Как устроена электрическая подстанция: основные структурные элементы энергосистемы

Электрическая (трансформаторная) подстанция – техническая установка со сложным устройством, которое обеспечивает грамотное распределение электроэнергии между потребителями. Подстанция чаще всего обустраивается в специально возведенных одноэтажных строениях или во вместительных металлических корпусах для безопасности и удобства обслуживания. Независимо от формата конструкции устройство распределительного узла базируется на типовых схемах и включает несколько базовых модулей.

Силовой трансформатор

Трансформатор можно назвать “сердцем” электрической подстанции. Он выступает основным структурным элементом, который преобразует поступающее извне напряжение, повышая или понижая его показатели в диапазоне от 220 кВ до 220В. Устройство расположено в герметичном кожухе и контактирует с внешней средой посредством вводов, которые поставляют первичное напряжение.

Простейший силовой трансформатор состоит из двух обмоток, надетых на стальной сердечник, а работа устройства выглядит так:

Ток поступает на первичную обмотку трансформатора и видоизменяется гармониками.
В магнитопроводах создается мощный поток магнитных полей.
Магнитный поток энергии проникает сквозь витки вторичной обмотки, создавая электродвижущую силу устройства.
С проходных изоляторов вторичной обмотки осуществляется съем энергонагрузки с заданными параметрами напряжения, которое поступает конечному потребителю.

Величина исходящего напряжения напрямую зависит от количества витков первичной и вторичной обмотки устройства. В понижающих трансформаторах вторичная обмотка будет содержать меньше витков, чем первичная, в повышающих – наоборот – число витков вторичной обмотки будет превышать первичные. Путем подбора количества витков удается точно подобрать и рассчитать мощность силового трансформатора электрической подстанции.

В структуру устройства также включены:

магнитопровод из электротехнической стали;
масляная система;
переключатель регулировочных отводов у обмоток;
охладители;
поглотители влаги;
устройства сброса давления;
защитные агрегаты;
детектор горючих газов, воспламенений, задымленности и прочее вспомогательное оборудование.

Поскольку силовой трансформатор выступает ключевым элементом электрической подстанции, его поломка чревата выходом из строя всей энергосистемы, запитанной данным устройством.

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.

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.

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.