 147. Типы подстанций по конфигурации сети В последние годы в связи с тотальной компьютеризацией появились так называемые цифровые подстанции. Они отличаются максимальным уровнем автоматизации рабочих процессов. 4.3.2. Основное оборудование подстанций Главным элементом подстанции является силовой трансформатор, которых может быть от одного до трех. Ввиду значимости ему посвящена отдельная тема. Рассмотрим остальное оборудование подстанции. Специальные проводники, подводящие к трансформатору напряжение и отводящие его после преобразования, называются шинами и ошиновкой. К ним предъявляется требование свести к минимуму потери пре передаче электроэнергии, поэтому их сечение значительно больше, чем у проводов ЛЭП. Шины подводят электроэнергию к силовому выключателю, а ошиновка передает ее от выключателя непосредственно к трансформатору. В качестве шин и ошиновки, расположенных на открытом пространстве, обычно 220 используют многожильные круглые провода, а в закрытых помещениях – алюминиевые или медные полосы. В последние годы наметился тренд предпочтения жестких конструкций, поскольку это надежнее и экономичнее. Коммутация высоковольтных цепей является непростой задачей из-за необходимости гашения дуги, особенно в режиме короткого замыкания. Поэтому коммутационные аппараты по сложности и стоимости делятся на несколько типов. Самым высокотехнологичным коммутационным устройством является высоковольтный выключатель, способный не только коммутировать рабочий ток, но и обеспечивать надежный разрыв цепи при коротком замыкании. Выключатель нагрузки может коммутировать номинальный ток, но не предназначен для отключения цепи в режиме короткого замыкания. Разъединители и отделители создают разрыв цепи при отключенном напряжении. Высоковольтные выключатели обязательно имеют дугогасительные устройства и, при необходимости, электрический, пневматический или гидравлический привод. ГОСТ Р-52565-2006 определяет для них номинальные характеристики. Основные из них – значения рабочего напряжения и тока, максимальное действующее значение тока короткого замыкания, допустимая доля апериодического тока. Также этим ГОСТом заданы циклы автоматического повторного включения. Внешний вид высоковольтного выключателя показан на рис. 148. Рис. 148. Высоковольтный выключатель Выключатели подстанций коммутируют напряжения от 6 до 220 кВ при токах до 50 кА. Они выпускаются нескольких типов, в зависимости от способа гашения дуги. 221 В воздушных с этой целью применяется сжатый воздух. Так как дуга представляет собой плазму, то есть ионизированный газ, то его можно сдуть струей воздуха, движущегося со скоростью более 10 м/с. Существуют воздушные выключатели, в которых струя воздуха подается вдоль контактной группы и поперек. Для реализации такого подхода используются контакты специальной формы, в том числе полые. Такие выключатели были теоретически разработаны еще в XIX веке, но их практическая реализация началась лишь в середине XX века. В масляных выключателях реализован способ «простого разрыва под маслом». Контакты выключателя (неподвижный и подвижный) находятся в баке с трансформаторным маслом. В момент разрыва цепи между ними возникает дуга. При этом масло начинает интенсивно испаряться, в газовом пузыре повышается давление, и в очередной момент перехода тока через ноль цепь разрывается и дуга гаснет. Бак масляного выключателя может быть заземлен. В этом случае масло является не только дугогасящей средой, но и изолятором в выключенном состоянии. Также существуют маломасляные выключатели, в которых масло служит либо только дугогасящей средой, либо, кроме того, изолирующей средой контактной группы. Масляные выключатели появились после воздушных и долгое время были основными коммутационными устройствами в электросетях. В элегазовых выключателях в качестве дугогасящей среды используется электронный газ (элегаз) SF 6 . Это тяжелый и плотный газ, по изоляционным свойствам он близок к маслу. Элегазовые выключатели появились сравнительно недавно и в настоящее время считаются одними из наиболее перспективных. В вакуумных выключателях разрыв электрической цепи происходит в вакууме, где практически нет газообразных веществ, способных ионизироваться. Поэтому вакуумные выключатели считаются самыми современными. 222 До 10 кВ применяются электромагнитные выключатели. В них дугогасительная камера имеет узкие щели или решетки, способствующие гашению дуги. Следующим по сложности устройства и цене является выключатель нагрузки. Как следует из названия, этот коммутационный прибор может включать и выключать электрические цепи с номинальным рабочим током, но непригоден для разрыва цепи при коротком замыкании. Его внешний вид представлен на рис. 149. Рис. 149. Выключатель нагрузки Для защиты электрических цепей от короткого замыкания совместно с выключателем нагрузки должны использоваться предохранители. В остальном выключатели нагрузки имеют много общего с высоковольтными выключателями. Они также оборудуются ручным или автоматическим приводом. Разъединитель, показанный на рис. 150, предназначен для коммутации обесточенных цепей с целью создания видимого разрыва. Допускается коммутация малых токов с помощью разъединителей. Рис. 150. Разъединитель Отделитель по конструкции похож на разъединитель, но используется для автоматического отделения поврежденных фрагментов сети в бестоковую паузу автоматического повторного включения. В сочетании с короткозамыкателем заменяет высоковольтный выключатель, создавая искусственное короткое замыкание, которое вызывает срабатывание выключателя питающей цепи. 223 Высоковольтные выключатели и другие коммутационные аппараты могут управляться с помощью мускульной силы человека, но на современных подстанциях чаще применяются автоматические приводы. В них используются электромагниты, электродвигатели, грузы, пружины и сжатый воздух. Прямое действие привода на управляемый механизм используется редко, так как требует большой мощности. Более рационально косвенное воздействие, когда необходимая для переключения аппарата энергия сначала запасается, например, за счет подъема груза, а в нужный момент быстро освобождается. Так как современные электросети немыслимы без автоматической защиты от аварийных ситуаций, то даже ручные приводы имеют в своем составе автоматику. То есть они включаются всегда вручную, а выключаться могут как вручную, так и автоматически. Так, например, известный привод типа ПРБА содержит, кроме ручного механизма, два реле, срабатывающие при превышении порогового тока или при недопустимом падении напряжения. Приводы для дистанционного управления должны быть полностью автоматическими. Наиболее простыми, дешевыми и надежными можно считать грузовые и пружинные, относящиеся к приводам косвенного действия. Они могут работать не только на постоянном, но и на переменном токе, что снижает нагрузку на аккумуляторные батареи. Используемые для накопления механической энергии электродвигатели имеют малую мощность. Электромагнитные приводы осуществляют прямое воздействие на контактную группу, без предварительного накопления энергии, поэтому потребляют значительную мощность. Например, в приводе ПЭ-11 постоянный ток включающей обмотки достигает 120 А. Также он имеет большую массу – 1150 кг. Тем не менее благодаря своей простоте и надежности электромагнитные приводы применяются достаточно широко. 224 Принцип работы пневматического привода понятен из его названия. Такой привод в своем составе имеет баллон для накопления воздуха и клапаны, управляющие его подачей. Хотя конструкция такого устройства достаточно сложна и требует дополнительного оборудования (компрессора, трубопровода и др.), пневматические приводы имеют ряд преимуществ перед электромагнитными. Прежде всего, они обладают высоким быстродействием, что важно с точки зрения гашения дуги, и потребляют малую мощность. Пневмогидравлические приводы запасают необходимую энергию за счет большого давления газа (обычно азота). В жестком стальном баллоне с маслом находится резиновый резервуар, в котором создается высокое давление. Электромагнитный клапан подает масло под давлением на поршневой исполнительный механизм. На сегодняшний день описанный тип привода считается самым эффективным. Он применяется для коммутации цепей от 110 кВ. 4.3.3. Распределительные устройства Непосредственное выполнение функций по приему и распределению электроэнергии каждого конкретного класса напряжения возлагается на распределительные устройства (РУ). Состав каждого РУ достаточно индивидуален, в общем случае в него входят коммутационные аппараты соответствующего класса напряжения, измерительные средства, устройства релейной защиты и автоматики. Для высоковольтных сетей применяются ОРУ – открытые распределительные устройства, все оборудование которых расположено на открытой территории. Каждый элемент устройства смонтирован на бетонном или металлическом основании, под которым при использовании маслонаполненных выключателей, реакторов или трансформаторов оборудуется маслоприемник. Это делается из соображений противопожарной безопасности. 225 Шины ОРУ могут быть выполнены как в виде трубчатых конструкций, так и в виде гибких голых проводов, закрепленных с помощью опорных или подвесных изоляторов. Открытое расположение элементов РУ обладает рядом преимуществ. Прежде всего, нет ограничений на размеры используемого оборудования и расстояния между элементами, что позволяет применять такой подход для высоких классов напряжений. Кроме того, открытая конструкция нагляднее, проще в обслуживании, позволяет проводить необходимые изменения. Однако воздействие неблагоприятных климатических факторов создает свои трудности в работе, а также площадь открытого РУ значительно больше, чем закрытого. Закрытые РУ оборудуются в помещениях. Они предназначены для напряжений от 35 до 110 кВ, в некоторых случаях до 220 кВ. В них применяется то же оборудование, что и для ОРУ. Такие ЗРУ компактнее, но особыми преимуществами по сравнению с отрытыми не обладают. Гораздо чаще в ЗРУ используется комплектное оборудование, а распределительные устройства такого типа называются комплектными (КРУ). При напряжении до 35 кВ ячейки КРУ, имеющие вид шкафов, устанавливаются в ряд вдоль стены и стягиваются в единую конструкцию. Высоковольтные электрические соединения в ячейках выполняются шинами, то есть проводниками без изоляции, а низковольтные (цепи управления и РЗиА) – изолированными проводами. Для более высоких напряжений воздушная изоляция не является достаточно эффективной, поэтому коммутационные устройства помещают в элегазовую или вакуумную камеру. Элегазовые КРУ получили обозначение КРУЭ. Они громоздки и менее надежны по сравнению с вакуумными, но вакуумные сложнее по технологии изготовления и в настоящее время несколько отстают от элегазовых по классу напряжения. 226 Основу конструкции РУ составляют секции сборных шин, к которым присоединены коммутационные элементы и другое оборудование. В простейшем случае может быть всего одна секция. Вариант такого РУ показан на рис. 151. Рис. 151. РУ с одной секцией сборных шин Подобная конструкция, несмотря на простоту и дешевизну, не получила широкого распространения, так как отключение или авария одного элемента приводит к обесточиванию всех остальных потребителей. Более предпочтительны распределительные устройства с несколькими секциями сборных шин. На рис. 152 в качестве примера показана двухсекционная конструкция. Рис. 152. РУ с двумя секциями сборных шин Коммутационные аппараты питания и нагрузки подключены к каждой секции, а между собой секции соединены секционными выключателями. Описанная конструкция более практична, но она тоже имеет недостатки. При проведении ремонта или обслуживания коммутационного аппарата отходящего присоединения приходится отключать все остальные присоединения данной секции. Это не всегда приемлемо. Для решения этой проблемы в схему РУ вводят обходную систему – дополнительные шины с разъединителями. Распределительное устройство с двумя сборными шинами и обходным устройством изображено на рис. 153. 227 Рис. 153. РУ с двумя секциями сборных шин и обходным устройством 4.3.4. Оборудование собственных нужд подстанции Для обеспечения надежного функционирования подстанции необходимо выполнять множество вспомогательных действий, что требует существенных затрат электроэнергии. Эти действия называются собственными нуждами и состоят в выполнении комплекса задач по терморегуляции, обеспечении оперативным током и сжатым воздухом. Также к собственным нуждам относится электропитание вспомогательного оборудования: дренажных насосов, станков, инструмента и т. п. Нормальная работа оборудования подстанции предполагает поддержание микроклимата в пределах, установленных руководящими документами и санитарными нормами. Особо жесткие требования предъявляются к преобразовательным подстанциям. В частности, в холодный период года даже при неработающем оборудовании температура воздуха в местах расположения преобразовательных устройств не должна быть ниже +16 о С, а в помещениях с теплообменниками +10 о С. В жаркий период, наоборот, нужно предотвращать перегрев оборудования. В рабочих помещениях подстанции температура воздуха не должна быть выше, чем на улице, более чем на 5 о С, а максимальная температура не должна превышать 40 о С. Система вентиляции должна содержать фильтры и устройства защиты от пыли. Кроме поддержания требуемой температуры воздуха, на подстанции предусматривается непосредственный обогрев отдельных шкафов, приводов, счетчиков и других элементов. 228 Из всех задач обеспечения собственных нужд наиболее сложной и ответственной является обеспечение переменным, выпрямленным и постоянным оперативным током. Основным источником переменного оперативного тока является специальный трансформатор, называемый трансформатором собственных нужд (ТСН). В качестве дополнительных источников используются измерительные трансформаторы. Для обеспечения дееспособности подстанции в случае аварии в ее составе имеется автономный электрогенератор, как правило, дизельный. Трансформаторов собственных нужд на подстанции может быть несколько, в зависимости от ее роли в энергосистеме, класса напряжения и других особенностей. Если силовой трансформатор один, то ТСН обычно тоже один. Соответственно, при двух силовых трансформаторах целесообразно иметь два ТСН, а если на подстанции много ответственного оборудования, то их может быть три. Мощность одного трансформатора не должна превышать 630 кВА, но при достаточно аргументированном обосновании может достигать 1000 кВА. Внешний вид типового трансформатора собственных нужд представлен на рис. 154. Рис. 154. Внешний вид трансформатора собственных нужд При выборе ТСН обслуживаемые им объекты рассматриваются как обычные потребители с собственными коэффициентами графиков электрической нагрузки. По известным методикам производится расчет и определяется расчетная мощность Р расч . При одном ТСН его мощность Р т должна удовлетворять условию Р т ≥ Р расч . (68) 229 На подстанции с двумя ТСН и круглосуточным дежурством персонала мощность трансформаторов должна выбираться с учетом максимально допустимой перегрузки. Она описывается соответствующим коэффициентом аварийной перегрузки К ап , который, как правило, имеет значение 1,4. Тогда Р т ≥ Р расч К ап ⁄ (69) Для варианта с тремя и более ТСН вместо К ап в качестве делителя используется величина аварийной перегрузки П: Р т ≥ Р расч П. ⁄ (70) Переменный оперативный ток от ТСН или измерительных трансформаторов подходит для многих целей, так как электромагнитные приводы большинства устройств подстанции на него рассчитаны. Для повышения качества электроэнергии могут применяться стабилизаторы напряжения. Промышленность выпускает много типов ТСН. В качестве примера рассмотрим один из них – ТСЗН 15-630/10(6). В нем применены современные изоляционные материалы, позволяющие переносить повышенные температуры обмоток. Этот трансформатор сохраняет работоспособность при температуре окружающего воздуха +80 о С и допускает перегрузку до 133 %. Основные характеристики трансформаторов данного типа приведены в табл. 8. Таблица 8 Характеристики трансформаторов ТСЗН 25-630/10(6) Мощность Напряжение ВН Напряжение НН Потери холостого хода, кВт Потери КЗ, кВт Напряжение КЗ 25 кВА 10 (6) кВ 0,4 кВ 0,26 0,46 4,0 % 40 кВА 10 (6) кВ 0,4 кВ 0,3 0,7 4,0 % 63 кВА 10 (6) кВ 0,4 кВ 0,34 1,03 4,0 % 230 100 кВА 10 (6) кВ 0,4 кВ 0,515 1,6 4,0 % 160 кВА 10 (6) кВ 0,4 кВ 0,67 2,3 4,0 % 250 кВА 10 (6) кВ 0,4 кВ 0,89 3,1 4,0 % 400 кВА 10 (6) кВ 0,4 кВ 1,15 4,3 4,0 % 630 кВА 10 (6) кВ 0,4 кВ 1,5 6,4 4,0 % Выпрямленный ток получают с помощью вентильных выпрямителей. Он может применяться совместно с нестабилизированными и стабилизированными блоками питания для обеспечения работы автоматики, релейной защиты, приводов коммутационных аппаратов. Значительную часть выпрямленного тока потребляют аккумуляторные батареи совместно с зарядно-выпрямительными устройствами. Они являются источниками постоянного тока. На подстанциях используются свинцовые аккумуляторы большой емкости, объединенные в батареи напряжением более 220 В. Так, например, распространенная батарея 6ССАП600 состоит из 118 элементов и имеет номинальное напряжение 283 В. Батарея разделена на две части – основную и так называемый «хвост». Основная часть содержит 105 аккумуляторов и в заряженном состоянии обеспечивает питание потребителей напряжением около 220 В. Остальные элементы используются для поддержания рабочего напряжения в заданных пределах при разряде. Аккумулятор из состава батареи подстанции изображен на рис. 155. Рис. 155. Аккумулятор 6ССАП600 В обычном режиме эксплуатации эти аккумуляторы, как и другие свинцовые, могут прослужить 4–5 лет. На подстанциях с целью увеличения 231 срока службы до 15 лет используется режим постоянного подзаряда. Это реализуется с помощью зарядно-выпрямительного устройства (ЗВУ). ЗВУ представляет собой специальный трансформатор с выпрямительной схемой и автоматикой, обеспечивающей различные режимы работы устройства. Трансформатор может быть как трехфазным, так и однофазным. Выпрямительная схема обеспечивает регулирование выходного напряжения и тока. В последние годы устаревшие тиристорные схемы с фазо-импульсным регулированием вытесняются транзисторными. Типовой режим работы устройства – подзаряд слабыми токами – не требует особо большой мощности, однако ЗВУ еще является источником постоянного оперативного тока. Также для профилактики сульфатации пластин аккумуляторов требуется периодически проводить контрольно- тренировочные циклы нормальным зарядным током – около 60А. Поэтому мощность устройства должна быть порядка 20 кВт, что предполагает применение мощных электронных компонентов. Дополнительные способы продления срока службы аккумуляторных батарей заключаются в обеспечении оптимальных условий эксплуатации и контроле каждого элемента аккумуляторной батареи. С этой целью помещение, где размещается батарея, обеспечивается надлежащим кондиционированием воздуха, обеспечивается постоянный контроль уровня электролита в каждом аккумуляторе. Для этого его корпус изготавливается из прозрачного материала. Контроль уровня электролита может быть как визуальным, то есть при обходах, так и автоматическим. При наличии прозрачного корпуса для этого могут быть использованы оптические датчики, реагирующие на изменение коэффициента преломления. На стадии внедрения находятся методы контроля температуры каждого аккумулятора в батарее с помощью полупроводниковых термодатчиков, а также контроля его выходного напряжения. Описанные меры позволяют быстро распознать короткое замыкание в аккумуляторе и принять 232 необходимые меры. Это не сложно, потому что при замыкании аккумулятор сильно нагревается, а его напряжение резко падает. Научный прогресс коснулся и конструкции ЗВУ. Есть предложения проводить контрольно-тренировочные циклы аккумуляторных батарей асимметричным током. Это означает, что импульсы зарядного тока чередуются с разрядом батареи. Соотношение зарядного и разрядного токов 10:1. Считается, что такой режим способствует десульфатации пластин и тем самым продлевает срок службы аккумуляторов. Для управления средствами обеспечения собственных нужд подстанции применяются комплектные устройства – щиты переменного и постоянного тока. Щит переменного тока обеспечивает, кроме коммутации, защиту цепей переменного тока и автоматический переход на резервную линию электропередачи. Щит постоянного тока предназначен для питания всевозможной автоматики и работает совместно с аккумуляторной батареей и зарядным устройством для нее. Внешний вид типового щита переменного тока показан на рис. 156. Рис. 156. Внешний вид щита переменного тока Он обеспечивает надежное функционирование всех потребителей данного рода тока на подстанции, а также защищает их от коротких замыканий, перегрузки и других аварийных ситуаций. Он осуществляет распределение трехфазного и однофазного тока напряжением 400 В. Щит имеет, как правило, сейсмостойкое исполнение и конструктивно представляет собой комплект ячеек с автоматическими выключателями и защитными устройствами обслуживаемых электрических цепей. Он запитывается от описанных выше источников переменного напряжения и обязательно комплектуется системой автоматического ввода резерва. 233 Щит постоянного тока обеспечивает управление всеми потребителями постоянного тока подстанции – от аварийного освещения до высоковольтных выключателей. Его основным источником электроэнергии являются штатные выпрямители, а резервным – аккумуляторная батарея. Он может быть комплектным устройством или разрабатываться по проекту заказчика. Кроме силовой части, его основными функциональными элементами являются вспомогательные системы, отвечающие за сигнализацию, контроль качества напряжения, мониторинг функционирования и т. п. Вспомогательные системы могут иметь разнообразное исполнение в соответствии с желанием заказчика. Сигнализация может включать охранную, противопожарную и иные подсистемы. Контроль фидеров отслеживает значения токов и напряжений в них, а также состояние изоляции. Особое значение имеет система контроля состояния и режима работы аккумуляторных батарей. Она должна обеспечивать контроль токов заряда и разряда в различных режимах работы, а также параметры зарядно- выпрямительного устройства. Аварийные ситуации распознаются автоматически и передаются на диспетчерский пункт. Конструктивно щит постоянного тока объединяет несколько шкафов, которые на месте установки собираются в единое целое. |