Говоря об оборудовании и устройстве подстанций, у людей далёких от энергетики может возникнуть весьма резонный вопрос — зачем всё это нужно? Не проще ли сразу передавать электрическую энергию от электростанции по проводам напряжением 220 В, такого же, как и в розетках у «бытовых» потребителей?

Ответ прост — при такой передаче электрической энергии на значительные расстояния, большая её часть будет теряться. Для уменьшения потерь напряжение необходимо повышать. К примеру, для того чтобы передать мощность, равную 100 кВт при напряжении 220 В, потребуется сила тока равная 454,55 А, что неминуемо приведёт к увеличению сечения проводов линии электропередач.

Выход — увеличить напряжение. К примеру, если увеличить напряжение до 10 кВ, для передачи этой мощности потребуется сила тока, равная 10 А. Соответственно, сечение проводов будет меньше и потери электроэнергии также будут меньше.

Что такое подстанция?

Для преобразования и распределения электроэнергии применяются специальные электроустановки — электрические подстанции (определение согласно п. 37 ГОСТ 19431-84). В состав подстанций (сокращённо ПС) входят различные устройства, которые мы сейчас и рассмотрим.

Виды подстанций

Подстанции подразделяются на трансформаторные и преобразовательные подстанции. Назначение трансформаторных подстанций заключается понижении и повышении напряжения, а преобразовательных — в преобразовании переменного тока в постоянный и наоборот.

Все трансформаторные подстанции можно разделить на два вида: повышающие напряжение и понижающие напряжение. Подстанции, повышающие напряжения, как правило, устанавливают рядом электростанциями. Подстанции, понижающие напряжение, или как их ещё называют понизительные подстанции можно встретить повсеместно.

На улицах чаще всего мы видим трансформаторные пункты (ТП) или комплектные трансформаторные подстанции (КТП).

 

 

 

Рисунок 1 — КТП

Такие подстанции могут быть закрытыми (ЗКТП), где всё оборудование расположено в здании, открытыми, а также мачтовыми (МТП) и столбовыми (СТП), где оборудование установлено на опорах.

 

 

 

Рисунок 2 — виды ТП: а — ЗКТП, б — МТП, в — СТП

Примечание: cтолбовые подстанции отличаются от мачтовых подстанций способом установки — столбовые трансформаторные подстанции КТП-С устанавливаются на одной опоре, а мачтовые трансформаторные подстанции КТП-М устанавливаются между двух опор (ПУЭ 7 4.2.11).

Трансформаторные пункты предназначены для преобразования электроэнергии напряжением 35, 10 или 6 кВ, передаваемой по проводам линий электропередач (ЛЭП), проходящих между населёнными пунктами. По отходящим ЛЭП напряжением 0,4 кВ электроэнергия поступает к некоторым промышленным и бытовым потребителям.

Для преобразования более высокого напряжения применяются подстанции 35/10 кВ или 110/35/10 кВ и т.д. Такие ПС имеют более сложное устройство и компоновку, а также оснащаются сложными устройствами релейной защиты.

 

 

 

Рисунок 3 — ПС 110 кВ

Для обеспечения питания электротранспорта (электровозов, троллейбусов, трамваев и т.п.) используются тяговые подстанции. В зависимости от необходимого электротранспорту рода и величины напряжения, тяговые подстанции могут выдавать постоянный или переменный ток.

Что такое РУ

Для приёма и распределения электроэнергии на ПС используют распределительные устройства (РУ). Распределительные устройства подстанций по способу размещения оборудования можно разделить на открытые (ОРУ) и закрытые (ЗРУ).

 

 

 

Рисунок 4 — распределительные устройства: а — ЗРУ, б — ОРУ 110 кВ, в — комплектное распределительное устройство наружной установки (КРУН)

РУ состоят из системы шин, которые могут секционированными или одиночными, коммутационных аппаратов и другого оборудования, необходимого для обеспечения требуемых режимов работы. Состав и назначение этого оборудования будет подробно рассмотрено позже.

Также, на крупных подстанциях может применяться двойная система шин. В нормальном режиме работы одна система шин является рабочей, другая — резервной. Для соединения их между собой устанавливают шиносоединительный выключатель (ШСВ). С его помощью можно переводить питание с одной системы шин на другую систему шин.

 

 

 

Рисунок 5 — двойная система шин

Коммутационные аппараты

Согласно п. 1 ГОСТ 17703-72, коммутационный электрический аппарат – это аппарат, предназначенный для коммутации электрической цепи и проведения тока. Их используют для включения и отключения электрической цепи и снятия нагрузки с части электроустановки, а также для её заземления. К коммутационным аппаратам относятся высоковольтные выключатели, разъединители, отделители-короткозамыкатели, предохранители и заземляющие ножи.

Выключатели: принцип действия.

Для снятия нагрузки с линии применяются высоковольтные выключатели. По принципу гашения электрической дуги их можно разделить на:

• масляные;
• вакуумные;
• элегазовые;
• воздушные;
• автогазовые.

Гашение дуги в масляных выключателях производится за счёт движения масла в дугогасительной камере, которое может поступать в камеру за счёт энергии, которая возникает при размыкании дуги (с автодутьем), или при помощи специальных устройств (с принудительным масляным дутьём), а также под воздействием магнитного поля, когда электрическая дуга, находясь в масле, перемещается в специальных каналах дугогасящего устройства.

 

 

 

Рисунок 6 — масляный выключатель

Масляные выключатели сочетают простоту конструкции и хорошие отключающие способности, но обладают и рядом недостатков: масло обладает высокой пожароопасностью, взрывоопасностью, таким выключателям требуется частое периодическое обслуживание при отключении токов короткого замыкания, кроме этого, выключатели обладают значительными габаритами. В настоящее время выключатели этого типа являются морально устаревшими и вытесняются вакуумными и элегазовыми выключателями.

В вакуумных выключателях гашение дуги происходит в среде сильно разреженного газа, что обеспечивает их низкую пожароопасность и взрывоопасность, а также высокую надёжность и длительные периоды между техобслуживанием. На сегодняшний день промышленность выпускает выключатели, способные работать при напряжениях от 6 до 220 кВ.

 

 

 

Рисунок 7 — вакуумный выключатель

Для гашения дуги в элегазовых выключателях применяется шестифтористая сера — элегаз. Он обладает большей эффективностью по сравнению с маслом, что позволяет создавать более компактные выключатели. Также к достоинствам элегаза можно отнести пожаробезопасность, длительные сроки между периодическими ТО и широкий диапазон рабочих напряжений, от 6 до 1150 кВ.

 

 

 

Рисунок 8 — элегазовый выключатель

Средой для гашения дуги в воздушных выключателях служит поток сжатого воздуха, который создаётся специальным компрессором. Для хранения сжатого воздуха требуется ресивер, а для подачи требуется система пневматических трубопроводов.

 

 

 

Рисунок 9 — Воздушный выключатель

Область применения автогазовых выключателей ограничена напряжением до 10 кВ. Гашение дуги в них происходит за счёт газов, которые образуются, в дугогасительных камерах при её отключении. Такие выключатели носят название выключатель нагрузки и не предназначены для отключения токов короткого замыкания.

 

 

 

Рисунок 10 — автогазовый выключатель

Разъединители

Эти коммутационные аппараты нужны для того, чтобы создать видимый разрыв электрической цепи и для отключения или включения небольших зарядных токов отходящих линий и намагничивающих токов силовых трансформаторов. Устройств гашения дуги в разъединителях нет, и они не предназначены для отключения цепей под нагрузкой, так как возникшая дуга может вызвать устойчивое КЗ между фазами.

Эти коммутационные аппараты нужны для того, чтобы создать видимый разрыв электрической цепи и для отключения или включения небольших зарядных токов отходящих линий и намагничивающих токов силовых трансформаторов. Устройств гашения дуги в разъединителях нет, и они не предназначены для отключения цепей под нагрузкой, так как возникшая дуга может вызвать устойчивое КЗ между фазами.

Конструктивно разъединитель представляет собой два контакта ножевого типа, закреплённых на изоляторах. Для изоляции ножей служат опорно-стержневые изоляторы. Включение и отключение разъединителя производится при помощи ручного или механизированного привода.

Различают однополюсные и трёхполюсные разъединители. В последних отключаются и включаются все три полюса от одного привода. Также на разъединителях устанавливаются заземляющие ножи, которые включаются при отключённом положении разъединителя.

 

 

 

Рисунок 11 — разъединитель с заземляющими ножами

Короткозамыкатели-отделители

Короткозамыкатели на ПС применялись для создания искусственного короткого замыкания на питающей линии. В результате чего линия отключалась на питающей ПС выключателем, а затем на ПС с установленным короткозамыкателем отключался отделитель. Далее, на питающей ПС срабатывала автоматика повторного включения и линия, с запитанными от неё ПС, кроме отключённой, включалась в работу.

 

 

 

Рисунок 12 — короткозамыкатель с отделителем на заднем плане

Данная схема применялась для удешевления и в настоящее время от неё отказываются, устанавливая на отходящих ПС высоковольтные выключатели.

Виды трансформаторов: силовые, напряжения, тока.

Силовой трансформатор на ПС преобразовывает напряжение, например, повышает или понижает его. Принцип работы трансформатора основан на электромагнитной индукции. У трансформаторов есть минимум две обмотки — первичная и вторичная. При этом вторичных обмоток может быть несколько, на один или несколько классов напряжения. Обмотки трансформатора не имеют между собой электрической связи.

Переменный ток, проходя по виткам первичной обмотки, образует в магнитопроводе переменный магнитный поток. Этот поток наводит во вторичной обмотке переменное ЭДС. Величина напряжения на вторичной обмотке будет зависеть от коэффициента трансформации — соотношения витков в первичной и вторичной обмотках.

 

 

 

Рисунок 13 — принцип действия трансформатора

 

 

 

Рисунок 14 — силовой трансформатор

На ПС напряжением выше 150 кВ применяются автотрансформаторы, что позволяет снижать потери активной мощности, по сравнению с трансформаторами. Также, стоимость автотрансформаторов ниже, чем стоимость трансформаторов. Это достигается за счёт особенностей конструкции автотрансформатора, которая предполагает передачу мощности от одной обмотки к другой как за счёт магнитного поля, так и за счёт электрической связи обмоток.

 

 

 

Рисунок 15 — схемы трансформатора и автотрансформатора

Для измерения напряжения, работы устройств учёта и релейной защиты в сетях 6, 10, 35 кВ на подстанциях применяются трансформаторы напряжения. По своей конструкции принципу работы они аналогичны силовым трансформаторам, за исключением того, что имеют меньшее сечение обмоток, так они не рассчитаны на большие нагрузки.

Одной из разновидностей трансформаторов напряжения является заземляемый трансформатор, у которого один конец вторичной обмотки наглухо заземлён. Такие трансформаторы могут быть как однофазного исполнения (3НОМ) или трёхфазного (НТМИ, НАМИ).

 

 

 

Рисунок 16 — Трансформатор типа НТМИ - 6

Ещё одним устройством, применяемым на ПС для измерений, являются трансформаторы тока (ТТ). Назначение таких трансформаторов состоит в преобразовании тока большой величины, до величины удобной для измерения, а также когда прямое измерение тока провести невозможно. Применяются для обеспечения работы устройств релейной защиты и систем учёта электроэнергии.

Конструкция ТТ предполагает наличие в первичной обмотке малого числа витков при большой площади её сечения. Трансформаторы тока могут не иметь первичной обмотки, в этом случае первичной обмоткой выступает жила кабеля, в которой измеряют ток. Вторичная обмотка ТТ замыкается накоротко или соединяется с приборами, причём число витков во вторичной обмотке выбирается с таким расчётом, чтобы ток был не более 5А.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17 — трансформатор тока в разобранном виде

Токоограничивающие реакторы

Конструктивно токоограничивающий реактор является катушкой индуктивности, которая подключается последовательно в электрическую цепь. Служит для ограничения токов короткого замыкания и поддержания на шинах ПС достаточного уровня напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 19 — токоограничивающий реактор

По способу исполнения подразделяются на бетонные, масляные, сухие и броневые. По виду подключения могут быть как одиночными, так и сдвоенными, а также межсекционными и фидерными.

Батареи статических конденсаторов (БСК)

Высоковольтные БСК на ПС позволяют поддерживать требуемый уровень напряжения на отходящих линиях электропередач и увеличить их пропускную способность за счёт компенсации реактивной мощности.

 

 

 

Рисунок 20 — БСК