Руководство по устройству электроустановок - Подстанция абонента с измерениями на стороне низкого напряжения

4 Подстанция абонента с измерениями на стороне низкого напряжения
4.1 Общие положения
Подстанция потребителя с учетом энергии на стороне низкого напряжения представляет собой электроустановку, подсоединенную к системе электроснабжения с номинальным напряжением 1-35 кВ, с одним понижающим трансформатором, обычно не более 1250 кВА.
Функции
Подстанция
Все составные части подстанции располагаются в одном помещении, которое находится в уже существующем или в специально построенном здании, внешнем по отношению к основному зданию.
Подключение к высоковольтной сети
Подключение к высоковольтной сети может быть выполнено:
По одному кабелю или по воздушной линии электропередач;
Через два выключателя нагрузки с механической взаимоблокировкой, подключенных к двум кабелям от дублирующих линий питания.
Через два выключателя нагрузки распредустройства кольцевой схемы. Трансформатор
Так как использование трансформаторов на основе ПХБ(1) запрещено в большинстве стран, предпочтительными являются:
Масляные трансформаторы для подстанций наружной установки
Сухие трансформаторы с литой изоляцией вакуумного литья для внутренней установки, то есть в многоэтажных зданиях, публичных помещениях, и т.д.
Снятие показаний
Для измерения потребления энергии в сети низкого напряжения можно использовать небольшие измерительные трансформаторы небольшой стоимости. Большинство тарифных планов учитывают потери в трансформаторах.
Цепи низкого напряжения
В цепи низкого напряжения должен быть установлен автоматический выключатель (АВ), необходимый для отключение тот сети, в целях:
Питания распределительного щита
Защиты трансформатора от перегрузки и цепей, расположенных ниже, от коротких замыканий.
Однолинейные схемы
Схемы на следующей странице (см. Рис. С2 ) представляют различные методы подключения к высоковольтной сети питания, а именно:
Одной линией
Одной линией (с предусмотренным расширением до кольцевой схемы питания)
Двойное электроснабжение (от двух линий питания)
(1) Полихлорированный бифенил
Кольцевая схема питания
4.2 Выбор панелей
Стандарты и технические характеристики
Коммутационная аппаратура и оборудование, описанные ниже, предназначены для сетей номиналом 1-24 кВ и удовлетворяют следующим стандартам: МЭК 62271-200, 60265-1, 60694, 62271-102, 62271-105
Также, местные законы могут требовать соответствия национальным стандартам:
Франция:     UTE
Великобритания: BS
Германия:    VDE
США: ANSI
Тип оборудования
В дополнение к устройствам кольцевой схемы, описанным в разделе 1.2, используя модульные панели, можно создавать распредустройства для любой схемы подстанции с возможностью дальнейшего ее расширения.
Комплектные подстанции, состоящие из модульных панелей, особенно применимы для следующих случаев:
Открытая кольцевая или радиальная сеть.
Суровые климатические условия или высокое загрязнение среды (требуется комплексная изоляция).
Недостаточно места для «классических» распределительных щитов. Данный тип оборудования характеризуется своими небольшими размерами, интегрированными функциями и операционной гибкостью.

C23
Рис. C21: Подстанция абонента с измерениями на стороне низкого напряжения.
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005

Операционная безопасность ячеек в металлическом корпусе
Описание
Ниже дано описание ячейки современного выключателя-разъединителя нагрузки (см. Рис. С22), который включает в себя наиболее современные разработки, позволяющие обеспечить:
Операционную безопасность
Минимальные требования по месту размещения
Возможность расширения и гибкость
Минимальные требования по техническому обслуживанию Каждая ячейка включает в себя три отсека:
Коммутационная аппаратура: Выключатель нагрузки - разъединитель встроен в герметичный литой корпус из эпоксидного материала, рассчитанный на весь срок службы.
Подключения: Кабелем на контакты, расположенные на литом корпусе выключателя.
Сборные шины: модульные, позволяющие собрать рядом любое число ячеек, образующих распределительный щит и низковольтный отсек для управления и сигнализации, в котором можно разместить аппаратуру автоматики и релейной защиты. При необходимости сверху существующего может быть смонтирован дополнительный оттсек.
Кабельные подключения выполняются внутри кабельного отсека на передней части устройства, доступ в которрый осуществляется путем снятия передней панели отсека. Отдельные ячейки соединяются электрически, используя готовые секции сборных шин. Сборка на месте осуществляется согласно инструкциям по сборке. Управление распредустройством облегчается группировкой всех элементов управления и сигнализации на панели управления, расположенной на передней части устройства. Основными принципами этого коммутационного оборудования является: операционная безопасность, упрощенный монтаж и минимальные требования о техобслуживанию.
Меры безопасности внутренней коммутационной аппаратуры
Выключатель нагрузки/разъединитель полностью соответствует требованиям для «устройства с гарантированным указанием положения», как определено в стандарте МЭК 62271-102 (Внутренние/встроенные, предусмотренные меры безопасности распредустройства).
Функциональный блок включает в себя основные блокировки, определенные в стандарте МЭК 62271-200 (Комплектные распределительные устройства (КРУ) в металлическом кожухе и механизмы управления) .
С Включение этого выключателя невозможно, если не отключен заземляющий силовые и заземляющие разъединители.
С Включение заземляющего разъединителя (ЗП) возможно только тогда, когда выключатель нагрузки-разъединитель отключен.
Доступ к кабельному отсеку, который является единственным отсеком, куда имеется доступ пользователя во время работы, защищен следующими блокировками:
С Отрывание панели доступа к кабельному отсеку* возможно только тогда, когда заземляющий разъединитель включен.
С Выключатель нагрузки/разъединитель зафиксирован в позиции «отключен», когда вышеупомянутая панель доступа открыта. После этого возможно отключить заземляющий разъединитель, например, чтобы провести испытания (проверки) электрической прочности кабелей.
Таким образом, в распредустройстве можно проводить работы без обесточивания сборных шин и кабелей, за исключением блока, где производится доступ к кабелям. Он удовлетворяет требованиям «Потери непрерывности энергоснабжения» класса LSC2A, как определено в стандарте МЭК 62271-200.
Кроме блокировок, описанных выше, каждая панель КРУ включает в себя:
Встроенные приспособления для навесных замков на управляющих рукоятках
5 просверленных наборов крепежных отверстий для возможной навески в будущем дополнительных замков.
Операции
Ручки управления, рычаги и т.д., используемые для операций переключения сгруппированы все вместе на панели, имеющей понятные пиктограммы.
Все рычаги на операции включения идентичны для всех устройств (кроме тех, которые содержат автоматический выключатель).
Операция включения рычагом требует очень небольшого физического усилия.
Отключение или включение выключателя нагрузки / разъединителя может быть выполнено рычагом, или кнопкой, для АВ.

Рис. С22: Высоковольтный выключатель нагрузки в металлическом корпусе
Состояния выключателей (Отключен, Включен, Взведено) ясно указаны пиктограммами.
Выбор высоковольтного оборудования для подключения трансформатора
Обычно применяются три типа коммутационной аппаратуры:
Выключатель нагрузки и раздельные плавкие предохранители ВН
Комбинация: высоковольтный выключатель нагрузки / плавкие предохранители ВН
Автоматический выключатель
Для оптимального выбора нужно учитывать несколько параметров
Ток первичной обмотки трансформатора
Изоляционная среда трансформатора
Положение подстанции относительно центра нагрузки.
Номинальное значение мощности трансформатора в кВА.
Расстояние от КРУ до трансформатора
Использование отдельных защитных реле (в отличие от реле прямого действия). Примечание: Предохранители, используемые в комбинации выключатель нагрузки / предохранители, имеют бойки, которые обеспечивают отключение 3-полюсного выключателя нагрузки, при срабатывании одного (или более) предохранителя.
Выбор понижающего трансформатора Характеристики трансформатора
Трансформатор характеризуется, в частности, своими электрическими параметрами, а также технологией изготовления и условиями использования. Электрические характеристики
Номинальная мощность (Pn): условная полная мощность в кВА, на которой основаны конструкция трансформатора и другие величины расчетных параметров используемых при проектировании. Испытания производителя и гарантии относятся именно к этому значению.
Частота: Сети, описанные в данном руководстве, работают на частоте 50 или 60 Гц.
Номинальное первичное и вторичное напряжение: Для первичной обмотки, способной работать на нескольких уровнях напряжения, должно быть дано значение мощности кВА, соответствующее каждому уровню напряжения. Второе номинальное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора - это значение напряжения холостого хода.
Номинальные уровни изоляции характеризуются величинами напряжений, которые используются при испытаниях изоляции повышенным напряжением промышленной частоты, а также высоковольтными импульсами напряжения, имитирующими разряд молнии. При уровнях напряжения, описанных в данном руководстве, перенапряжения, вызванные операциями коммутации, обычно гораздо меньше, чем вызываемые молнией, поэтому отдельных испытаний для волн перенапряжений, вызванных операциями коммутации, не проводится.
Переключатель отпаек без нагрузки обычно позволяет установить уровни напряжения до ± 2.5% и ± 5% от номинального напряжения первичной обмотки трансформатора. Напряжение с трансформатора должно быть снято, перед тем как работать с этим переключателем.
Схемы и группы соединения обмоток трансформатора обозначены стандартными символами для звезды, треугольника и звезды с внутренними соединениями (зигзаг) (и их комбинациями, для для трансформаторов специального исполнения, например, 6- или 12-фазные трансформаторы для питания выпрямителей, и т.п.), а также с помощью буквенно-цифровой кодировки и рекомендованной МЭК. Этот код читается слева направо, первая буква относится к обмотке с самым высоким напряжением, вторая - к обмотке с напряжением, следующим по величине, и т.д..
С Заглавные буквы относятся к обмотке с самым высоким напряжением D = треугольник, Y = звезда,
Z = звезда с внутренними соединениями (или зигзаг), N = нейтраль, выведенная на клемник. С Строчные буквы используются для вторичных обмоток d = треугольник, у = звезда,
z = звезда с внутренними соединениями (или зигзаг), n = нейтраль, выведенная на клемник.
С Число от 1 до 11, соответствующее делению на циферблате часов (вместо 12 используется 0) которое следует за любой парой букв, указывает на сдвиг по фазе, если таковой имеется, возникающий во время трансформации.
Очень распространенной схемой соединения обмоток в распределительных трансформаторах является схема Dyn 11, в которой соединение высоковольтной обмотки выполнено по схеме треугольник, а вторичной обмотки - по схеме звезда, нейтраль которой выведена на клемник. Сдвиг по фазе трансформатора составляет +30 градусов, то есть, фаза 1 вторичного напряжения на «11 часах», а фаза 1 первичного напряжения - на «12 часах», как показано на рис. С31 стр. С34. Все комбинации соединения обмотки по схемам треугольник, звезда и зигзаг образуют сдвиг по фазе, который (если он не равен нулю), составляет либо 30 градусов, либо кратное значение. «Часовая кодировка» подробно описана в стандарте МЭК 60076-4.
Характеристики, связанные с технологией и применением трансформатора
Этот список не является исчерпывающим:
Выбор технологии Изоляционной средой является:
С Жидкость (минеральное масло) или С Твердая эпоксидная смола и воздух
Для внутренней и наружной установки
Высота над уровнем моря ((<= 1000 м стандартно)
Температура (МЭК 60076-2)
Максимальная температура окружающего воздуха: 40 °C
С Максимальная средняя суточная температура окружающего воздуха: 30 °C С Максимальная средняя годовая температура окружающего воздуха: 20 °C Для нестандартных рабочих условий, прочтите пункт «Влияние средней температуры и высоты на номинальный ток», стр. С7.
Описание технологий изоляции
В настоящее время имеется два основных класса распределительных трансформаторов:
Сухого типа (литая изоляция)
Жидкого типа (с заполнением маслом)
Трансформаторы сухого типа
Обмотки этих трансформаторов изолированы смолой, заливаемой под вакуумом (метод запатентован основными производителями).
Рекомендуется выбирать трансформатор, согласно стандарту МЭК 60076-11, учитывая следующее:
Класс окружающей среды Е2 (чистая конденсация и/или высокий уровень загрязнения).
Климатические условия класса С2 (применение, транспортирование и хранение до -25 °С)
Пожароустойчивость (трансформаторы подтверждающиеся пожарной безопасностью с низкой возгораемостью и самозатухающие в течение определенного времени).
Следующие описание относится к процессу, разработанному ведущим Европейским
производителем в этой области.
Для герметизации обмотки используется три компонента:
Эпоксидная смола на основе бифенола А, с вязкостью, которая обеспечивает полную пропитку обмотки.
Ангидридный отвердитель, модифицированный в целях достижения такой степени вязкости в корпусе, которая позволит избежать образования трещин во время температурных циклов, присутствующих при нормальном режиме работы.
Порошковая добавка из тригидрата алюминия Al (OH) 3 и кварца, которая улучшает механические и тепловые свойства изолятора, а также придает исключительные внутренние качества изоляции в присутствии высокой температуры.
Эта трех-компонентная система изоляции позволяет получить изоляцию Класса «F» (Д0=100 K), с отличными качествами пожаробезопасности и немедленного самозатухания. Такие трансформаторы классифицируются как невозгораемые.
Такая изоляция обмотки не содержит галогенных компонентов (хлора, брома и т.д.) или других компонентов, способных выделить коррозионные или токсичные загрязнители, таким образом, гарантируется высокая степень безопасности персонала в аварийных ситуациях, особенно в случае пожара.
Такой, трансформатор хорошо работает в агрессивных промышленных средах, пыльных, влажных и т.д. (см. Рис С2 ).
Трансформаторы с заполнением жидкостью
Наиболее распространенной изоляционной/охлаждающей жидкостью в трансформаторах является минеральное масло. Минеральные масла описаны в стандарте МЭК 60296. Так как они воспламеняемы, во многих странах обязательными являются меры безопасности, особенно при внутренней установке. Блок DGPT (обнаружения газа, повышенного давления и температуры ) обеспечивает защиту масляных трансформаторов. В случае обнаружения отклонения, блок DGPT очень быстро отключает высоковольтное питание трансформатора, прежде чем ситуация становится опасной.

Рис. С23: Трансформатор сухого типа
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005
Минеральное масло подвержено биологическому старению и не содержит ПХБ (полихлорированный бифенил), что было причиной запрета аскарел или пиралена. По запросу, минеральное масло может быть заменено альтернативной изоляционной жидкостью, путем внесения необходимых изменений в трансформатор и принятия соответствующих дополнительных мер безопасности, если необходимо. Изоляционная жидкость также действует в качестве охлаждающей среды, она расширяется при увеличении нагрузки и/или температуры окружающей среды, поэтому все трансформаторы с заполнением жидкостью должны быть спроектированы так, чтобы предоставить дополнительный объем для жидкости без чрезмерного давления в баке.
4 Подстанция абонента с измерениями на стороне низкого напряжения
Ограничение давления обычно достигается двумя способами: і Герметичный бак с полным заполнением (до 10 МВА в настоящее время). Разработанный ведущим французским производителем в 1963 г, этот метод был принят к национальному использованию в 1972 г., а сейчас применяется во всем мире (см. Рис. С2 ). Расширение жидкости компенсируется эластичной деформацией маслоохлаждающих секций,присоединенных к баку.
Технология «полного заполнения» имеет много важных преимуществ над другими методами: [ Полностью исключено окисление диэлектрической жидкости (атмосферным кислородом).
Нет никакой необходимости в устройстве осушения воздуха, а также в последующем техобслуживании (проверка и замена влагопоглотителя.)
[ Нет необходимости проводить испытания электрической прочности жидкости как минимум 10 лет. [ Возможна упрощенная защита от внутренних повреждений, посредством устройства DGPT.
Простота установки: облегченные и уменьшенные габариты (по сравнению с баками с расширителем для масла), хороший доступ к высоко- и низковольтным клеммам.
[ немедленное обнаружение (даже малых) утечек масла; вода не может попасть внутрь бака. і Расширитель для масла с воздушной подушкой при атмосферном давлении. Расширение изолирующей жидкости сопровождается повышением уровня жидкости в расширительном баке, который смонтирован над главным баком трансформатора, как показано на 'рис. С25. Пространство над жидкостью в расширительном баке может быть заполнено воздухом, который затягивается, когда уровень жидкости падает, и частично выпускается при подъеме уровня жидкости. Когда воздух затягивается из окружающей атмосферы, он проходит через сальник, перед тем, как попасть в осушительное устройство (обычно содержащее кристаллы силикагеля), и затем уже попадает в расширительный бак. В некоторых моделях больших трансформаторов пространство между маслом и баком занято герметичным воздушным компенсатором, так что изоляционная жидкость никогда не приходит в контакт с атмосферой. Воздух входит и выходит из деформирующегося воздушного компенсатора через сальник и осушитель, как это было описано выше. Расширительный бак обязателен для трансформаторов номиналом выше 10МВА (что в настоящее время является верхним пределом для трансформаторов с полным заполнением).
Выбор технологии
Как уже говорилось выше, можно выбрать трансформатор с заполнением жидкостью или сухого типа. Для номинальных значений до 10 МВА можно использовать устройства с полным заполнением, как альтернативу трансформаторам с расширительным баком. Выбор зависит от ряда соображений, включая:
і Безопасность лиц, находящихся поблизости от трансформатора. Необходимость соблюдения местных законов и рекомендаций официальных органов. і Экономические соображения, принимающие во внимание относительные преимущества каждой технологии.
Законодательные акты, которые могут повлиять на выбор, следующие: і Трансформатор сухого типа:
В некоторых странах трансформатор сухого типа обязателен в многоэтажных жилых зданиях.
Применение сухих трансформаторов не ограничивается. і Трансформаторы с изоляцией жидкостью
Этот тип трансформаторов обычно запрещен для применения в многоэтажных жилых зданиях.
[ Для различных типов изоляционных жидкостей, ограничения по установке, или минимальной защите от риска возгорания, варьируются в зависимости от класса используемой изоляции.

Рис. С24: Герметичный бак с полным заполнением

Рис. С25: Расширитель для масла с воздушной подушкой при атмосферном давлении.
Некоторые страны, в которых использование жидких диэлектриков широко развито, выделяют несколько категорий изоляционных жидкостей, в соответствии с их пожароопасностью. Она оценивается по двум критериям: Температура вспышки и минимальная теплотворная способность. Основные категории показаны на Рис. С26, где для удобства использованы коды классификации.

Рис. C2: Категории жидких диэлектриков

Так, например, французский стандарт определяет условия для установки трансформаторов с заполнением жидкостью. Эквивалентный стандарт МЭК еще не разработан. Французский стандарт направлен на обеспечение безопасности лиц, собственности и рекомендует принимать определенные минимальные меры против риска возгорания. Основные меры предосторожности указаны на Рис. С27.
Для жидких диэлектриков класса L3 не требуется специальных мер
Для диэлектриков классов 01 и К1 указанные меры применяются только тогда, когда трансформатор содержит более 25 литров диэлектрической жидкости.
Для диэлектриков классов К2 и К3 указанные меры применяются только тогда, когда трансформатор содержит более 50 литров диэлектрической жидкости.

*Там, где используются высоковольтные предохранители, они расположены в этом отсеке.

Специальные меры 1: Должно быть предусмотрено что, в случае вытекания жидкости из трансформатора, она будет полностью собрана (в маслосборник, порогами вокруг трансформатора и блокированием (для предотвращения попадания жидкостей) кабельных каналов, трактов и т.п. во время строительства). Специальные меры 1А: В дополнение к спец. мероприятиям 1, должно быть предусмотрено что, в случае возгорания жидкости, нет возможности для распространения огня (любой возгораемый материал должен быть отодвинут от трансформатора не менее чем на 4 м, и не менее 2 м, если установлен огнеупорный экран (с номиналом 1 ч.). Специальные меры 2: Предусмотреть гравийную «подушку» (насыпь) в маслосборнике, что позволит горящей жидкости быстро гаснуть естественным путем. Специальные меры 3: Применяются автоматические устройства (газовые реле температуры и давления или реле Buchholz) для отключения от основного источника питания и срабатывания сигнализации, если газ появляется в баке трансформатора.
Специальные меры 4: Применяются устройства автоматического обнаружения огня в непосредственной близости к трансформатору, для отключения от основного источника питания и подачи сигнала тревоги.
Специальные меры 5: Автоматическое закрывание огнеуопорными панелями (с минимальной огнестойкостью - 1/2 часа) всех отверстий (для вентиляции и т.д.) в стенах
и потолке отсека подстанции.
Примечания:
Огнеупорная дверь (огнестойкость 2 часа) не считается отверстием.
Трансформаторный отсек, соседний с рабочим цехом и отделенный от него стенами, чьи огнеупорные характеристики не рассчитаны на 2 часа. В зонах, расположенных в середине рабочих цехов, материал должен быть помещен в защитные контейнеры.
Необходимым требованием является установка оборудования в помещение со сплошными стенами, единственными отверстиями в которых являются вентиляционные. Рис. С2 : Меры безопасности рекомендуется применять в электроустановках, использующих диэлектрические жидкости классов 01, K1, K2 или КЗ
Определение оптимальной мощности
Слишком мощный трансформатор
Это приводит к:
излишним денежным затратам и неоправданно высоким потерям холостого хода - ХХ при отсутствии нагрузки, но
уменьшению потерь при нагрузке
Недостаточно мощный трансформатор
Это приводит к:
сниженный коэффициента полезного действия - КПД при полной нагрузке (самый высокий КПД эффективность - 50-70% при полной нагрузке).
при долговременной перегрузке, имеются серьезные последствия:
для трансформатора, из-за преждевременного старения изоляции обмоток и, в крайних случаях, приводящего к повреждению изоляции и потере трансформатора.
для установки, если перегрев трансформатора приводит к отключению защитных реле и срабатыванию автоматического выключателя.
Определение оптимальной мощности
Чтобы выбрать оптимальную мощность (кВА) для трансформатора, необходимо принять во внимание следующие факторы:
Составьте список нагрузок всего установленного оборудования, как описано в Главе В.
Определите коэффициент спроса (или потребности) для каждого отдельного элемента нагрузки.
Определите цикл нагрузки установки, отмечая длительность нагрузок и перегрузок.
Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005

Если необходимо, примените коррекцию коэффициента мощности, чтобы:
С Снизить стоимость надбавок в тарифе в частности за максимальную потребляемую мощность, в kVA.   '
С Снизить значение заявленной мощности (P(kVA) = P (kW)/cos ф)
Выберите необходимую вам мощность из ряда стандартных номинальных значений трансформатора, принимая во внимание все возможные в будущем расширения установки. Важно обеспечить трансформатор необходимыми охлаждающими устройствами.
Вентиляционные отверстия
В общем случае, при естественном охлаждении циркуляцией воздуха, вентиляция помещения организуется с целью удаления тепла (произведенного потерями мощности трансформатора) путем естественной конвекции.
Хорошая система вентиляции подает охлажденный воздух через отверстие секции S, которое находится на уровне пола, воздух покидает камеру через отверстие S1, расположенное на противоположной стене, на высоте H от входного отверстия, как показано на Рис. С28.
Важно отметить, что любое ограничение свободного потока воздуха достаточного объема приводит к снижению мощности трансформатора, если номинальные температурные пределы не должны превышаться.
Естественная вентиляция
Вычисление площади сечения вентиляционных отверстий определяется по формуле:  Где:
Р = сумма потерь холостого хода - ХХ и потерь при полной нагрузке, выраженная в кВт; S = площадь сечения входного отверстия для воздуха (площадь решетки или жалюзей нужно вычесть) в мм2.
S' = площадь сечения выходного отверстия для воздуха (площадь решетки или жалюзей нужно вычесть) в мм2.
Н = высота (от центра до центра) выходного отверстия над входным отверстием, выраженная в метрах
Формула справедлива для средней температуры окружающего воздуха 20° и выше, при высоте над уровнем моря в 1000 м.
Принудительная вентиляция
Принудительная вентиляция (с применением электровентиляторов) камеры необходима при средней температуре воздуха свыше 20°С, при плохой вентиляции камеры, при частой перегрузке трансформатора и т.д. Вентилятор может контролироваться термостатом. Рекомендуемая скорость подачи воздуха, в куб. м/ сек при 20°С:
Трансформатор с полным заполнением: 0.081 P

Рис. С28: Естественная вентиляция
Трансформатор сухого типа Класса F: 0.05 P где P = общие потери в кВт.

Schneider Electric - Руководство по электрическим установкам 2005

5