Трансформаторные подстанции: назначение и принципы работы

Классификация и основные типы ПС

В современных системах энергоснабжения используется множество разновидностей трансформаторных подстанций. Классификация электрических ПС построена на принципах, определяемых действующей нормативно-технической документацией. Подстанции подразделяются по ряду признаков:

Уровень в системе энергоснабжения: ГПП (главные понижающие подстанции), ПГВ (подстанции глубокого ввода), тяговые, цеховые и городские КТП.
Место установки и способ подключения: тупиковые, ответвительные, проходные и узловые.
По способу установки: открытые и закрытые электроподстанции.
Отдельные типы: комплектные трансформаторные подстанции (КТП) и мачтовые.

Трансформаторные подстанции, применяемые в системах электроснабжения, различаются по назначению:

Главные понижающие подстанции подключатся непосредственно к районной энергосистеме и рассчитаны на входное напряжение 35-220 кВ, ГПП обеспечивает преобразование и распределение электроэнергии в сетях предприятий или населенных пунктов.
Подстанции глубокого ввода подсоединяются к центральному распределительному пункту или напрямую к магистральным ЛЭП. ПГВ применяется для запитывания группы ТП или крупных промышленных предприятий.
Тяговые подстанции используются для преобразования электроэнергии в соответствии с параметрами контактных сетей железнодорожного и городского электротранспорта.
Цеховые и городские. Первые применяются в промышленных, вторые – в бытовых электросетях.

По месту установки и способу присоединения трансформаторные электроподстанции подразделяются на:

Тупиковые. Подсоединяются к сети по одной или двум линиями.
Ответвительные. Запитываются от одной или двух проходящих линий электроснабжения.
Проходные. Подключаются к промышленной или бытовой сети по одной двухсторонней линии.
Узловые. Подсоединяются минимум по трем независимым линиям электропередач.

Классификация по способу установки подразделяет ТП на открытые, которые размещаются на огороженных площадках вне сооружений, и закрытые – размещаемые в помещениях. Внутренние электроустановки в свою очередь могут быть пристроенными к электростанции или производственным сооружениям, внутрицеховыми и встроенными в здания различного назначения.

Измерительные трансформаторы

От стандартных трансформаторов электрической подстанции измерительные отличаются возможностью снимать показатели токов при сверхвысоком напряжении – до нескольких сотен киловольт. Обычные измерительные приборы в таких условиях неприменимы, а их эксплуатация сопровождается огромными рисками для обслуживающего персонала.

Измерительные трансформаторы служат промежуточным звеном между поступающим напряжением и стандартными приборами фиксации параметров электросети. Они снижают первичное напряжение до оптимального уровня, позволяющего подключать унифицированные измерительные устройства – электросчетчики, амперметры. К тому же использование трансформаторов этого типа минимизирует риски, связанные с обслуживанием электрической подстанции.

Типы конструкций измерительных трансформаторов:

катушечная – в структуру включены первичная и вторичная обмотки;
стержневая – одновитковое электрическое устройство;
шинная – с токопроводящей шиной в качестве первичной обмотки;
разъемная – магнитопровод, разделенный на две части и стянутый специальными шпильками.

Показания, которые снимают измерительные трансформаторы, тут же интерпретируются и сверяются с базовыми физическими параметрами системы. Значительные отклонения от номинальных значений расцениваются как неисправность или аварийная ситуация. В ответ запускаются автоматические выключатели, которые размыкают электрическую сеть.

Системы защиты, автоматики и управления

Оборудование, которым оснащена электрическая подстанция, функционирует в автоматическом режиме, при этом работа блока контролируется специалистами дистанционно. Основным типом агрегатов, которые предотвращают серьезные поломки внутри распределительной подстанции, выступают автоматические защитные устройства. Их конструкция включает сверхчувствительные датчики, которые реагируют на малейшие изменения в работе электрической системы и передают сведения на защитное устройство.

Датчики приборов способны распознавать:

изменения температуры;
задымленность;
световые вспышки, искрения;
резкое повышение давления в замкнутых полостях;
газообразование в жидких средах.

Одним из таких защитных устройств выступает измерительный трансформатор электрической подстанции, рассмотренный выше. В группу защитных агрегатов также входят:

нелинейные ограничители перенапряжения – предотвращают нарастание напряжения с последующим переводом электроразряда на землю, также выступают в роли молниезащиты;
высоковольтные разрядники – защищают оборудование электрической подстанции от импульсных всплесков напряжения и предупреждают пробои изоляции с последующим коротким замыканием;
заземляющие устройства – предотвращают нанесение травм обслуживающему персоналу подстанции, связанных с пиковыми значениями токов при коротком замыкании;
плавкие высоковольтные предохранители – обеспечивают надежное гашение электродуги и снижение перенапряжений в электросети;
токоограничивающие реакторы – устраняют действие ударного тока при возникновении короткого замыкания, противодействуют формированию электродуги при появлении внештатной ситуации на электрической подстанции;
системы телемеханики – отвечают за прием и передачу сигналов, поступающих от датчиков и измерительных приборов, обеспечивают управление электрооборудованием трансформаторного пункта;
системы сигнализации – оповещают о возникновении внештатных ситуаций на электрической подстанции, показывают положения выключателей и разъединителей, обеспечивают передачу стандартных команд дежурному персоналу.

В современных электрических подстанциях вместо систем автоматической релейной защиты все чаще используются микропроцессорные малогабаритные модули и системы управления на основе программного обеспечения.

Наиболее совершенным типом устройств электрических подстанций считается комплектная трансформаторная подстанция, предназначенная как для наружной, так и для внутренней установки. Она состоит из полностью укомплектованного оборудования, которое остается только смонтировать на месте и подключить к сети.

Заказать расчет и разработку электрических подстанций вы можете на нашем предприятии. Мы располагаем собственной производственной и испытательной базой, позволяющей выполнять все типы работ по энергообеспечению объекта заказчика в кратчайшие сроки.

Особенности устройства мачтовых и комплектных подстанции

Мачтовые трансформаторные подстанции относятся к электроустановкам открытого типа, которые устанавливаются на опорах на безопасной высоте. В состав оборудования МТП входит: однофазный трансформатор сухого или маслонаполненного типа на 10 кВА и более, распределительные щиты, аппаратура защиты и автоматики, а также разрядники.

Подстанция трансформаторная комплектная (КТП) поставляется заказчику в полностью собранном и готовом к применению виде. Такая электроустановка помимо основного оборудования оснащается высоко- и низковольтной аппаратурой. Выпускаются в двух вариантах исполнения: внутренняя – КТП и наружная – КТПН. У них монтируются один или два трансформатора номинальной мощностью от 250 до 2500 кВА при рабочем напряжении от 6 до 10 кВ.

Комплектные трансформаторные электроподстанции выпускаются в нескольких модификациях: киосковые (блочные) и шкафные. В зависимости используемого способа присоединения КТП могут быть: тупиковыми или проходными. Первые применяются для электроснабжения населенных пунктов и сельскохозяйственных предприятий, другие – для распределения электроэнергии между потребителями на крупных и средних промышленных объектах.

Силовые коммутационные аппараты

В аварийных ситуациях и при обнаружении неполадок электрическая подстанция нуждается в безопасном отключении и последующем подключении после ремонта, диагностики или профилактики. Для решения этих задач трансформаторные подстанции снабжаются коммутационными аппаратами. Они отключают линии, проводящие максимальное напряжение, ликвидируют короткие замыкания и обеспечивают разрыв участка электросети при снятом с устройства подстанции напряжении.

Для быстрого реагирования в аварийных ситуациях используются коммутационные аппараты автоматического типа – автоматические переключатели. Конструктивные особенности этих элементов позволяют обеспечивать разные режимы и способы коммутации.

В классификации защитных устройств выделяют 2 группы:

по принципу применения запасенной энергии – аппараты давления, электромагнитные, грузовые, пружинные переключатели;
по методам гашения электродуги – масляные, вакуумные, автопневматические, воздушные, электромагнитные аппараты.

В штатном режиме работы электрической подстанции для управления базовыми параметрами используются выключатели нагрузки, но короткие замыкания эти устройства ликвидировать не способны.

В случаях, когда нужно разъединить определенные участки цепи в сети без нагрузки, используются простые устройства, такие как отделители и разъединители.

Шины подстанции

Шины и ошиновка электрической подстанции предназначены для подведения и отведения преобразованного напряжения без потери мощности. Они изготавливаются из стальных, алюминиевых или медных сплавов и делятся на:

главные;
ответвительные.

Сечение шин подстанции зависит от тока нагрузки – для передачи мощного потока энергии требуется бóльшее поперечное сечение. В зависимости от габаритов подстанции шины могут размещаться внутри сооружения или на открытом воздухе. Наружные шины, как правило, изготавливаются из многожильных алюминиевых проводов, защищенных слоем изоляции.

Для разделения ошиновки и шин используется силовой выключатель, при этом ошиновка подключается к трансформаторным вводам напрямую, минуя коммутационные элементы. Здесь применяют пластины или кабели, закрепленные на медных шпильках трансформаторных вводов через переходники или наконечники.

Функции

Трансформаторные электроподстанции выполняют следующий ряд функций:

Изменение номинала тока. Это главная задача ТП. В зависимости от требований по электроснабжению объекта напряжение снижается или повышается. Высоковольтные модификации увеличивают ток для передачи на расстояние, средне- и низковольтные – для снижения и раздачи потребителям.
Транспортировка – прием, распределение, передача. В непосредственной близости к электростанциям располагаются ТП высокого номинала для передачи напряжения на ЛЭП. На местности у домов, предприятий и прочих объектах устанавливаются станции понижающего назначения – средне- и низковольтные.

Прежде чем электричество с электростанции поступит на ЛЭП, величину его напряжения повышают с помощью специального трансформатораИсточник iportal.ru

Регулировка характеристик. Трансформатор стабилизирует напряжение и надежно защищает оборудование и проводку. Кроме того, благодаря возможности изменения уровня обмоток в автотрансформаторах появляется возможность настраивать и держать желаемый уровень напряжения.
Безопасность. Трансформаторные будки оснащены особыми изоляторами и предохраняющими устройствами, что создает безопасные условия эксплуатации оборудования, сетей и работы людей.
Предупреждение реактивной мощности. Некоторые модели трансформаторов оснащены функцией фильтрации и компенсации, благодаря чему значительно возрастает качество электроснабжения.
Резервное электропитание. ТП могут применяться в качестве аварийного источника питания, когда связаны с локальными энергогенерирующими установками.

Трансформаторная электроподстанция также защищает от избыточного нагрева и образования вихревых токов в проводниках, что неизбежно возникало бы при транспортировке электроэнергии на дальние расстояния.

Будка-трансформатор стабилизирует бытовое электричество и создает безопасные условия для его потребленияИсточник a.d-cd.net

Назначение трансформаторных подстанций

Потери электроэнергии при передаче по проводам обратно пропорциональны квадрату напряжения. Для их уменьшения используются ЛЭП сверхвысокого напряжения, по которым ток передается от генерирующих мощностей – электростанций (тепловых, гидравлических, атомных и других) к узлам распределения. Преобразования электроэнергии осуществляется подстанциями двух типов:

Повышающие. Оснащаются трансформаторами, которые увеличивают напряжение при пропорциональном уменьшении силы тока.
Понижающие. Комплектуются трансформаторами, обеспечивающими снижение напряжения на выходе при одновременном повышении силы тока.

Необходимость в преобразовании электроэнергии для передачи по линиям большой протяженности обусловлена многократной экономией цветных металлов. В ЛЭП высокого и сверхвысокого напряжения используются преимущественно алюминиевые провода, сечение которых зависит от силы пропускаемого тока. Данное техническое решение позволяет избежать явления коронного разряда.

Требования к эксплуатации

Учитывая то, что эксплуатация КТПН предполагается на открытом воздухе, причём круглогодичная, допускается применение оборудования этого класса в следующих условиях:

Температура окружающего воздуха -45/+40°С для исполнения У1 и -60/+40°С для УХЛ1.
Допустимая атмосферная влажность при +15°С не должна превышать 75%.
Высота размещения над уровнем моря в стандартном исполнении не должна превышать 1000 метров.
Допустимый диапазон атмосферного давления в пределах 86,6/106,7 кПа.
Возможное сейсмическое воздействие не должно превышать 9 баллов (шкала MSK-64) в соответствии с ГОСТ 17516.1.
В нормальном исполнении может устанавливаться в условиях промышленной атмосферы, не содержащей агрессивных газов, способных разрушить изоляцию или металлические детали подстанции, взрывоопасной концентрации пыли.

Если поддерживать такие параметры не представляется возможным, то для преобразования электроэнергии следует выбрать другие типы подстанций, предназначенные для эксплуатации в сложных условиях.

Состав оборудования трансформаторной подстанции

Условия работы

Каждая ПС создается под конкретные условия эксплуатации с расположением:

на открытом воздухе — открытые распределительные устройства (ОРУ);
внутри закрытых помещений — ЗРУ;
в металлических шкафах, встроенных в специальные комплекты — КРУ.

По типу конфигурации электрической сети трансформаторные ПС могут выполняться:

тупиковыми, когда они запитаны по одной либо двум радиально подключенным ЛЭП, которые не питают другие ПС;
ответвительными — присоединяются к одной (иногда двум), проходящим ЛЭП с помощью ответвлений. Проходящие линии питают другие подстанции;
проходными — подключены за счет захода ЛЭП с двухсторонним питанием методом «вреза»;
узловыми — присоединяются по принципу создания узла за счет не менее чем трех линий.

Конфигурация сети электроснабжения накладывает условия на рабочие характеристики подстанции, включая настройку защит для обеспечения безопасной работы.