Електрически подстанции

ЕлектроенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 1, 2015

Технологии и оборудване

Подстанциите са сложен електрически комплекс, част от преноса и разпределението на електрическа енергия, предназначен за приемане, преобразуване и разпределение на електрическа енергия. Различават се два основни вида: разпределителни и трансформаторни. Сложната им структура предполага наличие на много основни и допълнителни елементи.

Главните от тях са силов трансформатор или автотрансформатор, електрически въводи, кабелни и въздушни електропроводи, комутационни апарати за ниско и високо напрежение, шинни системи и др. Друг важен елемент е системата за захранване на собствените нужди на подстанцията, която включва трансформатори, табла за променлив и постоянен ток, акумулаторни батерии.

Към основните устройства се отнасят още системите за защита и контрол, автоматиката и системата за заземяване, мълниезащита, приборите за отчитане на електроенергията и системата за компенсиране на реактивната мощност. Към спомагателните устройства могат да се отнесат осветителната инсталация, вентилация, климатизация и противопожарните системи.

Системни подстанции

Системните подстанции се захранват от преносни (магистрални) електропроводи за високо и свръхвисоко напрежение и служат за транзитен пренос от внос и износ на електрическа енергия на големи разстояния, трансформиране на напрежението и преобразуване на големи мощности. Изграждат се за две или три напрежения. Първичните са 1250 kV, 750 kV или 400 kV, а вторичните са 400 kV или 220 kV.

Почти винаги имат синхронен компенсатор 50 - 100 MVA или повече, за компенсация на реактивната мощност. Системните подстанции се строят на големи площадки и имат непрекъснато дежурен персонал с висока квалификация. Също така силно развита е системата за дистанционна и телеметрична информация.

Състоят се от две или три ОРУ (открито разпределително устройство) за високо и свръхвисоко напрежение. Високите нива на напрежение в тях изискват използването на мощни, високоволтови апарати за превключване на електрическите им вериги. За да се намалят габаритите на уредбата, се използват комутационни апарати, извършващи превключванията в изолационна среда с много добри топлопроводни качества - масло, елегаз.

Много често се използва електрическа схема "триъгълник" или схема с 3/2 прекъсвача. Тази схеми позволяват всяко от присъединенията да се изключва едновременно, без да се нарушава електроснабдяването на другите линии. Това придава изключителната сигурност на уредбата.

Районни подстанции

Захранват се от електрически централи или системните подстанции чрез въздушни или кабелни електропроводи и доставят електрическа енергия в райони с голям брой потребители. Първичното им напрежение е 220 kV или 110 kV, а вторичното е 6 kV, 10 kV или 20 kV. Първичното им високо напрежение позволява изграждането им като открити, а в селищни и силно замърсени райони - като закрити разпределителни устройства.

За средно напрежение уредбите се изграждат като закрити разпределителни устройства, като електрическата енергия се изнася от въздушни или кабелни електропроводи. Схемата им е такава, че се захранват от три въздушни извода 110 kV. Обикновено напрежението се трансформира чрез два двунамотъчни силови трансформатора, а разпределителното устройство 110 kV е изградено с две събирателни шини. Броят на събирателните шини в разпределителното устройство 20 kV се определя от броя, характера и особеностите на захранваните потребители.

Функционално подстанциите се разделят още на:

Транзитни - използват се не само за захранване на потребителите, но и за подаване на поток мощност в смесени свои и съседни енергосистеми;

Конверторни - подстанции, предназначени за преобразуване на ток с друга честота или изправяне на тока;

Тягови - за нуждите на електротранспорта (често това е подстанция, трансформаторно-преобразувателна или конверторна, за захранване на тяговата мрежа с постоянен или променлив ток);

Комплектна трансформаторна подстанция 10 (6)/0,4 kV (КТП) - познати и като цехови подстанции за промишлени и градски мрежи.

Иновативни технологии

"Умните" (смарт) мрежи се стремят да оптимизират връзката между различните, разпределителните и възобновяемите източници, и консуматорите на електрическа енергия. Те имат две цели - оптимизация на връзката им и създаване на необходими условия за интеграция на голямо количество енергоизточници в една мрежа. Умните мрежи използват голямо количество прекъсвачи в сравнение с конвенционалните.

По-малкият им брой от необходимия води до увеличаване на времето за възстановяване на електроснабдяването. За умните мрежи дистанционното управление е задължително. По правило те са много компактни и ефективни. Притежават интегрирано управление, а мониторингът обезпечава много добра оптимизация. Фидерите са напълно автоматизирани, самовъзстановяеми, а дистанционното управление съществено съкращава времето за възстановяване доставката на електроенергия и оптимизиране на натоварването на отделните фидери.

Развитието на смарт мрежите води до увеличаване на интелекта на оборудването. Еволюцията на такъв тип мрежи дава възможност за поява на нови критерии за избор като гъвкавост, стабилност, устойчивост към метеорологичните условия, компактност, оптимизация на дистанционното управление и др.

SCADA системи

Нуждата от предоставяне на бърза, точна и приоритетна информация за енергийната система може да погълне значителна част от ресурсите, затова се използват различни системи. Сред тях е SCADA системата, която служи за контрол на положението на комутационните апарати, прекъсвачи, разединители; контрол големината на тока на отделните фази; контрол напрежението на шините; телеуправление.

Автоматизирана система за мониторинг и дистанционно събиране на данни от електромери

Събирането на данни от електромерите се осъществява с автоматизирана система за мониторинг и дистанционно отчитане.

Нейните основни функции, освен споменатите, са: наблюдение на параметрите и условията за измерване на енергия; отчитане на момента на намаление на ток с определен праг за определен интервал; отчитане на момента на намаление на напрежение до определен праг; отчитане на събития, свързани с работоспособността на системата - наличие на комуникация, нарушени електрически връзки, отваряне на врати, както и други събития по заявка от потребителя, свързани с ток, напрежение, енергия, външен сигнал и астрономическо време. Събирането на информацията става автоматично по индивидуален денонощен график или по заявка на оператора.

Операторски станции

Операторската станция поддържа информация, съхранява и визуализира локалната база. С нейна помощ се извършва телеуправление и се дава възможност за: конфигуриране и задаване на настройки на релейните защити, централната сигнализация и други локални контролери; визуализация и анализ на аварийните събития; визуализация на алармен прозорец, в който се изписват данни за събитията, постъпващи по съответните приоритети от устройствата (задействане/отпадане на защити, автоматики, преминаване на гранични стойности на следените величини и други, предварително конфигурирани по желание на потребителя) и описание на всички основни действия на оператора.

Управляващи сигнали

Управляващите сигнали са функционално-технологична основа за действие на системата за управление. Всеки подаван сигнал преминава през следните три етапа: формиране от източник, предаване чрез електрическа верига и междинни устройства и приемане от приемник.

• Източниците за формиране на управляващи сигнали биват два вида: ръчни (към тях спадат командни ключове, бутони и др.) и автоматични, обхващащи измервателни трансформатори, релетата за защита и автоматика, сигналните устройства на комутационните апарати и др.

• Междинните устройства служат за предаване на управляващи сигнали според отделните функционално-технологически условия за действие на подсистемите за управление. Тук спадат различните релета, магнитните пускатели и др., които изпълняват следните функции: усилване на управляващите сигнали за мощни приемници, размножаване на контактите на източниците, когато един приемник действа на няколко приемника и създаване на временни характеристики чрез преобразуване на управляващите сигнали.

• Приемниците се явяват електрическите задвижвания на комутационните и регулиращите съоръжения, измервателните и сигналните апарати и др. Те заработват от управляващите сигнали и извършват определени действия: операции с комутационните апарати, показване на информацията от измервателните апарати, подаване на сигнали от сигналните апарати и т. н.

Използване на нови типове изолатори в подстанциите

Епоксидна смола - има добри температурни характеристики и отлична адхезия, но ако се приготви неправилно, е способна да повреди високоволтовото оборудване заради напрежението в процеса на втвърдяване. Също така температурното натоварване по време на работа на оборудването е възможно да влоши работата му заради неравномерното температурно разширение.

Епоксидната смола има висока екзотермичност и отделни компоненти могат да се повредят от топлината при нейното втвърдяване. Модулите, произведени от епоксидна смола, не подлежат на ремонт, защото при отказ цялото оборудване подлежи на утилизация.

Разглобяем силиконов изолатор (изготвен от две части) - основният му недостатък е лошото сцепление. Този недостатък може лесно да се преодолее, като предварително се подготви повърхността му. На някои видове силикони неблагоприятно влияят определени материали и има опасност да не получат необходимата твърдост.

Неразглобяем силиконов изолатор - предлагат се в два варианта: саморазливен и тиксотропен (с променлив вискозитет). Тиксотропните материали не текат и съхраняват формата си. Използването им засега е ограничено. Някои от тях могат да причинят корозия на стоманените конструкции.

Флуорни течности - нямат цвят и мирис, вискозитетът им е близък с този на водата. Корпусът на апарата трябва да е абсолютно херметичен и е задължително да се предвиди съд за компенсация на температурното разширение. Понякога тези течности се изпаряват изключително бързо и процесът на изпарение почти се вижда.

Нови подходи за проектиране и изграждане на подстанции

Разполагане на електрическата подстанция в електрическия център. След появата на технологията КРУЕ (комплексно разпределително устройство) разполагането на електрическата подстанция в електрическия център е доста по-лесна задача.

Това е нова технология, в която е разпределено цялото оборудване и е поместено в херметичен метален корпус запълнен с елегаз или "зелен газ". Така с тази технология стана възможно херметизиране на оборудване с напрежения от 10 kV до 750 kV.

Използване на системи с висока интеграция. Тази конструкция се появи 2000 г. и в един корпус е поместено цялото оборудване на една подстанция. Металният й корпус е запълнен с елегаз под налягане, а в последно време със "зелен газ". Всичко е много компактно и почти не се нуждае от обслужване.

Технологията за гасене на дъга във вакуум е много по-добра от използващите въздух, елегаз или масло. Вакуумните прекъсвачи са по-безопасни и по-надеждни в ситуации, когато има чести нормални изключвания или чести изключвания на къси съединения. Използват се за напрежения от 0,4 до 35 kV. При по-голямо напрежение възникват рентгенови лъчи. Тяхно предимство е, че не се нуждаят от обслужване.

Диелектрическата здравина на вакуума е почти 8 пъти по-голяма от тази на въздуха и 4 пъти по-голяма от тази на елегаз с налягане от 1 bar. Благодарение на това разстоянието на отворените контакти може да бъде доста малко - до 8 mm при напрежение 35 kV. Освен това бързо се възстановява електрическата здравина след пълното загасяне на дъгата при преминаване на тока през нулевата точка. Това позволява да се използват масово за изключване на кондензаторни батерии.

Използване на хибридни прекъсвачи

Провеждат се изследвания за хибридни прекъсвачи за високо напрежение, като при тях е комбинирано използването на вакуумни и елегазови гасящи камери. Дъговото съпротивление е много по-голямо от това на вакуума, затова във хибридните модели елегазовата гасяща камера е основна, а за напълно изключване на тока служи вакуумната.

При изключване на номинален ток първо изключва елегазовата част, а след няколко милисекунди - вакуумната. Тъй като работят съвместно, то токът може да бъде прекъснат от всяко едно от тях. При изключване на големи токове първо изключва вакуумната част, а след това елегазовата.

Благодарение на това, напрежението и токът на дъгата не пресичат едновременно нулевата точка и напрежението и в началото има противоположна полярност. При изключване на минимален ток едновременно изключват и двете гасящи камери. Тези три режима правят много ефективна работата на хибридните прекъсвачи.

Конструкция на хибридните прекъсвачи

Неотдавна бяха проведени опити за разработка на операционен механизъм на хибриден прекъсвач, който има по-добро управление и ниска степен на дисперсия. Отначало били съединени чисто механически с метален прът и пружина, но изследванията показали ниски параметри, слаби възможности за управление и ниска степен на дисперсия.

В съвременните хибридни прекъсвачи се използват устройства за управление и синхронизация с координатно действие. Те синхронизират и координират движенията на отделните модули до части от милисекундата. По правило горната шина на прекъсвача е на вакуумната част и се съединява с входа на прекъсвача, а долната - на елегазовата и от там - с изхода.

Работната задвижваща предавка на елегазовата част и устройството за синхронизация се намират под нисък потенциал. Устройството за синхронизация получава управляващ сигнал от системата и изпълнява операцията по синхронизация за съвместната работа на вакуумната и елегазовата камера.

Съвременни решения в подстанциите в областта на високи напрежения

Въпреки че по-често се използва променлив ток при пренасяне на електроенергия, в редица случаи се оказва изгодно използване на постоянен ток. В това отношение още не е решен окончателно спорът "променлив или постоянен". Примерите за използване на постоянен ток са много:

• Подводни кабели за високо напрежение, където променливият ток създава допълнителни капацитивни загуби.

• Подаване на електроенергия в крайни точки на голямо разстояние без използване на междинно оборудване. Доставка на енергия в отдалечени райони.

• Увеличение на мощността на съществуващите електропроводи в ситуации, когато уплътнението е невъзможно или пък трябват много средства.

• Пренасяне на електроенергия между несинхронизирани мрежи за променлив ток.

• Намаляване сечението на проводниците и височината на стълбовете при зададена мощност на електропровода. Високоволтовите електропроводи за постоянен ток могат да предадат повече енергия при зададено сечение на проводниците.

• Включване на отделна електроцентрала към разпределителната мрежа.

• Стабилизация на мрежата, използваща приоритетно променлив ток, без опасност от късо съединение.

• Снижаване на загубите, свързани с коронните разряди в електропроводите за високо напрежение в сравнение с променливотоковите.

• По-малка стойност на електропровода, защото са необходими по-малко проводници.

При проектиране на подстанция с вакуумни или елегазови прекъсвачи

трябва да се има предвид, че вакуумните прекъсвачи не нанасят вреда на обкръжаващата среда, употребяват по-малко енергия, комутациите които могат да осъществят са 100 000, могат да изключат до 100 къси съединения, не прекъсват високочестотни преходни процеси и имат "срез на тока" (скорост на възстановяване на електрическата якост е 20 kV/ms), което предизвиква пренапрежения.

Това се получава от бързата дейонизация и прекъсва всякакви токове с различна големина и величина. Вакуумните прекъсвачи нямат разходи за обслужване, но като цяло са по-скъпи от елегазовите.

Елегазовите прекъсвачи са натоварващи за околната среда, комутациите, които могат да направят, са 50 000, употребяват повече енергия, могат да изключат 10 - 20 къси съединения, прекъсват високочестотни преходни процеси и не предизвикват пренапрежения. Трудовите разходи за обслужване при тях са по-високи.


Top