Электрическая подстанция

Электри́ческая подста́нция — электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств^[1][2].

Подстанция, в которой стоят повышающие трансформаторы, повышает электрическое напряжение при соответствующем снижении значения силы тока, в то время как понижающая (или понизительная) подстанция уменьшает выходное напряжение при пропорциональном увеличении силы тока.

Необходимость в повышении передаваемого напряжения возникает в целях многократной экономии металла, используемого в проводах ЛЭП, и уменьшения потерь на активном сопротивлении. Действительно, необходимая площадь сечения проводов определяется только силой проходящего тока и отсутствием возникновения коронного разряда. Также уменьшение силы проходящего тока влечёт за собой уменьшение потери энергии, которая находится в прямой квадратичной зависимости от значения силы тока. С другой стороны, чтобы избежать высоковольтного электрического пробоя, применяются специальные меры: используются специальные изоляторы, провода разносятся на достаточное расстояние и т. д. Основная же причина повышения напряжения состоит в том, что чем выше напряжение, тем большую мощность и на большее расстояние можно передать по линии электропередачи.

Основные элементы электроподстанций:

• Силовые трансформаторы, автотрансформаторы, шунтирующие реакторы.
• Вводные конструкции для воздушных и кабельных линий электропередачи.
• Открытые (ОРУ) и закрытые (ЗРУ) распределительные устройства, включая:
  • Системы и секции шин.
  • Силовые выключатели.
  • Разъединители.
  • Измерительное оборудование (измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные приборы).
  • Оборудование ВЧ-связи между подстанциями (конденсаторы связи, ВЧ-заградители, фильтры присоединения).
  • Токоограничивающие, регулирующие устройства (конденсаторные батареи, реакторы, фазовращатели и пр.).
  • Преобразователи частоты, рода тока (выпрямители).
• Система питания собственных нужд подстанции:
  • Трансформаторы собственных нужд.
  • Щит переменного тока.
  • Дизельные генераторы и другие аварийные источники энергии (на крупных и особо важных подстанциях).
  • Система оперативного постоянного тока:
    • Аккумуляторные батареи.
    • Щит постоянного (оперативного) тока или аппарат управления оперативным током.
    • Шкафы распределения оперативного тока (ШРОТ).
• Системы защиты и автоматики:
  • Устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики для силовых линий, трансформаторов, шин.
  • Автоматическая система управления.
  • Система телемеханического управления.
  • Система технического и коммерческого учёта электроэнергии.
  • Система технологической связи энергосистемы и внутренней связи подстанции.
• Система заземления, включая заземлители и контур заземления.
• Молниезащитные сооружения.
• Вспомогательные системы:
  • Система вентиляции, кондиционирования, обогрева.
  • Система автоматического пожаротушения.
  • Система освещения территории.
  • Система охранно-пожарной сигнализации, управления доступом.
  • Система технологического и охранного видеонаблюдения.
  • Устройства плавки гололёда на воздушных линиях.
  • Системы аварийного сбора масла.
  • Системы питания маслонаполненных кабелей.
  • Бытовая, ливневая канализация, водопровод.
• Бытовые помещения, склады, мастерские и пр.

Функционально подстанции делятся на:

• Трансформаторные подстанции — подстанции, предназначенные для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения при помощи трансформаторов.
• Преобразовательные подстанции — подстанции, предназначенные для преобразования рода тока или его частоты.

Электрическое распределительное устройство, не входящее в состав подстанции, называется распределительным пунктом. Преобразовательная подстанция, предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный и последующего преобразования постоянного тока в переменный исходной или иной частоты называется вставкой постоянного тока.

По значению в системе электроснабжения:

• Главные понижающие подстанции (ГПП).
• Подстанции глубокого ввода (ПГВ).
• Тяговые подстанции для нужд электрического транспорта, часто такие подстанции бывают трансформаторно-преобразовательными для питания тяговой сети постоянным током.
• Трансформаторные подстанции 10 (6)/0,4 кВ (КТП). Последние называются цеховыми подстанциями в промышленных сетях, городскими — в городских сетях.

В зависимости от места и способа присоединения подстанции к электрической сети нормативные документы не устанавливают классификации подстанций по месту и способу присоединения к электрической сети. Однако ряд источников даёт классификацию исходя из применяющихся типов конфигурации сети и возможных схем присоединения подстанций^[3].

• Тупиковые — питаемые по одной или двум радиальным линиям.
• Ответвительные — присоединяемые к одной или двум проходящим линиям на ответвлениях.
• Проходные — присоединяемые к сети путём захода одной линии с двухсторонним питанием.
• Узловые — присоединяемые к сети не менее чем тремя питающими линиями.

Ответвительные и проходные подстанции объединяют понятием промежуточные, которое определяет размещение подстанции между двумя центрами питания или узловыми подстанциями. Проходные и узловые подстанции, через шины которых осуществляются перетоки мощности между узлами сети, называют транзитными.

Также используется термин «опорная подстанция», который, как правило, обозначает подстанцию более высокого класса напряжения по отношению к рассматриваемой подстанции или сети.

В связи с тем, что ГОСТ 24291-90 определяет опорную подстанцию как «подстанцию, с которой дистанционно управляются другие подстанции электрической сети и контролируется их работа»^[1], для указанного выше значения целесообразнее использовать термин «центр питания».

По месту размещения подстанции делятся на:

• Открытые — подстанции, оборудование которых расположено на открытом воздухе.
• Закрытые — подстанции, оборудование которых расположено в здании.

Отдельные разновидности:

• Комплектная трансформаторная подстанция — подстанция, содержащая все необходимые узлы для включения в электросеть и поставляемая в собранном или полностью подготовленном к сборке виде^[4].
• Мачтовая трансформаторная подстанция — подстанция, предназначенная для установки на опоры достаточной для того, чтобы не требовать установки ограждений, высоты^[4].

Электроподстанции могут располагаться на открытых площадках, в закрытых помещениях (ЗТП — закрытая трансформаторная подстанция), под землёй и на опорах (МТП — мачтовая трансформаторная подстанция), в специальных помещениях зданий-потребителей. Встроенные подстанции — типичная черта больших зданий и небоскрёбов.

Цифровой называется такая электрическая подстанция, управление которой осуществляется с помощью цифровых методов и технических средств. Комплекс управления состоит из трех автономных частей в основе каждой из которых есть своя отдельная модель электроэнергетической системы:

1. Оперативно-диспетчерское управление. В этой части решаются задачи управления в нормальных и утяжеленных режимах работы. Для формирования управляющих воздействий используются модели электроэнергетических систем в нормальных режимах. Управляющие воздействия реализуются, в основном, оперативно-диспетчерским персоналом с использованием вспомогательных устройств автоматики. Быстродействие — от нескольких минут, до нескольких часов.
2. Противоаварийное управление. Эта часть комплекса обеспечивает управление при сильных возмущениях в условиях электромеханических переходных процессов (например, внезапное отключение линии, генератора, сброс или наброс значительной нагрузки). Цель управляющих воздействий — прекращение или ослабление аварийных режимов, обеспечение перехода к новому установившемуся режиму. Управляющие воздействия осуществляются, в основном, воздействием противоаварийной автоматики на регуляторы турбин, регуляторы возбуждения, регуляторы напряжения трансформаторов, коммутационные аппараты и др. Быстродействие — от долей секунды, до нескольких минут.
3. Релейная защита. Она выполняет локальное управление электроэнергетической системой путём быстрого выявления и отделения поврежденных элементов от исправной части электроэнергетической системы. Управляющие воздействия осуществляются, как правило, через коммутационные аппараты (выключатели). Быстродействие — от долей секунды, до нескольких секунд.

Эти три части управляющего комплекса построены на основе принципиально разных моделей электроэнергетических систем, имеют существенно разные динамические характеристики и, поэтому, реализуются в виде отдельных управляющих систем.

• Трансформа́торная подста́нция / Князевский Б. А. // Тихоходки — Ульяново. — М. : Советская энциклопедия, 1977. — С. 167—168. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 26).
• Трансформа́торная подста́нция // Новый политехнический словарь / Гл. ред. А. Ю. Ишлинский. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. — С. 553. — 671 с. — 15 000 экз. — ISBN 5-85270-322-2.
• Трансформа́торная подста́нция // Политехнический словарь / Редкол.: А. Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Советская энциклопедия, 1989. — С. 543. — 656 с. — 150 000 экз. — ISBN 5-85270-003-7.
• Красник В.В. Эксплуатация электрических подстанций и распределительных устройств. — М.: ЭНАС, 2011. — 320 с. — ISBN 978-5-4248-0005-4.