Що таке підстанція електрична? Електричні підстанції й розподільні пристрої

Фахівці з електротехніки знають, що собою являють електричні станції та підстанції, для чого вони призначені і як влаштовані. Їм відомо, як розрахувати їх потужність і всі необхідні параметри, такі як число витків, переріз проводу і розміри муздрамтеатру. Цьому навчають студентів в технічних вузах і технікумах. Люди з гуманітарною освітою здогадуються, що споруди, часто стоять особняком у вигляді будиночків без вікон (їх люблять розфарбовувати любителі графіті), потрібні для енергопостачання будинків і підприємств, і проникати в них не слід, про це красномовно говорять страхітливі емблеми у вигляді черепів і блискавок , прикріплені до небезпечних об`єктів. Можливо, багатьом і не потрібно більше знати, але інформація зайвою не буває.

Трохи фізики

Електроенергія - це товар, за який треба платити, і дуже прикро, якщо вона витрачається марно. А це, як при будь-якому виробництві, неминуче, завдання полягає лише в тому, щоб марні втрати зменшити. Енергія дорівнює потужності, помноженої на час, тому в подальших міркуваннях можна оперувати цим поняттям, оскільки час тече постійно, і повернути його назад, як співається у пісні, неможливо. Електрична потужність же, в грубому наближенні, без урахування реактивних навантажень, дорівнює добутку напруги на струм. Якщо розглядати її докладніше, у формулу потрапить косинус фі, що визначає співвідношення спожитої енергії з корисною її складової, званої активної. Але цей важливий показник не має прямого відношення до питання про те, навіщо потрібна підстанція. Електрична потужність, таким чином, залежить від двох головних учасників законів Ома і Джоуля-Ленца, напруги та струму. Малий струм і висока напруга можуть утворювати таку ж потужність, як і навпаки, великий струм і низька напруга. Здавалося б, яка різниця? А вона є, і дуже велика.

Нагрівати повітря? Вибачте!

Отже, якщо скористатися формулою активної потужності, то вийде наступне:

• P = U x I, де:

  U - напруга, що вимірюється в Вольтах-
  I - струм, вимірюваний в Амперах-
  P - потужність, яка вимірюється у Ватах або Вольт-амперах.

Але є і ще одна формула, що описує згадуваний уже закон Джоуля-Ленца, згідно з якою теплова потужність, що виділяється при проходженні струму, дорівнює квадрату його величини, помноженої на опір провідника. Нагрівати навколишнє лінію електропередачі повітря - значить, даремно витрачати енергію. А зменшити ці втрати можна теоретично двома способами. Перший з них передбачає зменшення опору, тобто потовщення проводів. Чим більше перетин, тим менше опір, і навпаки. Але витрачати метал даремно теж не хочеться, він дорогий, мідь все-таки. До того ж подвійний витрата матеріалу провідника призведе не тільки до подорожчання, але і до обваження, що, в свою чергу, спричинить збільшення трудомісткості монтажу висотних ліній. І опори будуть потрібні більш потужні. А втрати знизяться тільки вдвічі.

Рішення

Щоб зменшити нагрів проводів при передачі енергії, потрібно знизити величину проходить струму. Це цілком зрозуміло, адже його зниження вдвічі призведе до зменшення втрат вчетверо. А якщо в десять разів? Залежність квадратична, значить, збитки стануть в сто разів менше! Але потужність повинна «гойдатися» та ж, яка потрібна сукупності споживачів, які очікують її на іншому кінці ЛЕП, що йде від електростанції іноді за сотні кілометрів. Напрошується висновок про те, що необхідно збільшити напругу в стільки ж разів, у скільки зменшений струм. Трансформаторна підстанція на початку лінії передачі якраз для цього і призначена. З неї виходять дроти під дуже великим напруженням, вимірюваним десятками кіловольт. Протягом усього відстані, що відокремлює ТЕС, ГЕС або АЕС від того населеного пункту, куди вона адресована, енергія подорожує з малим (відносно) струмом. Споживачеві ж потрібно отримати потужність із заданими стандартними параметрами, які в нашій країні відповідають 220 вольтів (або 380 V міжфазним). Тепер потрібна не підвищує, як на вході ЛЕП, а понижающая підстанція. Електрична енергія надходить на розподільчі пристрої для того, щоб в будинках горіло світло, а на заводах крутилися ротори верстатів.

Що в будці?

З вищесказаного ясно, що найголовніша деталь в підстанції - це трансформатор, причому зазвичай трифазний. Їх може бути декілька. Наприклад, трифазний трансформатор можна замінити трьома однофазними. Більша кількість може бути обумовлено високою потужністю споживання. Конструкція цього пристрою буває різною, але в кожному разі вона має значні розміри. Чим більша потужність відводиться споживачеві, тим серйозніше виглядає споруда. Пристрій електричної підстанції, тим не менш, складніше, і включає в себе не тільки трансформатор. Тут же знаходиться обладнання, призначене для комутації і захисту дорогого агрегату, а також найчастіше і для його охолодження. Ще електрична частина станцій та підстанцій містить розподільні щити, забезпечені контрольно-вимірювальною апаратурою.

Трансформатор

Головне завдання цієї споруди - донести енергію до споживача. Перед відправкою напруга потрібно підвищити, а після її отримання знизити до стандартного рівня.

При всьому тому, що схема електричної підстанції включає безліч елементів, головним з них є все ж трансформатор. Принципової різниці між пристроєм цього виробу в звичайному блоці живлення побутового приладу і промисловими зразками високої потужності немає. Трансформатор складається з обмоток (первинної та вторинної) і муздрамтеатру, зробленого з феромагнетика, тобто матеріалу (металу), що підсилює магнітне поле. Розрахунок цього пристрою - цілком стандартна навчальне завдання для студента технічного вузу. Головна відмінність трансформатора підстанції від його менш потужних аналогів, що кидається в очі, крім розмірів, полягає в наявності системи охолодження, що представляє собою сукупність масляних трубопроводів, оперізують гріються обмотки. Проектування електричних підстанцій, однак, завдання непросте, оскільки необхідний облік багатьох факторів, починаючи від кліматичних умов і закінчуючи характером навантаження.

Тягові потужності

Не тільки житлові будинки та підприємства споживають електроенергію. Тут все ясно, потрібно подати 220 Вольт змінного струму відносно нейтральної шини або 380 В між фазами з частотою 50 Герц. Але є ще й міський електротранспорт. Трамваям і тролейбусам потрібно напругу не змінне, а постійне. Причому різне. На контактному проводі трамвая має бути 750 Вольт (щодо землі, тобто рейок), а тролейбусу потрібно на одному провіднику нуль і 600 Вольт постійного струму на іншому, гумові протектори коліс є ізоляторами. Значить, потрібна окрема дуже потужна підстанція. Електрична енергія на ній перетворюється, тобто випрямляється. Потужність її дуже велика, струм у ланцюзі вимірюється тисячами Ампер. Такий пристрій називається тягловим.

Захист підстанції

І трансформатор, і потужне випрямний пристрій (у випадку з тягловими джерелами електроживлення) коштує дорого. Якщо виникне аварійна ситуація, а саме коротке замикання, в колі вторинної обмотки (а отже, і первинної) з`явиться струм. Значить, перетин провідників не розраховане. Електрична трансформаторна підстанція почне нагріватися за рахунок резистивного тепловиділення. Якщо не передбачити такий сценарій розвитку подій, то в результаті короткого замикання в будь-який з периферійних ліній провід обмоток розплавиться або згорить. Щоб цього не сталося, застосовуються різні методи. Це диференціальна, газова і максимальний струмовий захисту.

Диференціальна виробляє порівняння величин струму в ланцюзі і вторинній обмотці. Газовий захист спрацьовує при появі в повітряному середовищі продуктів горіння ізоляції, масла та ін. Струмовий захист відключає трансформатор при перевищенні струмом максимально встановленого значення.

Трансформаторна підстанція автоматично повинна відключитися також у разі удару блискавки.

Види підстанцій

Вони бувають різними за потужністю, за призначенням і пристрою. Ті з них, які служать тільки для підвищення або зниження напруги, називаються трансформаторними. Якщо потрібно також зміна інших параметрів (випрямлення або частотна стабілізація), то підстанція називається перетворюючої.

За своїм архітектурним виконанню ПС бувають прибудованими, вбудованими (примикають до основного об`єкту), внутрішньоцехових (що знаходяться всередині виробничого приміщення) або являти собою окремо стоїть допоміжне будівлю. В деяких випадках, коли не потрібна висока потужність (при організації енергопостачання невеликих населених пунктів), застосовується мачтовая конструкція підстанцій. Іноді для розміщення трансформатора використовуються опори ЛЕП, на яких монтується все необхідне обладнання (запобіжники, розрядники, роз`єднувачі і інш.).

Електричні мережі та підстанції класифікуються по напрузі (до 1000 кВ або більше, тобто високовольтні) і потужності (наприклад, від 150 ВА до 16 тис. КВА).

За схематичного ознакою зовнішнього підключення підстанції бувають вузловими, тупиковими, прохідними і відгалужувальними.

Усередині камери

Простір усередині підстанції, в якому розташовані трансформатори, шини та апаратура, що забезпечує роботу всього пристрою, називається камерою. Вона може бути огородженою або закритою. Різниця між способами відчуження її від навколишнього простору невелика. Закрита камера являє собою повністю ізольоване приміщення, а огороджена знаходиться за несуцільними (сітчастими або гратчастими) стінами. Виготовляються вони, як правило, промисловими підприємствами за типовими проектами. Обслуговування систем енергопостачання виробляє навчений персонал, що має допуск і необхідну кваліфікацію, підтверджену офіційним документом про дозвіл працювати на високовольтних лініях. Оперативне спостереження за роботою підстанції здійснює черговий електрик або енергетик, що знаходиться біля головного розподільного щита, який може розташовуватися віддалено від ПС.

Розподіл

Є ще одна важлива функція, яку виконує силова підстанція. Електрична енергія розподіляється між споживачами згідно їх нормам, а крім цього, завантаженість трьох фаз повинна бути як можна більш рівномірною. Для того щоб це завдання успішно вирішувалася, існують розподільні пристрої. РУ працюють на одному напрузі і містять апарати, що здійснюють комутацію та захист ліній від перенавантаження. З трансформатором РУ з`єднані запобіжниками і переривниками (однополюсними, по одному на кожну фазу). Розподільні пристрої за місцем розміщення підрозділяються на відкриті (розташовані на відкритому повітрі) і закриті (що знаходяться всередині приміщення).

Безпека

Всі роботи, вироблені в електричній підстанції, відносяться до розряду особливо ризикованих, тому вимагають надзвичайних заходів щодо забезпечення безпеки праці. В основному ремонт і обслуговування виробляються при повному або частковому знеструмленні. Після того як напруга буде відключено (електрики кажуть «знято»), за умови наявності всіх необхідних допусків, струмоведучі шини заземляются щоб уникнути випадкового включення. Для цього ж призначені та попереджувальні таблички «Працюють люди» і «Не включати!». Персонал, який обслуговує високовольтні підстанції, систематично проходить навчання, а навички та отримані знання періодично контролюються. Допуск № 4 дає право виконувати роботи на електроустановках понад 1 кВ.