Як спроектувати підстанцію для максимальної надійності?

Основи проектування підстанцій та вибір обладнання

Інженерні принципи надійного планування підстанцій

Якісне проектування підстанцій починається з аналізу електричних навантажень і визначення рівнів струмів короткого замикання в першу чергу. Ці дослідження допомагають інженерам визначити, яке обладнання потрібно вказати, та як правильно налаштувати системи захисту. Проектуючи підстанції, інженери мають враховувати поточні потреби, але також планувати майбутнє зростання навантажень. Ще однією важливою проблемою є стабільність системи під час аварій, тому цьому слід приділити належну увагу. Вибір правильного рівня напруги теж має значення. Він має відповідати вже існуючим параметрам на стороні передачі енергії, але залишати можливість для розширення в майбутньому. Механічні конструкції також не повинні ігнорувати природні фактори. Такі аспекти, як землетруси та доступність для техніків під час обслуговування, є важливими складовими забезпечення надійної роботи протягом багатьох років. Більшість досвідчених фахівців із проектування знають: спроби економії на початковому етапі часто дають зворотний ефект, якщо це призводить до погіршення надійності. Адже ніхто не хоче, щоб у нього вимкнуло світло через те, що хтось пожертвував якістю на етапі проектування.

GIS проти AIS: Вибір правильного типу підстанції для екологічної та експлуатаційної надійності

Вибір між газоізольованим вимикачем (ГІВ) та повітряноізольованим вимикачем (ПІВ) — це не просто технічне рішення: воно впливає на все, від екологічних наслідків до надійності роботи обладнання з дня на день. ГІВ займає значно менше місця, ніж традиційні варіанти, що є логічним рішенням для міст чи місць, де просто немає додаткового простору. Ці системи також краще витримують важкі умови експлуатації і потребують обслуговування значно рідше, хоча й мають вищу початкову вартість. Навпаки, ПІВ добре підходить тоді, коли головним є бюджет, а простору достатньо. Техніки можуть легше отримати доступ до таких систем для планових перевірок і ремонтів, а вартість монтажу, як правило, залишається значно нижчою. Більшість інженерів обирають ГІВ для проектів у густонаселених районах або поблизу охоронюваних екосистем, де надійність має значення, що виходить за межі просто цифр у таблиці.

Вибір критичного обладнання: трансформатори, вимикачі та комутаційне устаткування впливають на надійність

Трансформатори є основним компонентом підстанцій, тому інженери повинні уважно стежити за такими параметрами, як їхня номінальна потужність, коефіцієнт перетворення напруги та способи відведення тепла. Вибір правильного трансформатора впливає на тип фундаменту, який потрібно побудувати, і на заходи пожежної безпеки, що врешті-решт визначає надійність усієї системи. Щодо вимикачів, правильний їхній підбір забезпечує безпечне вимикання максимальних струмів короткого замикання та дозволяє швидко виявляти й ізолювати несправності при їхньому виникненні. Сучасне комутаційне обладнання оснащене вбудованими реле захисту та системами керування, які взаємодіють між собою, щоб запобігти поширенню збоїв у всій електричній мережі. Дотримання затверджених галузевих норм гарантує, що всі ці компоненти мають відповідні розміри як для звичайного режиму роботи, так і для несподіваних стрибків навантаження, що сприяє довшому терміну служби обладнання та стабільності енергомережі як у штатному режимі, так й у разі будь-яких несправностей.

Оптимальна компоновка підстанції та електрична конфігурація

Стратегічне проектування розташування для забезпечення доступу, обслуговування та безпечних зазорів

Те, як розташовані підстанції, суттєво впливає на їхню надійність щодо таких аспектів, як доступ до обладнання, ефективне проведення ремонтних робіт і дотримання всіх необхідних вимог безпеки. Інженери під час розміщення обладнання мають дотримуватися нормативів IEEE та IEC щодо вільного простору не лише тому, що цього вимагають правила, а й тому, що реальним людям потрібно місце для безпечного виконання робіт та належного проведення огляду. Загальне правило — забезпечити принаймні 1,5 метра вільного простору навколо кожного пристрою, щоб працівники могли вільно пересуватися з інструментами. Проте важливо враховувати не тільки фізичний простір: запаси безпеки мають брати до уваги можливі стрибки напруги під час комутаційних операцій. Згідно з останніми галузевими звітами за 2024 рік, дотримання правил раціонального розміщення скорочує ризики поширення пошкоджень приблизно на третину порівняно зі стиснутими компонуваннями, де все начебто стиснуто разом. Плануючи такі розташування, варто мати на увазі кілька важливих факторів, зокрема...

• Орієнтація обладнання для візуального огляду втулок і з'єднань
• Спеціальні під'їзди для транспортних засобів аварійно-рятувальних служб
• Зони ізоляції для забезпечення процедури допуску до робіт під напругою

Розташування шинопроводів і розподільних пристроїв: забезпечення резервування та стійкості до пошкоджень

Конфігурація шинопроводів суттєво впливає на доступність системи — подвійні шинні системи забезпечують доступність 99,98 % проти 99,85 % для одинарних. Резервовані конфігурації дозволяють проводити технічне обслуговування без перерви в роботі та обмежують наслідки пошкоджень за рахунок сегментації. Сучасні конструкції включають:

• Основні та резервні шинні системи для критичних навантажень
• Автоматичні схеми перемикання шин для забезпечення безперебійного живлення
• Фізичне розділення паралельних трас шинопроводів для запобігання одночасного виходу з ладу через каскадні аварії

Розділення первинних і вторинних кіл для запобігання поширенню пошкоджень

Фізичне та електричне розділення між первинними силовими ланцюгами та вторинними системами керування запобігає електромагнітним перешкодам та поширенню несправностей. Стандарт IEC 61850-3 встановлює мінімальні відстані розділення залежно від класу напруги, для установок 400 кВ необхідне розділення на 4 метри між лотками для первинних та вторинних кабелів. Ефективні заходи включають:

• Окремі траси прокладання кабелів для кіл захисту
• Екрановані керуючі кабелі для критичних сигналів
• Окремі системи заземлення для запобігання передачі підвищення потенціалу землі

Захист від перенапруг, ізоляція та електромагнітне екранування

Координація захисту від перенапруг та ізоляції для витримування перехідних сплесків напруги

Ефективний захист від перевищення напруги ґрунтується на узгодженні ізоляції — узгодженні міцності ізоляції обладнання з очікуваними напругами. Короткочасні перенапруги від блискавки або комутаційних операцій можуть досягати 6–8 разів більшої величини нормальної робочої напруги, що вимагає надійних захисних заходів. Обмежувачі перенапруг та інші захисні пристрої повинні спрацьовувати до моменту пробою ізоляції, забезпечуючи цілісність підстанції під час збурень.

Стандарти діелектричного узгодження та електричних відстаней для безпеки обладнання

Коли мова йде про діелектричну узгодженість, ми, по суті, розглядаємо, як правильно підібрати рівні ізоляції та відповідні повітряні проміжки, щоб не виникало перекриття чи пошкодження. Галузеві стандарти, такі як IEC 60071, надають досить чіткі рекомендації щодо цього, особливо що стосується так званого базового рівня імпульсної міцності (BIL), а також рекомендованої відстані між компонентами залежно від таких факторів, як номінальна напруга та місце розташування обладнання. Правильна узгодженість означає, що повітряні проміжки між деталями та самі тверді ізоляційні матеріали здатні витримувати не лише звичайні робочі напруги, але й тимчасові стрибки напруги, які іноді виникають. Без належного налаштування одна невелика несправність може призвести до більш серйозних проблем у майбутньому, що ніхто не хоче вирішувати в умовах підвищеної експлуатації.

Системи блискавкозахисту: мачти та підвісні заземлені дроти для захисту від безпосередніх ударів блискавки

Більшість систем захисту від блискавки ґрунтуються на високих щоглах разом із тими заземленими проводами, які ми називаємо OHGW, щоб утворити захищені зони навколо важливого електричного обладнання. Інженери зазвичай використовують так званий метод котящоїся кулі під час стратегічного розміщення цих компонентів, щоб вони могли перехоплювати прямі удари до того, як блискавка досягне чутливого обладнання, такого як трансформатори або розподільні щити. Наявність належного заземлення також є обов’язковою — зазвичай його розташовують на відстані від 200 до 300 метрів один від одного, залежно від умов місцевості. Така конфігурація спрямовує величезну енергію імпульсу безпечно в землю, замість того, щоб дозволити їй пошкодити інфраструктуру. Системи, побудовані відповідно до рекомендацій IEEE, як правило, забезпечують досить високий рівень захисту, зменшуючи ймовірність прямих ударів приблизно на 95% або більше в більшості випадків, про що свідчить практичний досвід.

Проектування системи заземлення для безпеки та стабільності

Ефективне проектування заземлення для забезпечення стабільності системи під час аварійних ситуацій

Надійні системи заземлення мають важливе значення для забезпечення стабільної роботи підстанцій. Вони забезпечують безпечний шлях для струмів короткого замикання, створюючи підключення до землі з низьким опором. Більшість інженерів прагнуть підтримувати опір заземлення нижче 5 Ом, оскільки це сприяє правильному розподілу струму та зменшує небезпечні різниці потенціалів на території об'єкта. Основні компоненти зазвичай включають мідні провідники, здатні витримувати будь-які струми короткого замикання, а також пов'язані сітки, які забезпечують приблизно однаковий електричний потенціал усіх елементів. Не варто забувати і про з'єднання всіх металевих частин. Правильно виконані системи захищають дороге обладнання під час аварійних ситуацій і забезпечують коректну роботу вимикачів та інших засобів безпеки в екстрених випадках.

Безпека персоналу: практики заземлення під час обслуговування та аварійних ситуацій

Правильні методи заземлення захищають працівників під час обслуговування або у разі електричних пошкоджень. Перш ніж розпочинати будь-які роботи на обладнанні, яке було вимкнене, спочатку необхідно встановити тимчасові захисні заземлення. Це створює так звану зону рівного потенціалу, забезпечуючи, щоб ніхто не отримав удар струмом, якщо обладнання випадково знову виявиться під напругою. Коли виникають пошкодження в системі, належне заземлення утримує небезпечні напруги на достатньо низькому рівні, щоб люди навіть не відчули їх, торкаючись землі або пересуваючись між різними точками. Згідно з Національним електротехнічним кодексом, існує безліч правил щодо того, як обладнання має бути з'єднане, як регулярно перевіряти опір заземлення та як забезпечити постійний огляд у часі, щоб працівники залишалися в безпеці.

Системи захисту та комутаційне обладнання для швидкого керування пошкодженнями

Надійне комутаційне обладнання та реле захисту для швидкого виявлення та ізоляції пошкоджень

Надійність підстанцій дійсно залежить від сучасних систем захисту, які можуть виявляти та відключати пошкодження всього за кілька мілісекунд. Сучасне комутаційне обладнання поєднує цифрові реле з різноманітними датчиками, щоб вчасно виявляти проблеми, такі як перевантаження струмом або замикання на землю. Уся система працює за трьома основними етапами: по-перше, реле виявляє неполадку, потім вимикач втручається, щоб перервати процес, і, нарешті, уражена ділянка ізолюється за допомогою спеціальних пристроїв. Ключовим фактором ефективної роботи є селективна узгодженість, що означає, що реагує лише найближчий до місця пошкодження пристрій, забезпечуючи безперебійну подачу електроенергії в інших частинах мережі. Такий підхід скорочує простої та потенційні пошкодження обладнання. Для інженерів, які працюють з цими системами, дуже важливо правильно підібрати технічні характеристики реле та вимикачів — необхідно точно узгодити їх із вимогами системи щодо рівнів напруги, здатності витримувати струм і величини комутаційної здатності при короткому замиканні, щоб забезпечити бездоганну роботу мережі.

Робота автоматичного вимикача за умов високих струмів короткого замикання

Добрі автоматичні вимикачі повинні припиняти великі струми пошкодження, не допускаючи неполадок. Коли під капотом стає дуже гаряче, ці пристрої мають справу з серйозними електромагнітними силами та значним тепловим навантаженням, що може призвести до швидкого зносу. Новіші моделі часто використовують вакуумну технологію або газ SF6, оскільки вони краще гасять електричні дуги та швидко відновлюють ізоляцію після пошкодження. Для більшості систем середньої напруги розглядаються можливості вимкнення в діапазоні від 40 до 63 кілоампер, а час вимкнення зазвичай становить близько 3–5 періодів. Виробники також передбачають спеціальні класифікації для внутрішніх дуг разом із системами скидання тиску, які обмежують небезпечні перекриття та запобігають повному руйнуванню обладнання. Також дуже важливо правильно підібрати номінальну потужність вимикачів, оскільки це допомагає підтримувати стабільність електроживлення та захищає все підключене устаткування від пошкодження.

Підбір компонентів для пікових навантажень та ситуацій з перевантаженням за струмом

Правильний вибір компонентів за розміром має велике значення, коли йдеться про великі стрибки попиту на електроенергію та несподівані несправності. Під час проектування систем інженери повинні визначити максимально можливе навантаження, перевірити дані про струми короткого замикання та розрахувати потенційні струми пошкодження, перш ніж вибирати комутаційне та захисне обладнання, здатне витримати всі ці навантаження. Найкраще координування реле перевантаження досягається шляхом аналізу кривих час-струм (TCC), що допомагає уникнути непотрібних відключень та одночасно швидко усувати несправності, забезпечуючи стабільну роботу системи. Не варто забувати й про майбутні потреби. Компоненти повинні мати можливість для розширення зі зростанням попиту, а також повинні правильно працювати навіть за умови встановлення в гарячих місцях або на великій висоті, де продуктивність природно знижується. Правильний підбір розмірів — це не просто відповідність технічним характеристикам на папері. Це робить системи стійкішими до відмов, зменшує витрати на дорогі ремонти в майбутньому та загалом забезпечує довший термін служби обладнання, ніж було б інакше.

ЧаП

У чому полягає різниця між GIS та AIS у підстанціях?

GIS (комплектне високовольтне устаткування з газовою ізоляцією) займає менше місця і є переважним у міських районах, тоді як AIS (комплектне високовольтне устаткування з повітряною ізоляцією) є економнішим і простішим у обслуговуванні, але вимагає більше місця.

Чому важливе заземлення підстанції?

Заземлення захищає устаткування та персонал, безпечно відводячи струми пошкодження та забезпечуючи стабільність системи під час коротких замикань.

Які фактори враховуються при виборі трансформаторів для підстанцій?

Інженери враховують номінальну потужність, коефіцієнти перетворення напруги та розсіювання тепла, щоб забезпечити відповідність трансформаторів вимогам надійності системи.

Як працюють системи захисту від блискавки на підстанціях?

Захист від блискавки ґрунтується на використанні блискавковідвідних щогл та верхніх заземлювальних дротів, які безпечно спрямовують енергію удару в землю, захищаючи чутливе устаткування від пошкоджень.