Cum se proiectează o stație electrică pentru o fiabilitate maximă?

Principiile Fundamentale ale Proiectării Posturilor și Selectarea Echipamentelor

Principii de inginerie pentru planificarea fiabilă a posturilor de transformare

O bună planificare a posturilor de transformare începe cu analizarea sarcinilor electrice și determinarea nivelurilor de defecte de la început. Aceste studii informează inginerii despre tipul de echipamente pe care trebuie să le specifice și cum să configureze corect sistemele de protecție. La proiectarea posturilor de transformare, inginerii trebuie să ia în considerare cererea actuală, dar și să planifice în avans creșterea sarcinilor în timp. Stabilitatea sistemului este o altă preocupare majoră în cazul defectelor, motiv pentru care trebuie luată în calcul cu atenție. Alegerea nivelurilor corespunzătoare de tensiune este de asemenea importantă. Acestea ar trebui să fie compatibile cu ceea ce există deja pe partea de transport, lăsând totodată loc pentru extindere în viitor. Proiectările mecanice nu pot ignora nici factorii de mediu. Lucruri precum cutremurele sau accesibilitatea pentru tehnicieni în vederea verificărilor de întreținere sunt aspecte importante pentru asigurarea funcționării fiabile pe termen lung. Majoritatea planificatorilor experimentați știu că încercarea de a economisi bani inițial poate duce adesea la rezultate contrare dacă înseamnă compromiterea fiabilității. La urma urmei, nimeni nu își dorește să rămână fără curent doar pentru că cineva a făcut compromisuri în faza de proiectare.

GIS vs. AIS: Alegerea tipului potrivit de post de transformare pentru fiabilitatea ambientală și operațională

Alegerea dintre întreruptoarele cu izolație în gaz (GIS) și întreruptoarele cu izolație în aer (AIS) nu este doar o altă decizie tehnică — afectează totul, de la impactul asupra mediului până la modul în care echipamentele vor funcționa fiabil zi de zi. GIS ocupă mult mai puțin spațiu decât variantele tradiționale, ceea ce are sens în orașe sau locuri unde pur și simplu nu există spațiu suplimentar disponibil. Aceste sisteme rezistă mai bine în condiții dificile și necesită întreținere mult mai rar, deși au un preț inițial mai mare. Pe de altă parte, AIS funcționează încă bine atunci când bugetul este cel mai important factor și există suficient spațiu disponibil. Tehnicienii pot accesa mai ușor aceste sisteme pentru verificări și reparații de rutină, iar costurile de instalare tind să rămână în general mai mici. Majoritatea inginerilor aleg GIS pentru proiectele situate în apropierea cartierelor aglomerate sau a ecosistemelor protejate, acolo unde fiabilitatea contează pentru ceva mai mult decât doar niște cifre pe o foaie de calcul.

Selectarea echipamentelor critice: Transformatoare, întreruptoare și aparate de comutație influențează fiabilitatea

Transformatoarele sunt în esență componenta principală în stațiile electrice, astfel că inginerii trebuie să acorde o atenție deosebită aspectelor precum clasificarea lor de putere, rapoartele de transformare a tensiunii și modul în care gestionează disiparea căldurii. Alegerea transformatoului potrivit influențează de fapt ce tip de fundație trebuie construită și ce măsuri de siguranță la incendiu trebuie implementate, ceea ce afectează în final fiabilitatea întregului sistem. În cazul întrerupătoarelor, dimensionarea corectă asigură întreruperea sigură a curenților maxim de defect, permițând totodată identificarea rapidă și izolarea problemelor atunci când apar. Echipamentele moderne de comutație sunt echipate cu relee de protecție și mecanisme de control integrate care cooperează pentru a preveni răspândirea defecțiunilor în întreaga rețea electrică. Urmărirea recomandărilor stabilite de industrie asigură dimensionarea corespunzătoare a tuturor acestor componente atât pentru funcționarea normală, cât și pentru suprasarcinile neașteptate, contribuind la durata mai lungă de viață a echipamentelor și menținerea stabilității rețelei electrice, indiferent dacă totul funcționează normal sau apare o defecțiune undeva.

Amplasament optim al postului de transformare și configurație electrică

Proiectare strategică a așezării pentru accesibilitate, întreținere și spații libere de siguranță

Modul în care sunt amplasate stațiile electrice are un efect major asupra fiabilității acestora în ceea ce privește accesul la echipamente, efectuarea eficientă a lucrărilor de întreținere și respectarea tuturor cerințelor necesare de siguranță. La amplasarea echipamentelor, inginerii trebuie să urmeze recomandările IEEE și IEC privind distanțele libere, nu doar pentru că așa o cer reglementările, ci și pentru că oamenii trebuie să aibă spațiu suficient pentru a lucra în siguranță și pentru a efectua inspecțiile corespunzător. Regula generală este de cel puțin 1,5 metri spațiu liber în jurul fiecărui echipament, astfel încât lucrătorii să se poată deplasa confortabil cu uneltele lor. Dar există mai mult de atât, deoarece distanțele de siguranță trebuie să țină cont și de eventualele supratensiuni care pot apărea în timpul operațiunilor de comutare. Analizând rapoartele recente din industrie din 2024, observăm că practicile corecte de spațiere reduc riscurile de răspândire a defectelor cu aproximativ o treime, comparativ cu acele amplasări aglomerate în care totul pare înghesuit. Există mai mulți factori importanți de luat în considerare la planificarea acestor amplasări, inclusiv...

• Orientarea echipamentului pentru a permite inspecția vizuală a lagărelor și conexiunilor
• Trasee dedicate pentru vehiculele de intervenție în situații de urgență
• Zone de izolare pentru a sprijini procedurile de autorizare a lucrului sub tensiune

Configurația barelor colectoare și distribuția: Asigurarea redundanței și toleranței la defecte

Configurația barelor colectoare influențează în mod semnificativ disponibilitatea sistemului — soluțiile cu dublă bară oferă o disponibilitate de 99,98% față de 99,85% pentru sistemele cu o singură bară. Configurațiile redundante permit întreținerea fără întreruperea serviciului și limitează impactul defecțiunilor prin separarea în secțiuni. Proiectările moderne includ:

• Configurații cu bară principală și bară de transfer pentru sarcini critice
• Scheme automate de transfer pe bară pentru menținerea alimentării fără întrerupere
• Separarea fizică între traseele paralele ale barelor pentru a preveni defectarea simultană datorită evenimentelor în cascadă

Separarea circuitelor primare și secundare pentru a preveni propagarea defectelor

Izolarea fizică și electrică între circuitele principale de putere și sistemele secundare de control previne interferențele electromagnetice și propagarea defecțiunilor. IEC 61850-3 prevede distanțe minime de separare în funcție de clasa de tensiune, instalațiile de 400 kV necesitând o separare de 4 metri între tăvile de cabluri primare și secundare. Strategii eficiente includ:

• Trasee dedicate de cabluri pentru circuitele de protecție
• Cabluri de comandă ecranate pentru semnalele critice
• Sisteme separate de împământare pentru a evita transferul creșterii potențialului de pământ

Protecție împotriva supratensiunilor, izolație și protecție contra fulgerelor

Gestionarea coordonării izolației și a supratensiunilor pentru a rezista suprasarcinilor tranzitorii

Protecția eficientă împotriva supratensiunilor se bazează pe coordonarea izolației — potrivirea rezistenței izolației echipamentelor cu solicitările de tensiune prevăzute. Supratensiunile tranzitorii datorate fulgerelor sau manevrelor de comutare pot atinge valori de 6–8 ori mai mari decât tensiunea normală de funcționare, ceea ce impune măsuri de protecție robuste. Descărcătoarele de supratensiune și alte dispozitive de protecție trebuie să intre în funcțiune înainte ca izolația să cedeze, asigurând integritatea stației în timpul perturbărilor.

Standardele de coordonare dielectrică și de distanțare electrică pentru siguranța echipamentelor

Atunci când vorbim despre coordonarea dielectrică, analizăm în esență modul de alegere a nivelurilor corespunzătoare de izolație împreună cu distanțele aeriene potrivite, astfel încât să nu apară arcuri electrice sau deteriorări. Standardele industriale precum IEC 60071 oferă recomandări destul de clare în acest sens, mai ales privind ceea ce se numește Nivelul de Impuls de Bază (BIL), precum și distanțările recomandate între componente, în funcție de factori precum tensiunea nominală și locația echipamentului. Realizarea corectă a acestei coordonări presupune asigurarea faptului că spațiile aeriane dintre părți, precum și materialele reale de izolație solidă, pot suporta nu doar tensiunile zilnice, ci și vârfurile ocazionale care apar din când în când. Fără o configurare adecvată, o singură defecțiune minoră ar putea duce la probleme mai mari ulterior, situație pe care nimeni nu și-o dorește atunci când sistemele funcționează deja la limită.

Sisteme de protecție contra trăsnetului: Stâlpi și cabluri de protecție supraterane pentru protejarea împotriva loviturilor directe

Cele mai multe instalații de protecție împotriva fulgerelor se bazează pe stâlpi înalți, împreună cu firele aeriene de protecție pe care le numim OHGW, pentru a forma zone de protecție în jurul echipamentelor electrice importante. Inginerii aplică în mod tipic ceea ce se numește metoda sferei rulante atunci când amplasează aceste componente în mod strategic, astfel încât să poată capta loviturile directe înainte ca fulgerul să atingă echipamente sensibile, cum ar fi transformatoarele sau panourile de comutație. Legarea la pământ este esențială de asemenea – de obicei la distanțe cuprinse între 200 și poate 300 de metri, în funcție de condițiile locului. Această configurație direcționează în mod sigur energia imensă a supratensiunii în pământ, în loc să permită deteriorarea infrastructurii. Sistemele construite conform ghidurilor IEEE oferă în general niveluri destul de impresionante de protecție, reducând șansa loviturilor directe cu aproximativ 95% sau mai mult în majoritatea cazurilor, conform experienței practice.

Proiectarea sistemului de împământare pentru siguranță și stabilitate

Proiectare eficientă a legării la pământ pentru menținerea stabilității sistemului în timpul defectelor

Sistemele bune de împământare sunt esențiale pentru menținerea funcționării fiabile a stațiilor. Ele oferă, în esență, un drum sigur pentru curenții de defect prin crearea unei căi prin pământ cu impedanță redusă. Majoritatea inginerilor urmăresc menținerea rezistenței de împământare sub 5 ohmi, deoarece acest lucru ajută la distribuirea corespunzătoare a curentului și la reducerea diferențelor de tensiune periculoase pe amplasament. Componentele principale implică de obicei conductoare din cupru care pot suporta orice curent de defect posibil, precum și rețele interconectate care asigură faptul că toate elementele rămân la potențiale electrice similare. Nu uitați nici de legarea împreună a tuturor părților metalice. Atunci când sunt realizate corect, aceste sisteme protejează echipamentele scumpe în momentul în care apar probleme și ajută întrerupătoarele și celelalte echipamente de siguranță să funcționeze conform intenției în situații de urgență.

Siguranța personalului: Practici de împământare în timpul întreținerii și în condiții de defect

Practicile corecte de împământare protejează lucrătorii atunci când efectuează întreținere sau gestionează defecțiuni electrice. Înainte ca orice lucrare să înceapă pe echipamentele care au fost oprite, trebuie instalate mai întâi legăturile temporare de protecție la pământ. Aceasta creează ceea ce se numește o zonă echipotențială, asigurându-se astfel că nimeni nu va suferi un șoc electric dacă echipamentul devine accidental sub tensiune din nou. Atunci când există defecțiuni în sistem, împământarea corespunzătoare menține aceste tensiuni periculoase suficient de scăzute pentru ca persoanele care ating pământul sau pășesc între puncte diferite să nu le simtă. Conform Codului Național de Electrică, există numeroase reguli privind modul în care echipamentele trebuie legate între ele, verificarea periodică a rezistenței la împământare și asigurarea faptului că totul rămâne supus inspecțiilor în timp, pentru ca lucrătorii să fie protejați de pericole.

Sisteme de protecție și aparataj de comutație pentru gestionarea rapidă a defectelor

Aparataj de comutație și relee de protecție fiabile pentru detectarea și izolarea rapidă a defectelor

Fiabilitatea stațiilor electrice depinde într-adevăr de aceste sisteme avansate de protecție care pot detecta și elimina defecțiunile în doar câteva milisecunde. Echipamentele moderne de comutație reunesc relee digitale împreună cu diverse senzori pentru a identifica probleme precum supracurenții sau defectele la pământ imediat ce apar. Întregul proces funcționează în trei etape principale: mai întâi, releul detectează o anomalie, apoi întrerupătorul intervine pentru a întrerupe circuitul, urmat în final de izolarea zonei afectate prin dispozitive specifice. Ceea ce face ca acest sistem să funcționeze atât de bine este coordonarea selectivă, ceea ce înseamnă, în esență, că doar dispozitivul cel mai apropiat de locul unde apare problema va răspunde, menținând alimentarea cu energie electrică în restul instalației fără întreruperi. Această abordare reduce atât timpul de nefuncționare, cât și eventualele deteriorări ale echipamentelor. Pentru inginerii care lucrează la astfel de sisteme, stabilirea corectă a parametrilor pentru relee și întrerupătoare este foarte importantă — trebuie să alinieze perfect toate componentele conform cerințelor sistemului în ceea ce privește nivelurile de tensiune, capacitatea de comutare a curenților și capacitatea de rupere la scurtcircuit existentă în rețea, pentru ca totul să funcționeze corespunzător.

Performanța întrerupătorului sub condiții de curent mare de scurtcircuit

Întrerupătoarele bune trebuie să oprească aceste curenți mari de defect fără ca ceva să meargă prost. Atunci când temperaturile devin foarte ridicate sub capotă, aceste dispozitive trebuie să facă față unor forțe electromagnetice serioase, precum și unui stres termic major, care le poate uza rapid. Modelele mai noi utilizează adesea tehnologie cu vid sau gaz SF6, deoarece acestea funcționează mai bine în stingerea arcurilor electrice și restabilesc izolația rapid după un defect. Pentru cele mai multe sisteme de medie tensiune, vorbim despre capacități de rupere între 40 și 63 kiloamperi, cu timpi de eliminare a defectelor care durează de obicei în jur de 3-5 perioade. Producătorii includ, de asemenea, clasificări speciale pentru arcurile interne, precum și sisteme de evacuare a presiunii care conțin descărcările periculoase și împiedică echipamentele să explodeze complet. Alegerea corectă a ratingului întrerupătoarelor este esențială, deoarece contribuie la menținerea stabilității sistemelor electrice și la protejarea tuturor echipamentelor conectate în aval de deteriorare.

Dimensionarea componentelor pentru sarcini maxime și situații de supracurent

Alegerea componentelor de dimensiunea potrivită este foarte importantă atunci când trebuie să facă față vârfurilor mari de consum energetic și defectelor neașteptate. La proiectarea sistemelor, inginerii trebuie să determine care va fi sarcina maximă posibilă, să verifice valorile de scurtcircuit și să calculeze curenții de defect potențiali înainte de a alege aparatajul și echipamentele de protecție care pot suporta aceste condiții. Coordonarea releelelor de supracurent funcționează cel mai bine atunci când se analizează curbele timp-curent (TCC), ajutând la prevenirea declanșărilor inutile, dar eliminând totodată defectele suficient de repede pentru a menține funcționarea normală a sistemului. Nu trebuie uitate nici cerințele viitoare. Componentele trebuie să aibă spațiu pentru extindere în contextul unei cereri crescute, dar trebuie să funcționeze corect chiar dacă sunt instalate în locații cu temperaturi ridicate sau la altitudine mare, unde performanța scade în mod natural. Dimensionarea corectă nu înseamnă doar respectarea specificațiilor tehnice pe hârtie. Aceasta face ca sistemele să fie mai robuste în fața defectelor, reduce reparările costisitoare ulterioare și, în general, face ca echipamentele să aibă o durată de viață mai lungă decât ar avea altfel.

Întrebări frecvente

Care este diferența dintre GIS și AIS în stațiile electrice?

GIS (Echipament de comutație izolat în gaz) ocupă mai puțin spațiu și este preferat în zonele urbane, în timp ce AIS (Echipament de comutație izolat în aer) este mai economic și mai ușor de întreținut, dar necesită mai mult spațiu.

De ce este importantă legarea la pământ a stațiilor electrice?

Legarea la pământ protejează echipamentele și personalul prin disiparea sigură a curenților de defect și menținerea stabilității sistemului în cazul unor evenimente de scurtcircuit.

Ce factori sunt luați în considerare la selectarea transformatoarelor pentru stațiile electrice?

Inginerii iau în considerare puterea nominală, rapoartele de transformare a tensiunii și disiparea căldurii pentru a se asigura că transformatoarele corespund cerințelor de fiabilitate ale sistemului.

Cum funcționează sistemele de protecție împotriva trăsnetelor în stațiile electrice?

Protecția împotriva trăsnetelor se bazează pe stâlpi și cabluri de pământ montate deasupra pentru a direcționa energia loviturii în mod sigur în pământ, protejând astfel echipamentele sensibile de deteriorare.