Блочно-комплектная трансформаторная подстанция
BLOCK-COMPLETE TRANSFORMER SUBSTATION

Изобретение относится к области электротехники, а в частности к трансформаторным подстанциям для распределительных электрических сетей и может быть использовано при сооружении трансформаторных подстанций высокого напряжения от 110 кВ до 330 кВ, в особенности в условиях ограниченной площади застройки.
Известна комплектная трансформаторная подстанция закрытого типа, содержащая корпус выполненный из железобетона, в котором размещены электрически соединенные между собой силовой трансформатор, распределительные устройства высокого и низкого напряжения и средства защиты [RU 2895 U1, МПК Н02В 7/00 (1995.01), опубл. 16.09.1996].
Недостатками известного устройства являются:
- отсутствие в составе трансформаторной подстанции конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности, тем самым увеличен расход электроэнергии и повышены потери электроэнергии, что снижает энергоэффективность всей подстанции;
- отсутствие в составе подстанции системы диагностики, тем самым снижается надежность эксплуатации.
Известна комплектно-блочная трансформаторная подстанция (варианты), содержащая по п. 1, по меньшей мере, один железобетонный корпус с проемами для вентиляции, ввода/вывода соединительных и питающих высоковольтных и низковольтных кабелей и проводов, установленный на кабельный блок, и внутри которого размещено электротехническое оборудование, включающее распределительные устройства высокого и низкого напряжения, и расположенный в отсеке силовой трансформатор, в корпусе выполнены, по меньшей мере, два отсека и размещено электротехническое оборудование, рассчитанное на рабочее напряжение 10-35 кВ, а также устройства освещения, измерительные трансформаторы и вспомогательное оборудование, при этом распределительные устройства высокого и низкого напряжения смонтированы в одном отсеке и отделены друг от друга коридором. Комплектно-блочная трансформаторная подстанция, содержащая по п. 9, установленный на кабельный блок железобетонный корпус с проемами для вентиляции, ввода/вывода соединительных и питающих высоковольтных и низковольтных кабелей и проводов, внутри которого размещено электротехническое оборудование, включающее распределительные устройства высокого и низкого напряжения, и расположенный в отсеке силовой трансформатор, подстанция состоит из, по меньшей мере, двух связанных между собой посредством соединительных кабелей корпусов, в каждом из которых размещено электротехническое оборудование, рассчитанное на рабочее напряжение 10-35 кВ, а также устройства освещения, измерительные трансформаторы и вспомогательное оборудование, при этом в одном из корпусов размещены расположенные в разных отсеках силовой трансформатор и, по меньшей мере, одно распределительное устройство высокого напряжения, а в другом корпусе - силовой трансформатор и, по меньшей мере, одно распределительное устройство низкого напряжения [RU 125400 U1, МПК Н02В 7/06 (2006.01), опубл. 27.02.2013, бюл. №6].
Недостатками известного устройства являются:
- конструкция подстанции только среднего класса напряжения 10-35 кВ;
- отсутствие в составе подстанции конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности в сети среднего напряжения, тем самым увеличен расход электроэнергии и повышены потери электроэнергии в сети среднего напряжения, что снижает энергоэффективность всей подстанции;
- отсутствие в составе подстанции системы диагностики, тем самым снижается надежность эксплуатации.
Известна конструкция трансформаторной подстанции с закрытым распределительным устройством (далее - ЗРУ) зального типа с двумя основными и третьей обходной системами шин с шагом ячейки 6 м и пролетом 18 м. Воздушные линейные выводы 110 кВ в здании ЗРУ 110 кВ выполнены в одну сторону со стороны подвода питания высоковольтной линии 110 кВ, применена воздушная изоляция ошиновки 110 кВ. Обслуживание подвешенных под потолком гирлянд изоляторов и ошиновки сборных шин и установленных высоко над уровнем пола шинных разъединителей производится с помощью передвижных телескопических тележек. Для обеспечения безопасности при ремонтных работах между разъединителями и выключателями соседних присоединений выполнены сетчатые перегородки [Двоскин Л.И. Схемы и конструкции распределительных устройств. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - С. 208, 240 с.].
Недостатком данной конструкции является значительные габариты ЗРУ 110 кВ, которые определяются:
- нормативными разрывами для воздушной изоляции ошиновки 110 кВ;
- перемещение тележек по ЗРУ и установка их в нужном месте связаны с определенными неудобствами и трудностями из-за их большой массы;
- необходимость использования вышек в том числе при проведении минимальных по объему работ на отдельных гирляндах, разъединителях, контактах ошиновки (протирка, устранение искрения, подтяжка болтов и т.п.);
- при проведении ремонтных работ на разъединителях, расположенных над выключателями, возможны повреждения выключателя оброненным инструментом или частями разъединителя при разрушении последнего (вследствие перекрытия или механического дефекта) и при замене неисправных элементов шинных разъединителей.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция закрытой трансформаторной подстанции, содержащая корпус, выполненный из железобетона, в котором размещены электрически соединенные между собой силовой трансформатор, распределительные устройства высокого и низкого напряжения и средства защиты. Согласно изобретению, корпус выполнен в виде здания из железобетона или кирпича, а в качестве распределительного устройства высокого напряжения применено комплексное распределительное устройство с элегазовой изоляцией, марки «КРУЭ-110 кВ» [KZ А4 22319, МПК Н02В 7/00 (2006.01), опубл. 15.02.2010, бюл. №2].
Недостатками известной конструкции являются:
- отсутствие возможности перемещения элементов комплексного распределительного устройства с элегазовой изоляцией (далее - КРУЭ) кран-балкой внутри здания, что ограничивает условия эксплуатации трансформаторной подстанции;
- отсутствие возможности реализации схем с обходной системой шин электрических принципиальных КРУЭ ВН №№13, 13Н и 14 [СТО 56947007-29.240.30.010-2008 «Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35-750 кВ. Типовые решения» - ОАО «ФСК ЕЭС», 2007];
- в случае возгорания трансформатора здание выйдет из строя полностью.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание оптимальной конструкции блочно-комплектной трансформаторной подстанции высокого напряжения со схемой электрической принципиальной КРУЭ ВН с одной секционированной системой шин, например, №№9, 9Н, 9АН, 12, 12Н и с двумя системами шин, например, №№13, 13Н и 14 согласно СТО 56947007-29.240.30.010-2008 в условиях ограниченной площади застройки, позволяющей при этом повысить эффективность, надежность и безопасность при эксплуатации.
Техническим результатом является создание оптимальной компоновки блочно-комплектной трансформаторной подстанции с возможностью реализации различных принципиальных электрических схем в условиях ограниченной площади застройки при одновременном повышении ее надежности, эффективности и безопасности при эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что блочно-комплектная трансформаторная подстанция выполнена в виде отдельно стоящих блочных зданий; здания закрытого распределительного устройства высокого напряжения и здания энергоблока с обеспечением противопожарных разрывов между зданиями, содержит ячейки комплектного распределительного устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ) высокого напряжения (ВН), размещенные в зале КРУЭ здания закрытого распределительного устройства ВН, содержит линейные выводы ВН, выполненные из литого токопровода ВН и размещенные по длинным сторонам указанного здания в проветриваемом подвальном помещении под залом КРУЭ, при этом ячейки КРУЭ ВН размещены с одной стороны здания, со стороны линейных выводов ВН в сторону воздушной линии высокого напряжения, содержит силовые трансформаторы ВН, размещенные на открытой площадке между зданиями и электрически связанные с КРУЭ ВН через линейные выводы ВН в сторону силовых трансформаторов ВН, содержит установленные в здании энергоблока: распределительное устройство низкого напряжения, электрически связанное с распределительным устройством среднего напряжения с линейным выводом сред него напряжения, электрически связанным с силовыми трансформаторами ВН, в качестве распределительного устройства среднего напряжения применено комплектное распределительное устройство двухстороннего обслуживания, конденсаторную установку с автоматическим регулированием на стороне среднего напряжения, установку комбинированного заземления нейтрали среднего напряжения, средства защиты, содержит систему диагностики высокого и среднего напряжения, автоматизированное рабочее место которой размещено в здании энергоблока.
Возможны варианты исполнения технического решения, заключающиеся в том, что:
-электрическая связь от линейных выводов ВН до силовых трансформаторов и от силовых
трансформаторов до линейного вывода среднего напряжения выполнена литым токопроводом;
- электрическая связь от линейных выводов ВН до силовых трансформаторов и от силовых
трансформаторов до линейного вывода среднего напряжения выполнена воздушной линией;
- электрическая связь от линейных выводов ВН до силовых трансформаторов и от силовых
трансформаторов до линейного вывода среднего напряжения выполнена кабельной линией.
Таким образом, благодаря выполнению корпуса в виде отдельно стоящих блочных зданий: здания ЗРУ ВН и здания энергоблока и размещению в нем определенным образом электротехнического оборудования, применению линейных выводов из литого токопровода высокого напряжения удалось создать оптимальную компоновку трансформаторной подстанции с возможностью реализации различных принципиальных электрических схем в условиях ограниченной площади застройки. Дополнительное наличие распределительного устройства среднего напряжения, системы диагностики высокого и среднего напряжения, конденсаторной установки с автоматическим регулированием на стороне среднего напряжения, установки комбинированного заземления нейтрали среднего напряжения обеспечивает надежную, эффективную и безопасную работу трансформаторной подстанции.
Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурой и нижеследующим описанием.
В настоящем описании применяют следующие сокращения:
АРМ - автоматизированное рабочее место
ВЛ - воздушная линия
ВН - высокое напряжение
ЗРУ - закрытое распределительное устройство
КЗ - короткое замыкание
КРУ - комплектное распределительное устройство
КРУЭ - комплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией
НН - низкое напряжение
0ЗЗ - однофазное замыкание на землю
СН - среднее напряжение
ЦРЗА - цифровая релейная защита и автоматика
На фигуре схематично представлен план блочно-комплектной трансформаторной подстанции.
На фигуре обозначено:
1 - здание ЗРУ ВН;
2 - силовые трансформаторы ВН;
3 - здание энергоблока;
4 - линейный вывод ВН в сторону ВЛ ВН - «Литой токопровод - воздух»;
5 - линейный вывод ВН в сторону силовых трансформаторов ВН - «Литой токопровод - воздух»;
6 - линейный вывод СН;
7 - установка комбинированного заземления нейтрали СН;
8 - конденсаторная установка с автоматическим регулированием на стороне СН;
9 - распределительные устройства ВН (КРУЭ ВН);
10 - распределительные устройства СН (КРУ СН);
11 - распределительные устройства НН;
12 - система диагностики.
Здание ЗРУ ВН 1 (фиг.) представляет собой каркасно-панельное одноэтажное здание зального типа, которое разделено на зал КРУЭ, вспомогательные помещения, которые предназначены для размещения оборудования систем инженерно-технического обеспечения, также в здании предусмотрено проветриваемое подвальное помещение, которое размещено под залом КРУЭ. Здание содержит ячейки КРУЭ ВН, которые размещены в зале КРУЭ, линейные выводы, которые выполнены из литого токопровода высокого напряжения и размещены по длинным сторонам указанного здания. В здании предусмотрена кран-балка. Причем ячейки КРУЭ ВН размещены с одной стороны здания, со стороны линейных выводов на ВЛВН, что позволяет организовать безопасное перемещение элегазового оборудования мостовым краном без отключения напряжения. В проветриваемом подвальном помещении размещены линейные выводы ВН типа - «Литой токопровод-воздух».
В зале КРУЭ предусмотрена приточно-вытяжная вентиляция с механическим побуждением, обеспечивающая двукратный обмен воздуха в час применением двух взаимно резервирующих вентиляторов и фильтрацией (обеспыливанием) приточного воздуха.
3
Вентиляция обеспечивает обмен воздуха в зале КРУЭ и забор воздушной среды из кабельных помещений и кабельных каналов. Подача приточного воздуха осуществляется непосредственно в рабочую зону зала КРУЭ. Вытяжка осуществляется на 2/3 производительности системы из нижней зоны здания и на 1/3 из верхней зоны. Заборные устройства вытяжной вентиляции расположены на высоте не более 300 мм от пола зала КРУЭ. В залах КРУЭ предусмотрена трехкратная аварийная вентиляция, для которой используют общеобменную вытяжную вентиляцию и рассчитанную на дополнительный (от стационарного режима) объем воздуха аварийную систему вентиляции. В зале КРУЭ предусмотрены устройства контроля наличия и концентрации элегаза. При достижении концентрации элегаза в помещении 10% предельно допустимой концентрации предусмотрена подача предупредительного сигнала дежурному. При достижении концентрации элегаза величины 5000 мг/м предусмотрен автоматический запуск приточно-вытяжной вентиляции и выдача сигнала дежурному. Датчики установлены на уровне пола не менее чем в двух местах помещения, с наиболее вероятным скоплением элегаза. В зале КРУЭ предусмотрена система, предотвращающая попадание в атмосферу газообразных и твердых продуктов распада элегаза при аварийных выбросах или КЗ с разгерметизацией объемов КРУЭ.
В зале КРУЭ ВН предусмотрено наличие монтажного проема. В монтажном проеме предусмотрены ворота для обеспечения заезда грузовой автомашины в монтажный проем зала КРУЭ. Над воротами предусмотрена тепловая завеса.
Для переноса самого габаритного элемента КРУЭ к любой ячейке в зале КРУЭ предусмотрен мостовой кран однобалочный подвесной в пожаробезопасном исполнении, перекрывающий всю площадь зала, с дистанционным управлением.
Тип грузоподъемного механизма выбран исходя из массы самой тяжелой технологической единицы и необходимой высоты подъема груза в помещении.
Кран мостовой оборудован приборами и устройствами безопасности в соответствии с требованиями Правил безопасности опасных производственных объектов, на которых используются подъемные сооружения. Для обслуживания крана и всех его механизмов предусмотрена площадка обслуживания. Также обеспечен свободный проход для рабочего, управляющего краном.
Рельсовые пути по всей длине снабжены страховочными канатами.
Длина и габаритные размеры крана определены, исходя из габаритных размеров здания, где он установлен, с учетом рабочей зоны обслуживания размещенного в здании оборудования.
В зале КРУЭ для разгрузки и перемещения оборудования предусмотрена ремонтная площадка. Полы выполнены наливного типа с антистатическим токоотводящим полимерным покрытием.
Под залом КРУЭ размещено проветриваемое подвальное помещение. В проветриваемом подвальном помещении предусмотрены кабельные конструкции для прокладки кабельных линий и литого токопровода.
Силовые трансформаторы ВН 2 размещены на открытой площадке трансформаторной подстанции.
Здание энергоблока 3 представляет собой одноэтажное здание блочно-модульного типа, с выделенными в отдельный блок вспомогательными помещениями, предназначенными для размещения оборудования систем инженерно-технического обеспечения. В здании энергоблока 3 предусмотрены помещения для сменного персонала, системы водоснабжения и канализации. В операторной размещено автоматизированное рабочее место дежурного операционного персонала, АРМ системы диагностики и главный щит управления с мнемосхемой трансформаторной подстанции.
Для электроснабжения собственных нужд подстанции предусмотрена трансформаторная подстанция СН/НН с распределительным устройством НН 11. К распределительному устройству НН 11 подключены потребители собственных нужд подстанции.
К потребителям собственных нужд трансформаторной подстанции относятся электроприемники здания энергоблока и здания ЗРУ ВН: система освещения, система вентиляции, кондиционирования, электрообогрев помещений, система оперативного тока, система пожарно-охранной сигнализации, система оперативного тока и т.д.
На трансформаторной подстанции предусмотрен проезд по территории, а также возможность заезда в здание ЗРУ ВН 1 для погрузки и выгрузки оборудования.
Система диагностики 12 высокого и среднего напряжения трансформаторной подстанции состоит из трех подсистем:
- подсистемы мониторинга и диагностики силовых трансформаторов (далее - СМТ);
- подсистемы стационарного мониторинга частичных разрядов (далее - СМЧР) КРУЭ ВН, плотности и утечек элегаза, коммутационного и механического ресурса выключателей и литого токопровода ВН;
- подсистемы СМЧР КРУ СН.
Подсистема мониторинга и диагностики силовых трансформаторов СМТ представляет собой прибор онлайн мониторинга и технического диагностирования силового трансформатора ВН/СН (контроль токов и напряжений, концентрации растворенных в трансформаторном масле газов (9 газов), влагосодержания в масле, состояние высоковольтных вводов (емкость, tgd), активность частичных разрядов, температуры: верхних слоев масла и окружающей среды).
Подсистема СМЧР КРУЭ ВН обеспечивает:
- непрерывный мониторинг и измерение общей концентрации элегаза в помещении;
- сверхнизкий предел обнаружения (регистрация малейших утечек);
- отсутствие помех со стороны других веществ;
- способность компенсировать при каждом измерении наличие в воздухе паров воды, которые могут существенно исказить результаты;
- отсутствие расходных материалов и радиоактивных источников;
- простоту в использовании;
- автоматическую компенсацию колебаний температуры и давления;
- контроль плотности элегаза в отсеках ячеек, расчет точки сжижения, расчет уровня утечки;
- измерение тока отключения выключателя во всех режимах, расчет времени горения дуги, определение электрического износа контактов и остаточного ресурса работы;
- учет количества операций, обнаружение неполнофазных режимов работы выключателя, определение и анализ времени срабатывания выключателя;
- мониторинг частичных разрядов в отсеках ячеек КРУЭ СВЧ методом;
- прогноз технического состояния, выдача рекомендаций.
Подсистема СМЧР токопровода ВН имеет трехуровневую структуру:
- первый уровень - датчики частичных разрядов;
- второй уровень - прибор постоянного мониторинга частичных разрядов;
- третий уровень - уровень консолидации, хранения и визуализации данных.
Подсистема СМЧР КРУ СН имеет трехуровневую структуру:
- первый уровень - датчики частичных разрядов;
- второй уровень - прибор постоянного мониторинга частичных разрядов;
- третий уровень - уровень консолидации, хранения и визуализации данных.
С целью повышения качества электроэнергии и снижения потерь мощности в распределительном устройстве среднего напряжения, и доведения коэффициента мощности до 0,99 используют конденсаторные установки с автоматической регулировкой мощности в зависимости от тока нагрузки на линейных выводах СН.
Мощности батарей статических конденсаторов достаточно для поддержания режима напряжения и баланса реактивной мощности в узлах нагрузки.
В качестве распределительного устройства среднего напряжения 10 используют ячейки комплектного распределительного устройства двухстороннего обслуживания.
На трансформаторной подстанции режим заземления нейтрали среднего напряжения принят - «комбинированное заземление нейтрали», для этого установлены устройства комбинированного заземления нейтрали среднего напряжения 7.
Комбинированное заземление нейтрали позволяет:
- ограничить перенапряжение в режиме однофазного замыкания на землю;
- увеличить активную составляющую тока замыкания на землю до уровня, обеспечивающего селективную работу защит на токовом принципе;
- исключить опасные феррорезонансные явления;
- ограничить напряжения, возникающие на нейтрали в нормальном режиме за счет несимметрии параметров схемы.
В составе распределительного устройства СН 10 используют устройство определения поврежденного присоединения при ОЗЗ, данное техническое решение позволяет существенно сократить время поиска места повреждения при ОЗЗ.
В качестве средств защиты на трансформаторной подстанции используют цифровые устройства релейной защиты и автоматики, ЦРЗА КРУЭ ВН установлены в здании энергоблока, ЦРЗА КРУ СН размещены на двери релейного шкафа ячейки КРУ СН.
Конструктивно электрическая связь от линейных выводов ВН до силового трансформатора и от силового трансформатора до линейного вывода СН выполнена, например, воздушной линией, возможны варианты исполнения литым токопроводом или кабельной линией.
Трансформаторная подстанция работает следующим образом.
Электроэнергию с высоким напряжением подают через линейный вывод ВН 4 на распределительное устройство ВН 9, которое размещено в здании ЗРУ ВН 1, где она распределяется на отдельные присоединения и поступает на силовые трансформаторы ВН 2 через линейный вывод ВН в сторону силовых трансформаторов ВН - «Литой токопровод-воздух» 5, после преобразования электроэнергии высокого напряжения в электроэнергию среднего напряжения, электроэнергия подается через линейный ввод СН 6 на распределительное устройство СН 10, размещенное в здании энергоблока 3, где она распределяется на отдельные присоединения и поступает на трансформаторы собственных нужд, конденсаторные установки с автоматическим регулированием на стороне СН 8 и установки комбинированного заземления нейтрали СН 7, при этом осуществляется непрерывная диагностика и мониторинг в режиме «онлайн» распределительного устройства ВН 9, силовых трансформаторов ВН 2 и распределительного устройства СН 10 посредством системы диагностики 12. Релейная защита трансформаторной подстанции выполняется на устройствах цифровой релейной защиты и автоматики ЦРЗА.
Сравнительный анализ параметров известных конструкций трансформаторных подстанций (аналог - [Двоскин Л.И. Схемы и конструкции распределительных устройств. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - С. 208, 240 с.], прототип) и предлагаемым устройством показывает:
- выполнение корпуса в виде отдельно стоящих блочных зданий обеспечивает наличие противопожарных разрывов между зданиями, в случае возгорания трансформатора здание ЗРУ ВН и здание энергоблока будут не повреждены, также возможен подъезд ко всем элементам трансформаторной подстанции.
2
2
- применение ячеек КРУЭ ВН и линейных выводов ВН с противоположных сторон позволяет уменьшить габарит здания ЗРУ ВН в 2,77 раза с 1 188 м до 432 м в сравнении с аналогом;
- размещение под залом КРУЭ проветриваемого подвального помещения позволяет исключить систему обогрева и приточной вентиляции, тем самым повысить энергоэффективность трансформаторной подстанции;
- использование литого токопровода ВН, размещенного под залом КРУЭ в проветриваемом подвальном помещении, позволяет организовать безопасную работу кран-балки при перемещении элементов элегазового оборудования;
- наличие монтажного проема в здании ЗРУ ВН позволяет организовать въезд грузового автотранспорта в здание с целью погрузки/выгрузки элементов элегазового оборудования;
- использование в здании ЗРУ ВН кран-балки позволяет перемещать элементы элегазового оборудования по всей площади зала КРУЭ, в том числе при работающем оборудовании, что улучшает условия эксплуатации устройства;
- использование конденсаторной установки с автоматическим регулированием на стороне среднего напряжения позволяет уменьшить полный ток и тем самым снизить потери и расход электроэнергии в сети;
- использование установки комбинированного заземления нейтрали среднего напряжения позволяет сократить время поиска поврежденного участка сети СН, за счет компенсации емкостного тока индуктивным током от реактора и добавления в общий ток активной составляющей, тем самым неустойчивое однофазное замыкание на землю в сети СН переходит в устойчивое замыкание.
Для реализации предлагаемой трансформаторной подстанции применяют серийно выпускаемое оборудование, материалы и стандартные технологии.
Таким образом, заявляемая конструкция обеспечивает оптимальную компоновку трансформаторной подстанции с возможностью реализации различных принципиальных электрических схем в условиях ограниченной площади для размещения электротехнического оборудования и позволяет повысить эффективность, надежность и безопасность при его эксплуатации.