Что такое электрическая подстанция

Contents

Введение

В сложной сети производства и распределения электроэнергии электрические подстанции играют ключевую роль, обеспечивая бесперебойную подачу электроэнергии от источника к нашим домам и предприятиям. Эти важнейшие компоненты действуют как посредники, преобразуя напряжение, регулируя мощность и обеспечивая целостность сети. Это подробное руководство погружает в мир электрических подстанций, освещая их функции, компоненты и значение в нашей современной электрической инфраструктуре.

Понимание сущности электрических подстанций

A. Определение электрических подстанций

1. Раскрытие назначения электрических подстанций

Электрическая подстанция — это вспомогательная станция системы производства, передачи и распределения электроэнергии, где напряжение преобразуется из высокого в низкое или наоборот с помощью трансформаторов. Подстанции способствуют эффективной передаче и распределению электроэнергии, адаптируя уровни напряжения между различными сегментами сети.

Без подстанций электроэнергию пришлось бы производить с тем же уровнем напряжения, который потребляется в домах и на предприятиях. Это крайне непрактично, поскольку электричество низкого напряжения не может передаваться на большие расстояния без существенных потерь мощности. Подстанции позволяют «повышать» вырабатываемую электроэнергию до высокого напряжения для экономичной передачи на большие расстояния. Ближе к точкам потребления подстанции затем снижают или «понижают» напряжение до более безопасного уровня, подходящего для распределения.

Преобразуя уровни напряжения в стратегических точках, подстанции позволяют эффективно передавать большие объемы энергии на огромные расстояния и обеспечивают безопасную и надежную доставку конечным пользователям. По сути, они служат жизненно важными посредниками между электростанциями и потребителями.

2. Изучение типов электрических подстанций.

Существует несколько различных типов электрических подстанций, предназначенных для выполнения различных функций в передаче и распределении электроэнергии:

a. Повышающие подстанции: повышение напряжения для передачи

Повышающие подстанции расположены на электростанциях и принимают электроэнергию относительно низкого напряжения, вырабатываемую генераторами. Повышающие трансформаторы на подстанции повышают это напряжение до высокого уровня, обычно в диапазоне 110–765 киловольт (кВ) для передачи. Это позволяет экономично передавать электроэнергию на большие расстояния по линиям электропередачи высокого напряжения с минимальными потерями.

b. Понижающие подстанции: снижение напряжения для распределения

Понижающие подстанции расположены в точках сети электропередачи рядом с центрами нагрузки и предназначены для снижения высоких входящих напряжений передачи до более низких уровней, пригодных для распределения. Обычно это напряжение 13,8–34,5 кВ для распределения промышленным потребителям или городским распределительным подстанциям. Дальнейшее снижение напряжения происходит на распределительных подстанциях.

c. Коммутационные станции: Перенаправление потоков электроэнергии

Коммутационные станции обычно не изменяют уровни напряжения, но позволяют операторам удаленно управлять, переключать и направлять потоки мощности от близлежащих линий электропередачи на разные маршруты. Открывая и закрывая различные соединения линий электропередачи, коммутационные станции позволяют балансировать нагрузку на перегруженных линиях и резервную маршрутизацию мощности в случае сбоев оборудования в нисходящем направлении.

d. Распределительные подстанции: доставка электроэнергии конечным потребителям

Распределительные подстанции являются последним шагом в обеспечении домов и предприятий полезной электроэнергией низкого напряжения. Они получают электроэнергию от местных понижающих подстанций напряжением 13,8–34,5 кВ и используют распределительные трансформаторы для дальнейшего снижения напряжения до 120/240 В для регулярного использования. На распределительных подстанциях также может быть установлено автоматическое коммутационное оборудование для перенаправления электроэнергии и минимизации последствий простоев в случае сбоев или перегрузки.

Б. Изучение компонентов электрических подстанций

Электрические подстанции содержат множество специализированного оборудования, облегчающего их жизненно важную роль в преобразовании электроэнергии, коммутации, защите и управлении. Основные компоненты, находящиеся на подстанциях, включают:

1. Трансформаторы: основа преобразования напряжения

Трансформаторы являются определяющей технологией на подстанциях, обеспечивающей важную функцию изменения напряжения между различными сегментами сети. Силовые трансформаторы изменяют напряжение, используя соотношение количества витков во входной и выходной обмотках. Трансформаторы бывают различных размеров и конструкций, позволяющие плавно изменять напряжение, с мощностью от нескольких кВА до более 1500 МВА на подстанциях очень высокого напряжения.

2. Автоматические выключатели: стражи сети

Автоматические выключатели обеспечивают критически важные функции мониторинга, защиты и переключения на подстанциях. Трансформаторы тока позволяют автоматическим выключателям контролировать ток в подключенных линиях электропередачи. В случае возникновения неисправностей автоматические выключатели быстро размыкаются, чтобы изолировать проблемные участки и предотвратить более масштабные отключения электроэнергии. Выключатели также облегчают обслуживание оборудования, обеспечивая безопасные средства обесточивания и повторного включения цепей.

3. Распределительное устройство: точная передача мощности

Под распределительным устройством подразумеваются такие компоненты, как разъединители и системы шин, используемые для интеллектуального направления энергии внутри подстанции на соответствующие линии и трансформаторы. Распределительное устройство позволяет операторам настраивать оптимизированные схемы балансировки нагрузки и переключения для обеспечения надежной подачи электроэнергии.

4. Реле защиты: защита от неисправностей

Реле защиты постоянно контролируют параметры сети, такие как ток, напряжение и частота, в уязвимых точках линий передачи и распределения. При обнаружении таких проблем, как перегрузка или замыкание на землю, реле активируют автоматические выключатели, чтобы быстро изолировать проблемные участки, прежде чем может произойти серьезное повреждение. Это предотвращает перерастание локальных проблем в крупномасштабные отключения электроэнергии.

5. Системы управления: организация потока энергии

Автоматизированные системы управления являются мозгом работы подстанции, отслеживая состояние оборудования и параметры сети в режиме реального времени с помощью систем SCADA. Средства управления обеспечивают интеллектуальную автоматическую регулировку трансформаторов, переключение цепей и срабатывание защитных реле для быстрого реагирования на колебания и поддержания синхронизированной и оптимизированной подачи электроэнергии.

C. Раскрытие функций электрических подстанций

Электрические подстанции выполняют ряд незаменимых функций, которые обеспечивают массовый поток электроэнергии от удаленных генераторов к близлежащим домам и предприятиям:

1. Преобразование напряжения: адаптация мощности для передачи и распределения.

Основное назначение подстанций — преобразование напряжения между различными сегментами сети с помощью трансформаторов. Это позволяет повысить генерируемую мощность до сверхвысокого напряжения, чтобы ее можно было транспортировать на сотни миль по линиям электропередачи с минимальными потерями. Локальное понижение напряжения позволяет безопасно доставлять полезную мощность конечным пользователям.

2. Регулирование мощности: поддержание стабильности в сети

Наряду с контролем напряжения через трансформаторы подстанции обеспечивают регулирование активной мощности для стабилизации количества активной и реактивной мощности, протекающей по линиям электропередачи. Это позволяет оптимизировать напряжения, нагрузки и коэффициенты мощности во всей взаимосвязанной сети.

3. Защита и изоляция: предотвращение сбоев и повышение безопасности

На подстанциях используются автоматические защитные реле и автоматические выключатели для постоянного мониторинга условий и мгновенной изоляции поврежденных участков линий электропередачи и распределения. Ограничивая проблемы до того, как они смогут распространиться, подстанции предотвращают перерастание локальных проблем в масштабные отключения электроэнергии.

4. Управление потоками энергии: направление электроэнергии к месту назначения

Коммутационное оборудование и интеллектуальные системы управления на подстанциях позволяют точно в режиме реального времени контролировать распределение электроэнергии. Это обеспечивает разумное направление электроэнергии туда, где она необходима, а также позволяет быстро реконфигурировать и балансировать нагрузку в ответ на меняющийся спрос.

Типы подстанций

Существует несколько основных типов электрических подстанций, предназначенных для выполнения различных функций:

1. Повысительные подстанции

Повышающие подстанции содержат повышающие трансформаторы, которые повышают напряжение электроэнергии, вырабатываемой электростанциями, до уровня, подходящего для эффективной передачи на большие расстояния. Типичные выходные напряжения находятся в диапазоне от 110 кВ до 765 кВ. Некоторые подстанции сверхвысокого напряжения могут повышать напряжение до 800 кВ для обеспечения передачи с низкими потерями. Эти подстанции расположены на электростанциях.

2. Понижающие подстанции

Понижающие подстанции используют понижающие трансформаторы для снижения высокого входного напряжения передачи до более низкого уровня, подходящего для распределения конечным потребителям. Выходные напряжения обычно находятся в диапазоне от 13,8 до 34,5 кВ. Понижающие подстанции располагаются в точках сети электропередачи вблизи центров нагрузки.

3. Коммутационные станции

Коммутационные станции не изменяют уровни напряжения, но позволяют операторам гибко управлять направлением потоков мощности между различными линиями электропередачи. Открывая и закрывая различные соединения, коммутационные станции балансируют нагрузку и обеспечивают резервную маршрутизацию мощности.

4. Распределительные подстанции

Распределительные подстанции представляют собой последний шаг в доставке полезной электроэнергии в дома и на предприятия. Распределительные трансформаторы дополнительно снижают входное напряжение до 120/240 В для регулярного использования. Распределительные подстанции также способствуют автоматической балансировке нагрузки и локализации неисправностей в местных распределительных сетях.

Оборудование электрической подстанции

Электрические подстанции содержат разнообразное специализированное оборудование для выполнения основных функций преобразования электроэнергии, коммутации, мониторинга, управления и защиты:

1. Трансформеры

Как уже подчеркивалось, трансформаторы обеспечивают жизненно важное преобразование уровней напряжения между различными частями сети. Коэффициенты мощности и напряжения трансформаторов подстанций выбираются исходя из рабочего напряжения присоединяемых линий и уровня нагрузки.

2. Автоматические выключатели

Автоматические выключатели обеспечивают интеллектуальный мониторинг, переключение и защиту. Трансформаторы тока позволяют выключателям контролировать условия. Реле внутри выключателей отключают их во время неисправностей, чтобы предотвратить повреждение. Выключатели также облегчают обслуживание оборудования благодаря безопасному отключению.

3. Распределительные устройства

Распределительные устройства, такие как разъединители и системы шин, обеспечивают гибкое распределение потоков энергии между входными фидерами и трансформаторами. Распределительное устройство позволяет реконфигурировать соединения, оптимизированные для правильного преобразования напряжения и балансировки нагрузки.

4. Реле защиты

Реле защиты постоянно отслеживают напряжение, ток и частоту в уязвимых точках линий электропередачи и распределения от подстанции. Реле быстро изолируют проблемы, вызывая размыкание автоматических выключателей при превышении пороговых значений.

5. Системы управления

Системы управления, такие как SCADA, обеспечивают интеллектуальную автоматическую эксплуатацию оборудования подстанции. Элементы управления отслеживают состояние оборудования и параметры сети в режиме реального времени и реагируют, например, на регулировку ответвлений, переключение и защитное реле.

6. Сборные шины

Шины представляют собой толстые проводники с низким сопротивлением, которые служат основой распределения электроэнергии внутри подстанции, обеспечивая гибкие соединения между оборудованием. На подстанциях сверхвысокого напряжения широко распространены изолированные шины на напряжение до 1200 кВ.

7. Изоляторы

Изоляторы или разъединители обеспечивают видимый воздушный зазор при открытии, чтобы четко изолировать оборудование для обслуживания. Изоляторы позволяют безопасно продолжать работу на обесточенном оборудовании, отсоединенном от шин.

Роль IoT на электрических подстанциях

Интеграция интеллектуальных решений Интернета вещей (IoT) в электрические подстанции обеспечивает расширенные возможности мониторинга, контроля и автоматизации с помощью подключенных датчиков, программного обеспечения и аналитики:

1. Мониторинг и диагностика в реальном времени

Датчики Интернета вещей, размещенные на оборудовании подстанции, обеспечивают непрерывный мониторинг в реальном времени таких параметров, как напряжение, ток и температура трансформатора, из центральной диспетчерской. Операторы получают более полную информацию о состоянии активов и состоянии сети.

2. Предиктивное обслуживание

Мониторинг в режиме реального времени в сочетании с аналитическим программным обеспечением на основе искусственного интеллекта позволяет проводить профилактическое обслуживание, выявляя неисправности оборудования до их возникновения. Это переводит обслуживание подстанций с реактивного на упреждающее.

3. Повышенная безопасность

Системы с поддержкой Интернета вещей, такие как термографические исследования с помощью дронов и решения для контроля доступа, повышают безопасность операторов, выявляя такие риски, как горячие точки или вторжения, без прямого участия человека.

4. Повышение эффективности

Анализ данных, полученный с помощью аналитики Интернета вещей, приводит к повышению операционной эффективности за счет оптимизации производительности оборудования, точного устранения неполадок и принятия обоснованных решений.

5. Оптимизация сетки

Расширенные возможности подключения и осведомленности, обеспечиваемые устройствами и программным обеспечением Интернета вещей, позволяют более разумно оптимизировать сеть. Регулировку и переключение оборудования подстанции можно интеллектуально автоматизировать по мере изменения условий.

Интернет вещей Alotcer в действии

Интернет вещей Alotcer в действии

Являясь лидером в области автоматизации электрических подстанций, Alotcer внедряет передовые IoT-решения, направленные на повышение эффективности работы подстанций:

1. Тематические исследования

Усовершенствованное профилактическое обслуживание бразильской коммунальной компании привело к экономии затрат североамериканского производителя трансформаторов

От улучшенного профилактического обслуживания бразильской коммунальной компании до экономии затрат североамериканского производителя трансформаторов — тематические исследования Alotcer демонстрируют проверенные результаты в различных приложениях.

2. Отзывы клиентов

Восторженные отзывы клиентов подчеркивают истинную ценность решений Alotcer, например, американского оператора электропередачи, достигшего надежности 99,995% с оптимизированной ситуационной осведомленностью и контролем через IoT-экосистему подстанций Alotcer.

3. Отраслевые награды и признание

Высшие отраслевые награды, такие как награда ESNA Substation IoT Innovation Award и BloombergNEF Pioneer Prize, закрепляют позицию Alotcer в авангарде автоматизации электрических подстанций и внедрения Интернета вещей. Клиенты доверяют передовым, отмеченным наградами решениям Alotcer.

Часто задаваемые вопросы об электрических подстанциях

1. Чем отличается повышающая подстанция от понижающей?

Повышающие подстанции используют трансформаторы для повышения напряжения генерируемой электроэнергии до высокого уровня, необходимого для экономичной передачи на большие расстояния. Понижающие подстанции, наоборот, снижают высокое входное напряжение передачи до более низкого уровня, подходящего для распределения конечным потребителям.

2. Как автоматические выключатели защищают электрическую сеть?

Автоматические выключатели постоянно контролируют условия с помощью трансформаторов тока. В случае возникновения аномалий, таких как перегрузки или короткие замыкания, автоматические выключатели быстро размыкаются, изолируя проблемную зону. Это ограничивает проблемы до того, как они смогут распространиться и вызвать массовые сбои в работе.

3. Какую роль играют реле защиты на электрических подстанциях?

Реле защиты обеспечивают интеллектуальный мониторинг уязвимых точек на линиях передачи и распределения. Когда реле обнаруживают опасные условия, такие как низкое напряжение, большой ток или колебания частоты, они активируют автоматические выключатели, которые размыкают и изолируют проблему.

4. Как системы управления управляют потоками электроэнергии на подстанциях?

Системы управления, такие как SCADA, координируют работу оборудования, используя данные датчиков и автоматизированную аналитику в реальном времени. Средства управления оптимально регулируют трансформаторы, интеллектуально переключают цепи и реализуют защитные реакции, такие как срабатывание реле, для поддержания синхронизированного потока мощности.

5. Какие меры безопасности приняты на электрических подстанциях?

Для предотвращения несанкционированного проникновения и защиты персонала на подстанциях предусмотрены строгие меры безопасности, такие как предупреждающие знаки, ограничение доступа, изоляция и заземление оборудования. Рабочие также носят специальные средства защиты при проведении технического обслуживания на подстанциях.

Заключение

Электрические подстанции, о которых часто забывают, но которые, несомненно, необходимы, составляют основу нашей современной электрической инфраструктуры. Они преобразуют напряжение, регулируют мощность и защищают сеть, обеспечивая бесперебойную подачу электроэнергии, которая питает наши дома, предприятия и промышленность. По мере того, как мы внедряем возобновляемые источники энергии и изучаем технологии интеллектуальных сетей, роль электрических подстанций будет только возрастать, обеспечивая устойчивую и отказоустойчивую энергосистему в будущем.