КОМПЛЕКТНАЯ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ ПОДСТАНЦИЯ С ФУНКЦИЕЙ ЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Область техники
Полезная модель относится к электроустановкам для преобразования и распределения электроэнергии переменного тока, в частности, к трехфазным распределительным устройствам для электроснабжения промышленных предприятий, жилищно-коммунальных и общественных объектов с возможностью зарядки электроэнергией аккумуляторных батарей электромобилей.
Уровень техники
В настоящее время с ростом популярности электромобилей возникает потребность в их периодической подзарядке и создании инфраструктуры зарядных станций. При этом создание отдельной инфраструктуры зарядных станций приводит к увеличению финансовых затрат на создание и размещение таких станций на определенной территории. Также для отдельной инфраструктуры зарядных станций их необходимо обеспечить преобразователями энергии с увеличенной мощностью, что требует использования различных охлаждающих средств, чтобы предотвратить их перегрев. Таким образом, такие зарядные станции имеют излишний шум при низкой энергетической эффективности и существует потребность в преодолении указанных проблем.
Известны конструкции трансформаторных подстанций монтируемые по типовым проектам. Например, комплектная трансформаторная подстанция типа "киоск" (КТП), представляет собой электротехническое устройство для приема, преобразования по уровню напряжения при помощи силовых трансформаторов, передачи и распределения электрической энергии. КТП предназначено для обеспечения электроснабжения городских, коммунальных, сельскохозяйственных объектов, газовых и нефтяных месторождений. К оборудованию КТП предъявляются высокие качественные требования, в частности, оно должно быть прочным и устойчивым к внешнему воздействию, обладать высокими техническими показателями, а также соответствовать экологическим, противопожарным нормам.
Также из уровня техники, патент RU 130459 U1, известна зарядная станция, которая содержит: корпус, во внутренней полости которого расположены исполнительный и управляющий модуль, приемо-передающий модуль, устройство защитного отключения подачи электричества, средство для подключения зарядного кабеля электротранспорта, связанное с управляющим модулем, устройство идентификации пользователя, датчики перемещения и наклона корпуса станции для контроля и регистрации механического воздействия на корпус. Станция также содержит светодиодный модуль внешней индикации состояния станции, связанный с управляющим модулем и световое табло на внешней поверхности корпуса. Исполнительный модуль соединен с управляющим модулем и с розеткой для подключения зарядного кабеля электротранспорта к зарядной станции. Управляющий модуль выполнен как блок управления и блок анализа поступающей информации. На корпусе станции расположено гнездо для индивидуальной карты пользователя с устройством идентификации пользователя. Счетчик измеряет показатели электроэнергии в процессе зарядки электротранспорта и передает полученные значения на управляющий модуль и далее на удаленный сервер для обработки, учета и принятия диспетчерских решений для обеспечения возможности автоматического технологического управления зарядной станцией на основе данных о состоянии питающей электросети: перекос потребления по фазам, превышение реактивной составляющей заданного порога.
Недостатками такой зарядной станции является низкая эффективность и электробезопасность при эксплуатации.
Наиболее близким аналогом - прототипом по назначению и технической сущности к предложенной полезной модели является патент RU 2509667 С1, защищающий преобразовательную подстанцию электротранспорта, в которой зарядный терминал через канал связи дает запрос управляющему блоку на начало заряда. Управляющий блок через канал связи подает сигнал начала заряда блоку защиты и через канал связи источнику тока блока соответствующему зарядному терминалу. Напряжение, подаваемое на контактную сеть с выхода выпрямителя, попадает на рабочий вход источника тока через блок защиты. Инвертор источника тока преобразует постоянное напряжение в переменное с частотой, задаваемой сигналами на управляющем входе, подключенном по каналу связи к управляющему блоку, и на сигнальном входе, подключенном к датчику выходного тока. Переменное напряжение с выхода инвертора поступает на первичную обмотку развязывающего трансформатора и с его вторичной обмотки на вход выпрямителя, который преобразует переменное напряжение на входе в постоянное на выходе. Выход выпрямителя через датчик тока подключен к выходу источника тока. Уровень выходного постоянного напряжения на выходе источника тока задается сигналом на управляющем входе и сигналом от датчика тока на входе. Выход источника тока подключен к входу зарядного терминала. Зарядный ток задается управляющим блоком через управляющий вход и стабилизируется на заданном уровне по сигналу от датчика тока.
Такая подстанция хотя и использует инфраструктуру контактной сети, но также имеет низкую эффективность и электробезопасность при эксплуатации.
Соответственно, необходимо разработать комплектную трансформаторную подстанцию с расширенными функциями зарядки для электромобилей на основе широко распространенной инфраструктуры распределительных электросетей. Это не требует создания инфраструктуры отдельно расположенных зарядных станций и позволяет обеспечить технический результат - высокий уровень безопасности эксплуатации, поскольку зарядная станция расположена максимально близко к преобразующему оборудованию электросети и не влияет на работу электрического оборудования потребителей. Таким образом, предложенная полезная модель позволяет устранить недостатки предшествующего уровня техники, расширить функциональные возможности и повысить равномерность энергопотребления.
Сущность полезной модели
Указанный технический результат достигается тем, что предложена КТП с возможностью зарядки электромобилей, где корпус состоит из крыши, основания и каркаса и имеет проемы: для вентиляции, ввода/вывода соединительных и питающих высоковольтных и низковольтных кабельных линий, при этом корпус разделен на отсек распределительных устройств высшего напряжения, отсек распределительных устройств низкого напряжения, отсек силового трансформатора, отличающаяся тем, что дополнительно в корпусе выполнен отсек зарядной станции, при этом упомянутые отсеки изолированы друг от друга и разделены перегородками, а наружной поверхности корпуса расположен по меньшей мере один антивандальный терминал подключения электромобилей к зарядной станции в виде навесного щита с размещенным в нем блоком контроля и индикации зарядной станции и с выведенными на наружную поверхность навесного щита разъемами для подключения электромобиля к зарядной станции.
Предпочтительным вариантом осуществления является выполнение корпуса КТП из железобетона или сэндвич-панелей, состоящих из соединенных между собой двух внешних оцинкованных стальных профилей и промежуточного тепло и/или звукоизолирующего слоя между ними, а также в виде металлического корпуса.
Предпочтительным вариантом осуществления является выполнение КТП, в которой отсеки имеют отдельные входы через двери с замками расположенными на соответствующей стороне корпуса.
Предпочтительным вариантом осуществления является выполнение КТП, в которой основание выполнено как цельносварная конструкция со сплошным настилом с жалюзи в отсеке силового трансформатора для естественного охлаждения трансформатора.
Предпочтительным вариантом осуществления является выполнение КТП, в которой в отсеке распределительных устройств высшего напряжения расположено распределительное устройство с верхним вводом шин от башни воздушного ввода или с нижним вводом при вводе от кабельной линии, имеющее в своем составе коммутационный аппарат.
Предпочтительным вариантом осуществления является выполнение КТП, в которой в отсеке распределительных устройств низкого напряжения расположено вводно-распределительное устройство с верхним или нижним вводом кабельных линий от силового трансформатора и с выводом кабельных линий от распределительной секции как сверху так и снизу, имеющее в своем составе вводной коммутационный аппарат и коммутационные аппараты отходящих линий, шкафа питания зарядных станций, блока собственных нужд.
Предпочтительным вариантом осуществления является выполнение КТП, в которой зарядная станция выполнена как зарядная станция переменного и/или постоянного тока, питание зарядной станции производиться от шкафа питания зарядной станций, где расположен автоматический выключатель, соединенный с блоком промышленного логического контроллера для ограничения загрузки зарядной станции, а шкаф питания зарядной станций подключен кабельными линиями к вводно-распределительному устройству.
Таким образом, все отличительные от прототипа признаки предложенной полезной модели направлены на получение указанного технического результата.
Проведенный анализ уровня техники и прототипа позволяет определить, что предложенное техническое решение, характеризующееся описанной совокупностью существенных признаков является новым, а возможность его использования в промышленности определяет его как промышленно применимым.
Эти и другие аспекты предложенной полезной модели станут очевидными и будут объяснены со ссылками на чертеж и варианты осуществления, описанные в дальнейшем.
Перечень фигур
На фиг. 1-3 показан соответственно в разрезе спереди, сбоку и сверху КТП.
На фиг. 4-5 показан общий вид в разрезе спереди и сбоку КТП с установкой на фундаменте с применением стандартных фундаментных блоков.
Осуществление полезной модели
На фиг. 1-3 показан общий вид КТП с возможностью зарядки электромобилей, в которой корпус состоит из крыши (1), боковых панелей (2), основания (3) и разделен на: отсек распределительных устройств (РУ) высшего напряжения (РУВН) РУ-10(6)кВ (4), отсек распределительных устройств низкого напряжения (РУНН) РУ-0,4кВ (5), отсек силового трансформатора (6), отсек зарядных станций (ЗС) (7). Все отсеки изолированы друг от друга и разделены перегородками (8) из негорючего материала внутри корпуса и имеют отдельные входы через двери или ворота с замками, расположенные на соответствующей стороне корпуса.
Крыша (1) может быть выполнена как цельносварной каркас, покрытый металлическими листами или выполнена из профилированных металлических листов с защитным цинковым покрытием, соединенные между собой заклепками. Боковые панели (2) представляют собой трехслойные сэндвич-панели, состоящие из склеенных между собой двух внешних слоев и одного промежуточного слоя. Внешние слои представляют собой оцинкованный стальной профиль, на который с лицевой стороны наносится слой полимерного покрытия. Промежуточный тепло и/или звукоизолирующий слой представляет собой наполнитель, например, пенополиуретан, минеральную базальтовую вату и др. Боковые панели (2) могут иметь разборную конструкцию в виде каркаса с боковыми и торцевыми стенками, который образует вышеуказанные отсеки. В корпусе предусмотрены дверные проемы для установки дверей. Благодаря выполнению корпуса из сэндвич-панелей снижается вес и обеспечивается удобство обслуживания. Основание (3) представляет цельносварную конструкцию, верхняя часть имеет сплошной настил с жалюзи для естественного охлаждения трансформатора и имеет проем для вывода кабельных линий (КЛ) КЛ-0,4кВ от РУ-0,4кВ, закрытый листовой резиной. Как вариант крыша (1), боковые панели (2) и основание (3) выполнены на заводе как единая монолитная оболочка - конструкция из монолитного бетона.
В отсеке РУВН (4) расположено распределительное устройство 10(6)кВ, типа камеры сборные одностороннего обслуживания серии КСО-201.3 с верхним вводом шин от башни воздушного ввода или с нижним вводом при вводе кабельной линии, имеющее в своем составе коммутационный аппарат и с выводом шин для питания силового трансформатора. Внутри отсека располагаются предохранители, разъединитель.
В отсеке РУНН (5) расположено вводно-распределительное устройство РУ-0,4кВ с верхним или нижним вводом кабельных линий от силового трансформатора и с выводом кабельных линий от распределительной секции как сверху так и снизу, имеющее в своем составе вводной коммутационный аппарат и коммутационные аппараты отходящих линий, шкафа питания зарядных станций, блока собственных нужд. Также расположен блок учета потребляемой электрической энергии, блок питания собственных нужд КТП.
Башня воздушного ввода (10) КТП выполнена со съемными листами, в ней расположены шины 10(6)кВ, например, шины алюминиевые, сечением 50×5 мм. В верхней части конструкции расположены проходные изоляторы 10(6)кВ для подключения к ВЛ-10(6)кВ. Ограничители перенапряжений (ОПН) располагаются в конструкции башни воздушного ввода, параллельно проходным изоляторам.
В отсеке ЗС (7) расположено оборудование зарядной станции переменного тока (11) (шкаф ЗС переменного тока) соединенное кабельными линиями (КЛ) с выводом КЛ-0,4кВ от распределительной секции РУНН. Как вариант, на фиг. 3 показано пунктиром, предусмотрено место для установки блока зарядной станции постоянного тока (12) соединенного КЛ с выводом КЛ-0,4кВ от распределительной секции РУНН.
В корпусе КТП устанавливаются РУ-10(6)кВ на базе ячейки КСО РУ 0,4 кВ и другие щиты 0,4кВ. На заводе также выполняется: внутренний контур заземления с двумя выводами для присоединения к наружному контуру; высоковольтные шинные перемычки для соединения РУВН с силовым трансформатором; кабельные перемычки (КЛ) 0,4 кВ от силового трансформатора до вводного автоматического выключателя РУ 0,4 кВ; цепи освещения и вторичной коммутации. Перемычка ВН между РУ-10(6) кВ и силовым трансформатором выполняется, например, одножильными кабелями марки АПвПуг-10. Кабели прокладываются в клипах от РУ-10(6)кВ КТП до отсека силового трансформатора. Перемычка 0,4 кВ выполняется, например, одножильным кабелем ВВГнг-LS с креплением его в клипах по потолку трансформаторного отсека и отсека РУ-0,4кВ.
Внутренний контур заземления КТП также выполняется на заводе. В качестве внешнего защитного заземляющего устройства (ВЗЗУ) используется контур заземления, состоящий из 19-ми вертикальных заземлителей, глубинных электродов - металлический стержень соединенных между собой горизонтальными заземлителями. ВЗЗУ обеспечивает нормируемое сопротивление растеканию тока Rн=40m; 20 м; 1 Ом; 0,66 Ом (в зависимости от типа питающей сети). ВЗЗУ рассчитано для грунта с удельным сопротивлением 100 Ом*м и выполняется общим для КТП с устанавливаемой концевой опорой ВЛ-10(6)кВ с разъединителем. Защита от перенапряжений осуществляется ОПН 10(6)кВ в составе башни воздушного ввода.
Принимая во внимание повышенные требования к электробезопасности, допустимое значение нормируемого сопротивления растеканию тока ВЗЗУ рассчитано исходя из значения напряжения прикосновения Uпр=20B (в соответствии ГОСТ 12.1.038-82 и ПУЭ). При изменении значения удельного сопротивления фунта необходимо откорректировать состав заземляющего устройства в части количества вертикальных заземлителей, для обеспечения нормируемого сопротивления растеканию тока Rн=4 Ом; 2 Ом; 1 Oм; 0,66 Ом.
В электрической части КТП содержит следующее оборудование: РУВН, например, КСО-201.3; двухобмоточный силовой трансформатор, например, ТМГэ-160/10(6); РУНН; оборудование собственных нужд (СН); оборудование зарядной станции. Также могут использоваться дополнительные защитные средства, например, комплект резиновых ковриков; инвентарная подставка; штанга оперативная до 10 кВ с крючком, тип ШО-10У1.
В качестве РУВН применяется камера сборная одностороннего обслуживания типа КСО-201.3, которая состоит из выключателя нагрузки ВНА-10(6)/630, предохранителя ПКТ-10(6)-20. В камере используются блокировки: от открывания двери при включенных главных ножах выключателя нагрузки (механическая); от включения заземляющих ножей при включенных главных ножах выключателя нагрузки, от включения главных ножей выключателя нагрузки при включенных заземляющих ножах (механическая).
В КТП применяется силовой трансформатор 160 кВА; 250 кВА, например, серии ТМГэ (трехфазный, герметичный, с масляным охлаждением), схема соединения Y/Zh-11, что обеспечивает уменьшение потерь при несимметричном режиме работы трансформатора. Трансформатор предназначен для работы в электросетях 10(6)кВ в электроустановках в условиях умеренного климата и служат для понижения высокого напряжения питающей электросети до установленного уровня потребления.
В качестве РУНН применяется сборка НН 380/220 В с вводом верхним КЛ-0,4кВ от силового трансформатора и с выводом КЛ-0,4кВ от распределительной секции как сверху так и снизу шкафа. РУ-0,4кВ комплектуется автоматическими выключателями, например, типа ВА04-31 Про и др., трансформаторами тока для учета потребляемой электрической энергии. В состав РУ-0,4кВ входит оборудование блока собственных нужд СН-ЭСС.
Основные компоненты зарядных стаций расположены во внутреннем объеме специального отсека и защищены от внешних факторов, в том числе от проявлений вандализма. В отсеке установлена зарядная станция (ЗС) (11), оборудование которой размещается в отдельном металлическом шкафу. Питание оборудования зарядной станции производиться от шкафа питания зарядной станций (ШПЗС), который соединен кабельными линиями (КЛ) с выводом КЛ-0,4кВ от распределительной секции РУНН. В ШПЗС установлен автоматический выключатель совместно с устройством ограничения загрузки зарядной станции (блок промышленного логического контроллера (ПЛК)).
На фасаде КТП устанавливается терминал подключения электромобилей (9), представляющий из себя металлический щит, например, навесной с размещенным в нем оборудованием контроля и индикации и с выведенными на поверхность щита разъемами для подключения электромобилей. Зарядная станция предназначена для зарядки электромобилей через штепсельные разъемы под переменным напряжением до 240/400В, силой тока до 32/80А, частотой 50 Гц. Штепсельные разъемы зарядной станции оснащены современными элементами защиты от поражения электрическим током и блокировками от ошибочных действий. При этом возможно применение других зарядных станций имеющих функцию внешнего проводного управления.
Зарядная станция обеспечивает регулирование потребляемой электромобилем мощности в зависимости от загрузки КТП. Так ПЛК зарядной станции получает информацию о токах, протекающих в цепи на выходе силового трансформатора. Информация поступает в ПЛК от токовых трансформаторов, измеряющих величины этих токов. ПЛК вычисляет мощность в общей цепи и сравнивает ее с заранее заданным максимальным значением. Если при зарядке электромобиля мощность на выходе трансформатора превышает заранее заданное максимальное значение, ПЛК посылает в зарядную станцию управляющий сигнал о снижении зарядного тока на такую величину, чтобы мощность на выходе трансформатора была меньше или равна максимальному значению. Снижение осуществляется дискретными значениями вплоть до полного отключения станции. При дальнейшем снижении мощности на выходе трансформатора из-за падения нагрузки на других фидерах ПЛК увеличит зарядный ток, но без превышения общей мощностью максимального значения.
Зарядка электромобилей осуществляется предпочтительно: в режиме Mode 1, который использует «медленную» зарядку электромобилей (до 10 часов) посредством подключения через разъем к электросети переменного тока с напряжением до 230В и силой тока до 16А при однофазном подключении; и режиме Mode 3, который использует «медленную» или «стандартную» зарядку электромобилей в зависимости от способа подключения к электросети переменного тока с напряжением (до 230В и силой тока до 16А при однофазном подключении; до 400В силой тока до 32А при трехфазном подключении). Контроль процесса зарядки электромобиля осуществляется системой контроля, находящейся внутри зарядной станции.
Для обеспечения безопасности пользователей зарядная станция соответствует ГОСТ Р МЭК 61851-1-2013 и ГОСТ Р МЭК 62196-1-2013. Оборудование зарядной станции позволяет производить работу при отклонениях значения напряжения питающей сети в диапазоне от 90В до 264В. Составляющие компоненты зарядной станции отвечают требованиям по устойчивости к воздействию помех в соответствии с ГОСТ Р 51318.22; ГОСТ Р 51357.6.2; ГОСТ Р 51527. Таким образом, зарядная станция обеспечивает: надежную измерительную систему потребления энергии для пользователя; доступ к зарядке конечного потребителя осуществляется посредством идентификационной карточки RFID; программируемое время работы зарядной станции с учетом анализа пиковых нагрузок городской электросети; защиту от превышения максимально допустимого тока кабеля, что предохраняет электромобиль от перегрузки, определяя тип подключенного к ЗС электромобиля.
Оборудование собственных нужд (СН) КТП состоит из: блока питания СН КТП, систем электроосвещения, отопление и вентиляция и учета электроэнергии в КТП.
Блок питания собственных нужд КТП (СН-ЭСС) располагается в составе РУ-0,4кВ КТП и осуществляет питание 220/380/12 В всех цепей собственных нужд подстанции, а также оборудования для осуществления пуско-наладочных работ (предусмотрена возможность присоединения внешних потребителей с номинальным током до 63А, подключаемых к лабораторным клеммам СН (клеммы выведены на фасад шкафа РУ-0,4кВ). Для защиты подключаемых к блоку СН цепей от перегрузки и коротких замыканий установлены автоматические выключатели на номинальные токи 63, 25, 16 и 6А. Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала, розетка 220В подключена через устройство защитного отключения. Питание блока СН осуществляется от автоматического выключателя, расположенного в РУ-0,4кВ.
Электроосвещение в КТП выполняется по схеме: а) рабочее напряжение ~ 220В, с настенными светильниками типа НПП03 со светодиодными лампами мощностью 6,5 Вт, типа 6,5 W Е27; б) ремонтное и переносное напряжение ~ 12В (проектом предусмотрено наличие переносного светильника, типа РВО-42, со шнуром 10 м). Питание внутреннего освещения отсеков КТП осуществляется от блока питания СН в составе РУ-0,4кВ.
Отопление и вентиляция в отсеках КТП осуществляется печами, например, типа Etalon 05UB, управление которыми осуществляется в автоматическом режиме, посредством встроенных электронных термостатов или в ручном режиме обслуживающим персоналом. Предпочтительно печи устанавливаются в отсек РУНН и отсек зарядных станций. Режим работы системы отопления должен обеспечивать температуру в отсеках не ниже 5°C. Вентиляция трансформаторной камеры КТП выполнена естественной с жалюзийными решетками для притока холодного и оттока горячего воздуха.
Учет электроэнергии в КТП производится на вводе в РУ 0,4 кВ, где устанавливаются сертифицированные и рекомендованные к применению энергосбытовыми организациями для учета трансформаторы тока. Вторичные выводы трансформаторов тока подключаются к счетчику электрической энергии, который установлен в отдельном шкафу учета (напольного исполнения ШУ), который устанавливается отсеке РУНН. Для подключения счетчика электрической энергии в шкафу учета установлена испытательная коробка.
Также учет потребляемой электрической энергии производится на отходящих линиях к зарядным станциям, на отходящих линиях, питающих потребителей 0,4кВ КТП, где устанавливаются сертифицированные и рекомендованные энергосбытовыми организациями для коммерческого учета трансформаторы тока.
Вторичные выводы трансформаторов тока подключаются к счетчикам электрической энергии (счетчику ЗС переменного тока и к счетчику ЗС постоянного тока соответственно при использовании ЗС постоянного тока; к счетчику отходящей линии 1, 2, 3, которые установлены в шкафу учета (ГПУ) напольного исполнения), совместно с прибором учета потребляемой электроэнергии на вводе КТП. Для подключения счетчиков в щите учета установлены испытательные коробки. Подвод электроэнергии к электротехническому оборудованию осуществляется через указанные кабели и системы сборных шин.
На фиг. 4 и 5 показан общий вид КТП установленной на фундаменте с применением стандартных фундаментных блоков. КТП на объекте устанавливается на заранее подготовленном фундаменте, выполненном в соответствии с проектом. В подземно-цокольном пространстве могут размещаться технологические полости для обслуживания КТП и размещения элементов оборудования. Под конструкцией КТП необходимо предусмотреть вводной котлован для вывода отходящих КЛ-0,4кВ в трубы.
Характерными особенностями КТП являются: применение современного, надежного и безопасного в эксплуатации электрооборудования; предмонтажная проверка и наладка электрооборудования; относительно малые габариты; высокая прочность конструкции при сравнительно небольшом весе; простота конструкции и удобство монтажа на объекте.
Вышеупомянутые варианты осуществления полезной модели не являются исчерпывающими и приведены только с целью пояснения и подтверждения возможности ее промышленной применимости. Специалисты в данной области техники способны создавать альтернативные варианты ее осуществления без отрыва от объема приложенной формулы, но в пределах сущности полезной модели, отраженной в описании.