Состав оборудования трансформаторных подстанций

Трансформаторная подстанция (ТП) – это электрическая подстанция, предназначенная для преобразования электроэнергии переменного тока одного напряжения в электроэнергию другого напряжения с помощью трансформаторов.

Трансформаторная подстанция преобразует напряжение, под которым электроэнергия передается от источников к линиям электропередачи и от них к потребителям, а также распределяет электроэнергию под требуемым напряжением среди потребителей.

По назначению ТП разделяются на станционные, системные, сетевые и потребительские.

Станционные ТП устанавливаются на электростанциях и предназначены для повышения напряжения от напряжения на выходе генераторов до напряжения в связанной с ними Госэнергосистеме РФ.

Системные ТП (головные понизительные подстанции ГПП) предназначены для отбора мощности от государственной энергосистемы, управления перетоками мощности в энергосистеме, а также для преобразования и распределения электроэнергии между сетевыми и потребительскими ТП.

Сетевые ТП – это понизительные подстанции (СПП), предназначенные для снабжения электроэнергией небольших районов (объектов). Обычно на СПП напряжение снижается с 35 (110 или 220) до 6 или 10 кВ.

Потребительские ТП – это трансформаторные подстанции,предназначенные для электроснабжения потребителей территориально расположенных рядом с ними. На потребительских ТП напряжение обычно понижается с 6 (10) кВ до 400 В.

На космодроме «Байконур» в работе находятся две станционных ТП, две ГПП, около тридцати СПП и около 1500 потребительских ТП.

Схема взаимосвязей системных, сетевых и потребительских ТП представлена на рис. 1.3.

По способу сооружения трансформаторные подстанции разделяются на открытые ТП, которые располагаются на открытом воздухе, и закрытые, располагаемые внутри сооружений трансформаторных подстанций. Как правило, открытые ТП сооружаются при напряжениях 35 кВ и выше, а закрытые – при высшем напряжении до 10 кВ.

По режиму работы различают два основных вида ТП. Это повышающие ТП, которые сооружаются на электростанциях и понижающие ТП, предназначенные для преобразования высокого напряжения линии электропередачи в более низкое напряжение, необходимое для потребителей электроэнергии.

Некоторые ТП могут работать как в режиме повышения, так и в режиме понижения напряжения. Такие трансформаторные подстанции называются комбинированными. Примером комбинированной ТП является трансформаторная подстанция ДЭС. В нормальном режиме работы электроэнергия поступает из сети с напряжением 6 (10) кВ, понижается до 0,4 кВ и распределяется на собственные нужды электростанции. При включении ДЭС в работу вырабатываемое генераторами напряжение 0,4 кВ повышается до уровня сетевого напряжения (6 или 10 кВ) и выдается потребителям.

Трансформаторные подстанции подразделяются по их высшему напряжению. На объектах ВКС нашли применение ТП с высшим напряжением 220, 110, 35 и 6 (10) кВ, например, ТП-220 кВ. Иногда в обозначениях ТП указывают и другие уровни напряжения, например, высшее и низшее напряжения ТП-10/0,4 кВ или высшее, среднее и низшее напряжения ТП-220/110/35 кВ.

По способу управления электрооборудованием ТП могут быть автоматизированными, управление режимами работы электрооборудования которых производится системами автоматизированного управления (САУ) по определенным программам, и неавтоматизированными, управление оборудованием которых осуществляется обслуживающим персоналом по месту их установки (местное управление) или с пульта, расположенного на некотором расстоянии от него (дистанционное управление).

По количеству силовых трансформаторов ТП подразделяются на однотрансформаторные, устанавливаемые для питания объектов III категории надёжности, мало влияющих на выполнение боевой задачи, двухтрансформаторные, предназначенные для питания электроэнергией более важных объектов I и II категорий надёжности, и многотрансформаторные, которые сооружаются, когда мощности двух трансформаторов недостаточно для обеспечения электроэнергией всех потребителей.

В ряде случаев на ТП применяются автотрансформаторы или трехобмоточные силовые трансформаторы с обмотками высшего, среднего и низшего напряжения (ВН, СН и НН).

Мощность силовых трансформаторов, устанавливаемых на ТП, определяется назначением ТП и потребителями. Мощность установленных на ТП трансформаторов иногда указывается в обозначении подстанции, например, ТП 250-10/0,4; ТП 2×10000-35/6 или ТП 3×63000-110/35/10. Здесь первое число – количество трансформаторов на ТП (один не указывается), второе число – мощность трансформатора, через дробь показаны высшее, среднее и низшее напряжения ТП.

По способу присоединения к сети трансформаторные подстанции подразделяются на следующие группы:

тупиковые (блочные) ТП, получающие электроэнергию от питающей подстанции по одной или двум линиям электропередачи;

проходные (транзитные) ТП, включаемые в рассечку проходящих через подстанцию одной или двух магистральных ЛЭП с односторонним или двухсторонним питанием;

ответвительные ТП, питаемые по ответвлениям от одной или двух магистральных ЛЭП, проходящих мимо подстанции;

узловые ТП, когда к подстанции кроме питающих линий подведены дополнительно радиальные или магистральные ЛЭП, питающие другие ТП.

По способу сооружения ТП делятся на сборные и комплектные. Сборные ТП собираются из отдельных элементов, которые в соответствии с проектом монтируются на месте размещения подстанции, к ним подводятся необходимые электрические цепи, производится регулировка и наладка оборудования. Комплектные ТП выпускаются заводом-изготовителем в условиях серийного производства в виде стандартных ячеек распределительного устройства или целиком в виде подстанции. Все необходимые сборки и регулировки производятся на заводе, а на месте монтажа производится только установка ячейки на свое место и подключение ее к системе электроснабжения и потребителям.

По расположению на местности различают встроенные (рис. 1.4,а), пристроенные(рис. 1.4,б) и отдельно стоящие ТП (рис. 1.4,в).

Встроенными называютсяТП, у которых все помещения подстанции находятся внутри здания или сооружения, электроустановки которого и являются потребителями электроэнергии, пристроенными – у которых одна или две стены являются общими для ранее сооруженного здания (сооружения) и пристроенной к нему подстанции. Отдельно стоящие ТП представляют собой обособленно расположенное на территории сооружение, в котором размещается все оборудование ТП.

Структурная схема простейшей ТП (рис. 1.5) состоит из трех основных элементов. Это – два распределительных устройства: высшего напряжения (РУ ВН) и низшего напряжения (РУ НН), а также трансформаторы, которых может быть один или несколько.

Сплошными стрелками на рисунке показано направление потоков электроэнергии при работе ТП в понижающем режиме. Стрелки сбоку показывают, что подстанция может получать электроэнергию от других ТП как по стороне высшего, так и по стороне низшего напряжения. Пунктирные стрелки показывают направление потоков электроэнергии при работе ТП в повышающем режиме. Боковые стрелки указывают на возможность работы ТП в кольцевых системах электроснабжения.

На схеме не показаны вспомогательные элементы ТП, такие, как, например, трансформаторы собственных нужд, измерительные трансформаторы тока и напряжения, контрольно-измерительные приборы, вторичные электрические цепи и т.п.

Принципиальные электрические схемы ТП, в отличие от структурных, более разнообразны. В качестве примера рассмотрим два характерных варианта принципиальных электрических схем ТП, позволяющих получить представление о составе оборудования трансформаторных подстанций.

На рис. 1.6 представлена принципиальная электрическая схема комплектной трансформаторной подстанции КТПН-50/6 мощностью 50 кВт, которая предназначена для размещения вне сооружений и понижения напряжения с 6 кВ до 400/230 В.

Все оборудование ТП смонтировано в одном металлическом шкафу и включает в себя:

а) распределительное устройство высшего напряжения РУ ВН (напряжением 6 кВ), выполненное в виде сборки и предназначенное для подключения двух вводных трехжильных кабелей и кабеля, соединяющего шины с разъединителем, размещенным в этом же РУ;

б) трансформатор ТМ-50/6 с полной мощностью 50 кВА;

в) распределительное устройство низшего напряжения РУ НН напряжением 0,4/0,23 кВ, которое размещено в специальном отсеке КТПН. В этом РУ располагаются система сборных шин В 1, коммутационные аппараты (автоматические выключатели) QF и трансформатор Т 2, преобразующий переменный ток напряжением 220 В в переменный ток напряжением 12 В, который используется для осветительной сети.

На рис. 1.7 представлена схема более сложной трансформаторной подстанции 35/6 кВ.

Напряжение на распределительное устройство высшего напряжения (РУ ВН), расположенное вне сооружений (открытое распредустройство ‒ ОРУ), подается по двум воздушным ЛЭП W 1 и W 2 напряжением 35 кВ. На входе в РУ установлены линейные разъединители QS 1 и QS 2, предназначенные для включения в работу и отключения на холостом ходу силовых трансформаторов Т 1 и Т 2. Разъединителями также создается видимый разрыв со стороны высшего напряжения при производстве ремонтов и технического обслуживания на оборудовании ТП. Для обеспечения безопасности при производстве работ на ТП разъединители оборудованы заземляющими ножами.

Для защиты от токов короткого замыкания при повреждении трансформаторов в РУ ВН устанавливаются предохранители. Разрядники FV 1 и FV 2 предназначены для защиты оборудования ТП от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Силовые трансформаторы Т 1 и Т 2 установлены вне помещений и понижают напряжение с 35 до 6 кВ. Напряжение 6 кВ через выключатели Q 1 и Q 2 подается на секции шин, расположенные в сооружении РУ НН (закрытое распределительное устройство – ЗРУ).

 

 

Кроме того, от вторичных обмоток силовых трансформаторов Т 1 и Т 2 через разъединители QS 1 и QS 2 и, соответственно, предохранители FU 1 и FU 2 получают питание трансформаторы собственных нужд ТСН1 и ТСН2.

От секций шин РУ НН через выключатели высокого напряжения Q 3, Q 4, Q 6 и Q 7 получают питание несколько отходящих линий (фидеров) напряжением 6 кВ.

Измерительные трансформаторы тока ТА 1 – ТА 6 служат для подключения измерительных приборов (амперметров, счетчиков, ваттметров) и устройств релейной защиты.

К каждой из секций шин через разъединители QS 5 и QS 6 и соответственно предохранители FU 5 и FU 6 подключены трансформаторы напряжения TV 1 и TV 2, которые используются для измерения напряжения на шинах и контроля состояния изоляции шин и присоединений (фидеров). Для защиты трансформаторов напряжения от перенапряжений к шинам каждой из секций подключены вентильные разрядники FV 3 и FV 4.

Для восстановления питания потребителей с шин секций РУ НН при исчезновении напряжения на одном из вводов или при выходе из строя элемента питающей сети (трансформаторов Т 1 или Т 2 и других аппаратов) распредустройство низшего напряжения снабжено секционным выключателем QB. Секционный выключатель управляется устройством автоматического включения резерва (АВР), которое после исчезновения напряжения на одной из секций шин срабатывает, отключая аварийный ввод и соединяя шины обеих секций. При этом питание потребителей восстанавливается.

Количество и мощность трансформаторов (автотрансформаторов), а также состав оборудования РУ зависят от конкретных задач, которые должна решать данная подстанция.

Вместе с тем, при разработке и проектировании к трансформаторным подстанциям предъявляются и общие требования. Основными из них являются следующие:

1. Надежный транзит мощности через РУ ВН подстанции по местным и магистральным линиям.

2. Надежное электроснабжение присоединенных к ТП потребителей (в соответствии с их категориями надежности) в нормальном и в послеаварийном режимах работы.

3. Возможность дальнейшего расширения ТП.

4. Минимально возможные затраты на сооружение и эксплуатацию подстанции.

5. Удобство эксплуатации оборудования ТП.

Кроме вышеперечисленных общих требований к каждой вновь сооружаемой подстанции предъявляются специальные требования, указанные в техническом задании на проектирование и определяемые ее местом в системе электроснабжения и конкретным назначением ТП.

 

Синхронные генераторы

 

Для выработки электроэнергии на электростанциях применяют синхронные генераторы трехфазного переменного тока. Различают следующие виды генераторов: турбогенераторы, у которых в качестве первичного двигателя используется паровая или газовая турбина, гидрогенераторы (первичный двигатель – гидротурбина), дизель-генераторы, капсульные генераторы и т.д.

Для синхронных электрических машин в установившемся режиме имеется строгое соответствие между частотой вращения ротора n (об./мин) и частотой переменного тока в сети f (Гц):

где р – число пар полюсов обмотки статора генератора.

Паровые и газовые турбины выпускают на большие частоты вращения (3000 и 1500 об./мин), так как при этом турбогенераторы имеют наилучшие технико-экономические показатели.

На ТЭС, сжигающих обычное топливо, частота вращения агрегатов, как правило, составляет 3000 об./мин, поэтому синхронные турбогенераторы имеют два полюса. На АЭС применяют агрегаты с частотой вращения 1500 и 3000 об./мин. Соответственно они имеют две или одну пару полюсов.

Быстроходность турбогенератора определяет особенности его конструкции. Эти генераторы выполняются с горизонтальным валом, на котором размещается ротор. Ротор турбогенератора, работающий при больших механических и тепловых нагрузках, изготавливается из цельной поковки специальной стали (хромоникелевой или хромоникельмолибденовой), обладающей высокими магнитными и механическими свойствами.

Роторы турбогенераторов выполняется неявнополюсными (рис. 1.8, а).

 

Так как частота вращения ротора турбогенератора велика, его диаметр ограничивается соображениями механической прочности (при 3000 об./мин диаметр ротора не превышает 1,1–1,2 м). Длина бочки ротора из условий допустимого статического прогиба вала и получения приемлемых вибрационных характеристик также имеет предельное значение, равное 6–6,5 м.

В активной части ротора, по которой проходит основной магнитный поток, фрезеруются пазы, заполняемые катушками обмотки возбуждения. В пазовой части обмотки закрепляются немагнитными, легкими, но прочными клиньями из алюминиевого сплава. Лобовая часть обмотки, не лежащая в пазах, с помощью бандажа предохраняется от смещения под действием центробежных сил. Бандажи являются наиболее напряженными в механическом отношении частями ротора и обычно выполняются из немагнитной высокопрочной стали. По обеим сторонам ротора на его валу устанавливаются вентиляторы (чаще всего пропеллерного типа).

Статор генератора состоит из корпуса и сердечника. Корпус изготавливается сварным, с торцов он закрывается щитами. Сердечник статора набирается из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы набирают пакетами, между которыми оставляют вентиляционные каналы. В пазы, имеющиеся во внутренней расточке сердечника, укладывается трехфазная обмотка, обычно двухслойная.

Гидравлические турбины имеют обычно относительно малую частоту вращения (60–600 об./мин). Частота вращения турбины тем меньше, чем меньше напор воды и чем больше ее мощность. Поэтому гидрогенераторы, являясь тихоходными машинами, имеют большие размеры и массу, а также большое число полюсов. Например, при сетевой частоте 50 Гц и частоте вращения вала 60 об./мин, необходимо иметь 50 полюсов. Гидрогенераторы выполняют с явнополюсными роторами (рис. 1.8, б), преимущественно с вертикальным расположением вала.

На полюсах ротора помимо обмотки возбуждения размещается еще так называемая демпферная обмотка. Эта обмотка предназначена для успокоения колебаний ротора агрегата, которые возникают при всяком возмущении, связанном с резким изменением нагрузки генератора.

В гидрогенераторе роль успокоительной обмотки выполняют массивная бочка ротора и металлические клинья, закрывающие обмотку возбуждения в пазах.

В последние годы начинают находить применение так называемые капсульные генераторы (рис. 1.9), имеющие горизонтальный вал. Такие генераторы заключаются в водонепроницаемую оболочку (капсулу), которая с внешней стороны обтекается потоком воды, проходящим через турбину. Капсульные генераторы изготавливают на мощность до нескольких десятков МВА. Это сравнительно тихоходные генераторы (частота оборотов обычно от 60 до 150 об./мин) с явнополюсными роторами.

Среди других типов синхронных генераторов, применяемых на электростанциях объектов наземных комплексов, широко применяются дизель-генераторы, созданные на базе дизельного двигателя внутреннего сгорания. Это явнополюсные машины с горизонтальным валом. Дизель является поршневой машиной и имеет неравномерный крутящий момент, поэтому дизель-генератор снабжается маховиком или его ротор выполняется с повышенным маховым моментом.

Завод-изготовитель производит синхронные генераторы для определенного длительно допустимого режима работы, который называется номинальным. Этот режим характеризуется параметрами, которые указываются в табличке-«шильдике», прикрепленной на корпусе аппарата, а также в паспорте машины. Рассмотрим эти параметры.

Номинальное напряжение генератора U _НГ – это линейное (междуфазное) напряжение обмотки статора в номинальном режиме.

Номинальный ток генератора I _НГ – это значение тока, при котором допускается длительная нормальная работа генератора при нормальных параметрах охлаждения (температура, давление и расход охлаждающего газа и жидкости) и номинальных значениях мощности и напряжения, указанных в паспорте генератора.

Номинальная мощность генератора – это максимальная полная мощность в кВА, которую генератор может вырабатывать сколь угодно долго, .

Номинальная активная мощность генератора Р _НГ – это наибольшая активная мощность, для длительной работы с которой он предназначен.

Р _НГ = S _НГ cos j_Н.

Промышленность выпускает двухполюсные турбогенераторы мощностью 2,5; 4; 6; 12; 30; 50; 60; 100; 150; 200; 300; 500; 800 и 1200 МВт.

Номинальный ток ротора I _НР – это наибольший ток возбуждения генератора, при котором обеспечивается отдача генератором его номинальной мощности, при отклонении напряжения статора в пределах ± 5% номинального значения и при номинальном коэффициенте мощности.

Номинальный коэффициент мощности cos j _Н принимается равным 0,8 для генераторов мощностью до 588 МВА и гидрогенераторов до 360 МВА и 0,9 – для более мощных машин. Для капсульных гидрогенераторов обычно cos j»1.

Каждый генератор характеризуется также коэффициентом полезного действия (η), определяемым при номинальной нагрузке и номинальном коэффициенте мощности. У современных генераторов КПД колеблется в пределах 96–99%, если коэффициент мощности находится в диапазоне 0,8 – 0,9.

Сравнительная характеристика синхронных генераторов электростанций приведена в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2. Сравнительная характеристика генераторов

Параметры	Ед. изм.	Усл. обозн.	Типы генераторов
			турбо-генераторы	гидро-генераторы
Частота вращения	об./мин	n	1500, 3000	60–600
Количество пар полюсов	шт.	p	2 или 1	5–50
Масса ротора	т	m p	3,5–100	30–935
Общая масса генератора	т	m 0	16–600	75–1790
Диаметр ротора	м	D p	1,1–1,2	5–16
Номинальное напряжение	кВ	U н	6,3–24	3,15–15,75
Номинальный ток	кА	I н	0,35–32	0,6–26
Номинальная активная мощность	МВт	Р н	2,5–1200	8–640

Контрольные вопросы по главе 1

1.     Что называется электроснабжением?

2.     Что называется электроустановкой?

3.     Что называется источником электроэнергии?

4.     Что называется приемником и потребителем электрической энергии?

5.     Что называется электрической подстанцией?

6.     Что называется преобразовательной подстанцией?

7.     Что называется трансформаторной подстанцией?

8.     Каково назначение системных, головных и потребительских ТП?

9.     Что называется электростанцией?

10.  Что называется распределительным устройством?

11.  Что называется электрической сетью?

12.  Что называется системой электроснабжения?

13.  Что называется электроэнергетической системой?

14.  Что называется энергетической системой?

15.  Какие номинальные напряжения применяются в электрических сетях ВКС?

16. Как трансформаторные подстанции подразделяются по назначению?

17. Какие трансформаторные подстанции называются станционными?

18. Какие трансформаторные подстанции называются системными?

19. Какие трансформаторные подстанции называются сетевыми?

20. Какие трансформаторные подстанции называются потребительскими?

21. Как трансформаторные подстанции подразделяются по конструкции?

22. Как трансформаторные подстанции подразделяются по режиму работы?

23. Как трансформаторные подстанции подразделяются по способу управления?

24. Как трансформаторные подстанции подразделяются по способу присоединения к сети?

25. Как трансформаторные подстанции подразделяются по способу сооружения?

26. Как трансформаторные подстанции подразделяются по расположению на местности?

27. Из каких основных частей состоит трансформаторная подстанция?

28. Какие общие требования предъявляются к трансформаторным подстанциям?

29. Что такое синхронный генератор?

30. Чем явнополюсный ротор отличается от неявнополюсного?

31. Что такое капсульный генератор?

32. На какие мощнсти изготавливаются капсульные генераторы?

33. Что называется номинальным напряжением генератора?

34. Что называется номинальным током генератора?

35. Что называется номинальной мощностью генератора?

36. Что называется номинальной активной мощностью генератора?

37. Что называется номинальным током ротора генератора?

38. Какие значения коэффициента мощности являются номинальными для генераторов электростанций?

39. Какие значения коэффициента мощности являются номинальными для капсульных гидрогенераторов?

40. Чему равен КПД современных генераторов?