Как да проектирате подстанция за максимална надеждност?

Основи на проектирането на трансформаторни станции и избор на оборудване

Инженерни принципи за надеждно планиране на трансформаторни станции

Доброто проектиране на трансформаторни станции започва с анализ на електрическите натоварвания и определяне на нива на повреди още в началото. Тези изследвания показват на инженерите какво оборудване трябва да бъде избрано и как правилно да бъдат настроени системите за защита. При проектирането на трансформаторни станции инженерите трябва да вземат предвид текущото търсене, но също така да планират напред, защото натоварванията ще нарастват с течение на времето. Друг важен аспект при повреди е стабилността на системата, която също изисква внимателно разглеждане. Изборът на подходящо ниво на напрежение също има значение. То трябва да съответства на вече съществуващото в преносната мрежа, като същевременно осигурява възможност за разширяване в бъдеще. Механичните проекти не могат да пренебрегват и околната среда. Важни фактори за осигуряване на дългогодишна надеждна работа са неща като земетресения и възможността техниците да имат достъп за профилактични проверки. Повечето опитни проектиранти знаят, че опитите за икономия в началото често се обръщат срещу тях, ако това означава компромиси в качеството и надеждността. В крайна сметка никой не иска прекъсване на електроподаването, защото някой е направил компромиси по време на фазата на проектиране.

GIS срещу AIS: Избор на правилния тип трансформаторна станция за екологична и оперативна надеждност

Изборът между газово изолирания разпределителен уред (GIS) и въздушно изолирания разпределителен уред (AIS) не е просто още едно техническо решение – той повлиява на всичко, от екологичния ефект до това колко надеждно ще работи оборудването от ден на ден. GIS заема значително по-малко пространство в сравнение с традиционните варианти, което го прави логичен избор за градове или места, където просто няма допълнително свободно пространство. Тези системи също така понасят по-добре трудните условия и се нуждаят от поддръжка много по-рядко, въпреки че първоначалната им цена е по-висока. От друга страна, AIS все още работи добре, когато най-важно е бюджетът и има достатъчно място наоколо. Техниците могат да получат по-лесен достъп до тези системи за рутинни проверки и ремонти, а разходите за инсталиране обикновено са по-ниски. Повечето инженери избират GIS за проекти, разположени в близост до гъсто населени райони или защитени екосистеми, където надеждността има значение, което надхвърля просто числата в електронна таблица.

Избор на критично оборудване: трансформатори, прекъсвачи и разпределителни табла, които влияят на надеждността

Трансформаторите по същество са основен компонент в трансформаторните станции, затова инженерите трябва да обръщат особено внимание на параметри като технически капацитет, коефициенти за преобразуване на напрежението и начина, по който отвеждат топлината. Изборът на подходящ трансформатор всъщност влияе на типа фундамент, който трябва да бъде построен, както и на мерките за противопожарна безопасност, което в крайна сметка определя надеждността на цялата система. При прекъсвачите правилното оразмеряване означава, че те могат безопасно да изключват максималните аварийни токове, като в същото време позволяват бързо установяване и изолиране на повредите при тяхното възникване. Съвременното комутационно оборудване разполага с вградени защитни релеи и системи за управление, които работят съвместно, за да попречат на повредите да се разпространят в цялата електрическа мрежа. Следването на установените отраслови насоки гарантира, че всички тези компоненти са коректно оразмерени както за нормална експлоатация, така и за непредвидени претоварвания, което допринася за по-дълъг живот на оборудването и осигурява стабилност на електроенергийната мрежа както при нормална работа, така и при наличие на повреди някъде в системата.

Оптимално разположение на подстанцията и електрическа конфигурация

Стратегическо проектиране на подредбата за осигуряване на достъп, поддръжка и безопасни разстояния

Начинът, по който са разположени разпределителните станции, има голямо влияние върху тяхната надеждност, особено по отношение на достъпа до оборудването, ефективното извършване на поддръжка и спазването на всички необходими изисквания за безопасност. При разполагането на оборудването инженерите трябва да следват насоките на IEEE и IEC за разстоянията не само поради регулаторни изисквания, а и защото на практика хората се нуждаят от пространство, за да работят безопасно и да извършват правилно инспекции. Основното правило е да има поне 1,5 метра свободно пространство около всяко устройство, за да могат работниците да се движат удобно с инструментите си. Но има и още неща освен чисто физическото пространство — трябва да се отчитат и безопасни разстояния при възможни пренапрежения по време на превключвания. Според актуални отраслови доклади от 2024 г., правилната практика за разполагане намалява риска от разпространение на повреди с около една трета в сравнение с тясно компактните схеми, при които всичко изглежда струпано заедно. Има няколко важни фактора, които заслужават внимание при планирането на тези схеми, включително...

• Ориентация на оборудването, позволяваща визуална инспекция на бушингите и връзките
• Специални достъпни пътища за превозни средства за аварийно реагиране
• Зони за изолация, поддържащи процедурите за разрешаване на работа под напрежение

Конфигурация на шините и разпределението: Осигуряване на резервност и устойчивост към повреди

Конфигурацията на шините значително влияе на наличността на системата – двойните шинни конфигурации осигуряват 99,98% наличност спрямо 99,85% при едношинни системи. Резервните конфигурации позволяват провеждане на поддръжка без прекъсване на услугата и ограничават последствията от повреди чрез сегментиране. Съвременните проекти включват:

• Основни и резервни шинни конфигурации за критични натоварвания
• Автоматични схеми за превключване между шини за осигуряване на непрекъснато захранване
• Физическо разделяне между паралелни шинни трасета, за да се предотврати едновременно повреждане вследствие каскадни събития

Разделяне на първични и вторични вериги, за да се предотврати разпространение на повреди

Физическото и електрическото разделяне между първични захранващи вериги и вторични системи за управление предотвратява електромагнитни смущения и разпространението на повреди. Според IEC 61850-3 се изискват минимални разстояния за разделяне в зависимост от класа на напрежение, като за инсталации с 400 kV се изисква разделяне на 4 метра между кабелните лавици за първични и вторични вериги. Ефективните стратегии включват:

• Специализирани кабелни трасета за защитни вериги
• Екранирани управляващи кабели за критични сигнали
• Отделни системи за заземяване, за да се избегне пренасянето на повишено потенциално ниво на земята

Защита от пренапрежение, изолация и мълниезащита

Управление на координацията между пренапрежение и изолация за понасяне на преходни вълни

Ефективната защита от пренапрежение се основава на координация на изолацията — съгласуване на якостта на изолацията на оборудването с очакваните напрежения. Преходни пренапрежения от гръмотевици или превключвания могат да достигнат 6–8 пъти нормалното работно напрежение, което изисква надеждни защитни мерки. Празовите предпазители и други защитни устройства трябва да се активират преди настъпване на пробой в изолацията, за да се запази цялостността на подстанцията по време на смущения.

Стандарти за диелектрична координация и електрически разстояния за безопасност на оборудването

Когато говорим за координация на диелектричната изолация, ние всъщност разглеждаме как да изберем подходящите нива на изолация заедно с правилните въздушни разстояния, за да не се получават преизключвания или повреди. Промишлените стандарти като IEC 60071 предлагат доста добри насоки в това отношение, особено относно това, което наричат Основно импулсно ниво (BIL), както и препоръчителните разстояния между компонентите в зависимост от фактори като номинално напрежение и местоположението на оборудването. Правилната координация означава, че въздушните междини между частите и самите твърди изолационни материали трябва да издържат не само на обичайните експлоатационни напрежения, но и на възникващите от време на време вълнови импулси. Без правилна настройка, една малка повреда може да доведе до по-големи проблеми по-нататък, които никой не иска да решава, когато нещата вече са в режим на висока температура.

Системи за защита от мълнии: Мачти и надлъжни заземляващи проводници за защита от директни удари

Повечето системи за защита от мълнии разчитат на високи мачти, заедно с тези надлъжни заземени проводници, които наричаме OHGW, за да създадат защитни зони около важни електрически устройства. Инженерите обикновено прилагат т.нар. метод на търкалящата се сфера при стратегическото разполагане на тези компоненти, за да могат да улавят директни удари, преди мълнията да достигне чувствително оборудване като трансформатори или разпределителни табла. Също толкова важно е правилното заземяване – обикновено на разстояние от 200 до 300 метра едно от друго, в зависимост от условията на обекта. Тази конфигурация отвежда мощната енергия от пренапрежението безопасно в земята, вместо да допусне повреда на инфраструктурата. Системите, изградени съгласно насоките на IEEE, обикновено осигуряват доста високо ниво на защита, намалявайки вероятността от директни удари с около 95% или повече в повечето случаи, според практическия опит.

Проектиране на система за заземяване за безопасност и стабилност

Ефективно заземяване за поддържане на стабилността на системата при повреди

Добрите системи за заземяване са от решаващо значение за надеждното функциониране на трансформаторните станции. Те по същество осигуряват безопасен път за отвеждане на токовете при повреда чрез създаване на нискоомен път през земята. Повечето инженери се стремят да поддържат заземителното съпротивление под 5 ома, тъй като това помага правилно разпределяне на тока и намаляване на опасните разлики в напрежението по обекта. Основните компоненти обикновено включват медни проводници, които могат да издържат на всеки възможен ток при повреда, както и свързани мрежи, които гарантират всички елементи да имат приблизително еднакъв електрически потенциал. Не забравяйте също да съедините всички метални части. Когато са правилно изпълнени, тези системи защитават скъпостоящо оборудване при аварийни ситуации и осигуряват коректното действие на прекъсвачи и друга защитна апаратура по време на извънредни случаи.

Сигурност на персонала: Заземяване по време на поддръжка и при аварийни състояния

Добрите практики за заземяване защитават работниците по време на поддръжка или при работа с електрически повреди. Преди да започне каквато и да е работа на изключено оборудване, първо трябва да бъдат поставени временни защитни заземявания. Това създава т.нар. еквипотенциална зона, която осигурява, че никой няма да бъде ударен от ток, ако нещо случайно отново се окаже под напрежение. Когато в системата възникнат повреди, правилното заземяване поддържа опасните напрежения на достатъчно ниско ниво, така че хората да не усещат ток при докосване до земята или при стъпване между различни точки. Според Националния електротехнически кодекс съществуват различни правила относно това как оборудването трябва да бъде свързано, колко често трябва да се проверява съпротивлението на заземяването и как трябва да се осигури постоянен преглед с цел защита на работниците.

Системи за защита и комутационни уреди за бързо управление на повреди

Надеждни комутационни уреди и защитни реле за бързо откриване и изолиране на повреди

Надеждността на трансформаторните станции всъщност зависи от онези напреднали защитни системи, които могат да откриват и изключват повреди само за няколко милисекунди. Днешната комутационна апаратура обединява цифрови релета заедно с различни сензори, за да засича проблеми като претоварване по ток или замърсявания при възникването им. Целият процес работи чрез три основни стъпки – първо релето открива нещо нередно, след това прекъсвачът се намесва, за да прекъсне процеса, и накрая се изолира засегнатата зона чрез специфични устройства. Това, което прави цялата система толкова ефективна, е селективната координация, която по същество означава, че реагира само най-близкото устройство до мястото на повредата, като по този начин поддържа непрекъснат поток на електроенергия навсякъде другаде. Този подход намалява както простоюването, така и потенциалните щети за оборудването. За инженерите, които работят с тези системи, изборът на правилните параметри за релетата и прекъсвачите е от голямо значение – те трябва да съгласуват всичко точно според изискванията на системата по отношение на нива на напрежение, възможности за пренос на ток и колко голяма е способността за пренос на свръхток в мрежата, за да работи всичко гладко.

Производителност на прекъсвач при високи токове на късо съединение

Добрият прекъсвач трябва да спре големите токове на повреда, без да допусне никакви неполадки. Когато температурата под капака стане много висока, тези устройства се справят със сериозни електромагнитни сили и значително топлинно напрежение, които могат бързо да ги износят. По-новите модели често използват вакуумна технология или SF6 газ, тъй като те по-ефективно гасят електрическите дъги и бързо възстановяват изолацията след повреда. За повечето срединонапрежени системи се разглеждат прекъсвачни способности между 40 и 63 килоампера, като времето за изключване обикновено е около 3 до 5 периода. Производителите също вграждат специални класификации за вътрешни дъги, както и системи за отвеждане на налягане, които локализират опасните пробиви и предотвратяват напълно разрушаване на оборудването. Наличietо на правилната номинална стойност на прекъсвачите също е от съществено значение, тъй като това помага за запазване на стабилността на електроенергийната система и защитава цялото свързано оборудване по-надолу по веригата от повреди.

Оразмеряване на компоненти за пикови натоварвания и състояния на свръхток

Изборът на компоненти с правилен размер има голямо значение, когато става дума за големи върхове в търсенето на енергия и неочаквани повреди. При проектирането на системи инженерите трябва да определят какъв ще бъде максимално възможният товар, да проверят данните за късо съединение и да изчислят потенциалните токове на повреда, преди да изберат комутационни и защитни устройства, които могат да поемат цялото натоварение. Координацията между релетата за свръхток се осъществява най-ефективно чрез анализ на кривите време-ток (TCC), което помага за предотвратяване на ненужни изключвания, като в същото време осигурява бързо отстраняване на повредите, за да се гарантира непрекъснато и плавно функциониране. Не трябва да се пренебрегват и бъдещите нужди. Компонентите трябва да имат възможност за разширяване при увеличаване на търсенето, както и да работят правилно дори ако са инсталирани на висока надморска височина или в горещи условия, където производителността естествено намалява. Правилният подбор на размерите не е просто въпрос на съответствие с техническите изисквания на хартия. Той прави системите по-устойчиви към повреди, намалява разходите за скъпи ремонти в бъдеще и като цяло означава, че оборудването ще служи по-дълго, отколкото би било в противен случай.

ЧЗВ

Каква е разликата между GIS и AIS в трансформаторните станции?

GIS (Газово изолирана комутационна уредба) заема по-малко пространство и се предпочита в градски райони, докато AIS (Въздушно изолирана комутационна уредба) е по-икономична и по-лесна за поддръжка, но изисква повече пространство.

Защо е важно заземяването в трансформаторните станции?

Заземяването защитава оборудването и персонала, като безопасно отвежда токовете на повреда и осигурява стабилност на системата по време на къси съединения.

Какви фактори се вземат предвид при избора на трансформатори за трансформаторни станции?

Инженерите вземат предвид номинални мощности, коефициенти на преобразуване на напрежението и отвеждане на топлината, за да се осигури съответствие на трансформаторите с изискванията за надеждност на системата.

Как работят системите за защита от гръмотевици в трансформаторните станции?

Защитата от гръмотевици разчита на мачти и надлъжни заземляващи проводници, които насочват енергията от удара безопасно в земята и защитават чувствителното оборудване от повреди.