Электрооборудование электрических сетей, станций и подстанций

A. Е. Немировский, И. Ю. Сергиевская, Л. Ю. Крепышева






ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ, СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ

Учебное пособие

5-е издание, дополненное










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

    УДК 621.311
    ББК31.277.1
         Н50

Рецензенты:
главный инженер производственного отделения «Вологодские электрические сети» филиала ПАО «МРСК Северо-Запада» «Вологдаэнерго» Циберный Ю. П.; заведующий кафедрой электрооборудования Липецкого государственного технического университета доктор технических наук, профессор Шпиганович А. Н.


            Немировскии, А. Е.


    Н50 Электрооборудование электрических сетей, станций и подстанций : учебное пособие / А. Е. Немировский, И. Ю. Сергиевская, Л. Ю. Крепышева. - 5-е изд., доп. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 176 с. : ил., табл.
                 ISBN978-5-9729-1361-9

                 Рассмотрены основные вопросы, касающиеся электрических сетей, станций и подстанций. Дается характеристика воздушных и кабельных линий, электропроводок и токопроводов, силовых трансформаторов и автотрансформаторов, электрических аппаратов станций и подстанций напряжением до и выше 1 кВ; распределительных и трансформаторных подстанций. Предложены схемы электрических соединений в системе электроснабжения, а также схемы электрических соединений станций и подстанций.
                 Для студентов, обучающихся по направлениям 13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» и смежным направлениям, а также специалистов, занимающихся проектированием, строительством или обслуживанием электрических сетей, станций и подстанций.

                                                          УДК621.311
                                                          ББК31.277.1

    ISBN 978-5-9729-1361-9 © Немировский А. Е., Сергиевская И. Ю.,
Крепышева Л. Ю., 2023
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                СОДЕРЖАНИЕ





ВВЕДЕНИЕ............................................................5

ГЛАВА 1. КАНАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ..........................6
1.1 Воздушные линии.....................................................6
1.2 Кабельные линии....................................................14
1.3 Электропроводки ...................................................23
1.4 Токопроводы........................................................25

ГЛАВА 2. СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ..............................................28
2.1 Типы трансформаторов и их параметры................................28
2.2 Схемы и группы соединений обмотоктрансформаторов...................31
2.3 Системы охлаждения силовых трансформаторов.........................31
2.4 Особенности конструкции и режимы работы автотрансформаторов .......34
2.5 Регулирование напряжения в трансформаторах и автотрансформаторах...35
2.6 Выбор силовых трансформаторов......................................37

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ ...40
3.1 Коммутационныеаппаратынапряжениемдо 1 кВ ..........................40
   3.1.1 Неавтоматические выключатели..................................40
   3.1.2 Предохранители................................................41
   3.1.3 Автоматические выключатели....................................42
   3.1.4 Контакторы и магнитные пускатели..............................46
3.2 Коммутационные аппараты напряжением выше 1 кВ......................48
   3.2.1 Разъединители, короткозымыкатели, отделители..................48
   3.2.2 Плавкиепредохранители.........................................50
   3.2.3 Высоковольтные выключатели....................................52
   3.2.4 Выбор высоковольтных выключателей.............................63
   3.2.5 Разрядники....................................................64
   3.2.6 Ограничители перенапряжений...................................64
3.3 Измерительные трансформаторы тока..................................67
3.4 Измерительные трансформаторы напряжения............................72
3.5 . Выбор измерительных трансформаторов..............................75
   3.5.1 Условия выборатрансформаторов тока............................75
   3.5.2 Условия выборатрансформаторов напряжения......................77
3.6 Контрольно-измерительные приборы на станциях и подстанциях.........77

ГЛАВА 4. РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ И ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПОДСТАНЦИИ.....................................78
4.1 Комплектные распределительные устройства наружной и внутренней установки............................................78
   4.1.1 Комплектные распределительные устройства наружной установки ..82
   4.1.2 Комплектные распределительные устройстваэлегазовые (КРУЭ).....83
   4.1.3 Комплектные распределительные устройства внутренней установки.85
4.2 . Низковольтные комплектные устройства.............................86
   4.2.1 Распределительные щиты........................................88

3

   4.2.2 Распределительные шкафы и пункты.........................90
   4.2.3 Выбор распределительных пунктов и шкафов.................91
   4.2.4 Щиты станций управления..................................92
4.3 Открытые распределительные устройства.........................92
4.4 Закрытые распределительные устройства.........................94
4.5 Комплектные трансформаторные подстанции.......................95
   4.5.1 КлассификацияКТП.........................................97
   4.5.2 Конструкция КТП..........................................98
   4.5.3 КТП наружной установки. Столбовые КТП ...................99
   4.5.4 КТП наружной установки. Мачтовые КТП.....................99
   4.5.5 Мачтовые железнодорожные трансформаторные подстанции....102
   4.5.6 КТП промышленных предприятий............................104
   4.5.7 КТП напряжением 35-110/6-10 кВ..........................106
   4.5.8 КТП специального назначения.............................107
   4.5.9 КТП проходного типа.....................................110
                                                -
ГЛАВА 5. СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ .........................112
5.1 Схемы электрических соединений в системе электроснабжения....112
   5.1.1 Схемы электрических сетей на стороне 6-10 кВ............112
   5.1.2 Схемы городских распределительных сетей 6-10 кВ.........114
5.2 Схемы электрических соединений станций и подстанций..........115
   5.2.1 Схемы электрических соединений на стороне 6-10 кВ........115
   5.2.2 Схемы электрических соединений на стороне 35кВ и выше....117
   5.2.3 Схемы распределительных подстанций напряжением до и выше 1 кВ.... 121

ГЛАВА 6. РЕЖИМЫ РАБОТЫ НЕЙТРАЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ... 123
6.1 Изолированная нейтраль.......................................123
6.2 Компенсированнаянейтраль.....................................125
6.3 Эффективно-заземленная нейтраль..............................127
6.4 Глухозаземленнаянейтраль.....................................127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................130

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Справочные данные воздушных и кабельных линии.......132

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Справочные данные трансформаторов...................151

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Технические параметры электрооборудования станции и подстанции......................................................153

4

                ВВЕДЕНИЕ





     Раздел «Электрооборудование электрических сетей, станций и подстанций» является неотъемлемой составляющей, без которой невозможно полноценное изучение многих специальных дисциплин направлений 13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».
     Основным назначением электрического оборудования является обеспечение надежной и безопасной работы всей энергосистемы. Условия выбора зависят от основных параметров электрооборудования, окружающей среды, температуры воздуха и т.д.
     При разработке и эксплуатации электрических сетей выбирают параметры линий электропередачи, оборудование и характеристики устройств релейной защиты и автоматики. Экономичность работы сетей характеризуют значения потерь активной и реактивной мощности в рассматриваемых режимах работы, а также значения потерь электроэнергии. В свою очередь, минимизация потерь мощности и электроэнергии зависят от рационального выбора трансформаторов, воздушных и кабельных линий и прочих элементов электрооборудования подстанций и сетей.
     На всех стадиях проектирования станций и подстанций важно не только правильно выбрать электрооборудование, но и схемы электрических соединений. Для этого необходимо учесть следующие факторы: назначение подстанции, температуру среды, скорость ветра, диапазон напряжений, вид распределительного устройства и другие параметры.
     Знание вышеупомянутых вопросов позволяет перейти к изучению специальных дисциплин по электроснабжению, релейной защите, монтажу и эксплуатации электроустановок, технике высоких напряжений и т.д. Именно этим руководствовались авторы при написании данного учебного пособия.
     Учебное пособие предназначено для дисциплин Б1.В.ОД.9 «Электрооборудование источников энергии, электрических сетей и промышленных предприятий», Б1.Б5 «Электрооборудование подстанций» согласно Федеральному государственному образовательному стандарту высшего образования для направления подготовки бакалавров и магистров 13.03.02, 13.04.02 - Электроэнергетика и электротехника, а также при изучении других дисциплин студентами указанных направлений.
     Учебное пособие состоит из пяти разделов: канализация электрической энергии, силовые трансформаторы и автотрансформаторы, электрические аппараты станций и подстанций, распределительные и трансформаторные подстанции, схемы электрических соединений.
     Авторы выражают глубокую признательность рецензентам рукописи: главному инженеру производственного отделения «Вологодские электрические сети» филиала ПАО «МРСК Северо-Запада» «Вологдаэнерго» Циберному Ю. П. и заведующему кафедрой электрооборудования Липецкого государственного технического университета доктору технических наук, профессору Шпигановичу А. Н.
Отзывы и предложения просим направлять по адресу:
                 160000, г. Вологда, ул. Ленина, 15, ВоГУ, кафедра электрооборудования.


5

                ГЛАВА1.
                КАНАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ




    Электрической сетью называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электроэнергии на определенной территории, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, аппаратуры защиты и управления.
    Канализация электроэнергии в системах электроснабжения осуществляется: воздушными линиями, кабельными линиями, токопроводами, электропроводками.

1.1 Воздушные линии

    Воздушные линии - устройства для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенные на открытом воздухе и прикрепленные при помощи изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам, стойкам на зданиях и инженерных сооружениях (мостах, путепроводах, эстакадах и т. п.).
    Основными элементами воздушных линий напряжением до и выше 1 кВ являются провода, изоляторы, линейная арматура, опоры и фундаменты.
    По количеству цепей ВЛ делят на одно-, двух- и многоцепные. Количество цепей определяется схемой электроснабжения и необходимостью ее резервирования. Если по схеме электроснабжения требуются две цепи, то эти цепи могут быть подвешены на двух отдельных одноцепных ВЛ с одноцепными опорами или на одной двухцепной ВЛ с двухцепными опорами. Расстояние между соседними опорами называется пролетом.
    Для воздушных линий напряжением до 1 кВ могут применяться следующие виды опор:
    1.    Промежуточные опоры, устанавливаемые на прямых участках трассы ВЛ.
    2.    Анкерные опоры, устанавливаемые на пересечениях с различными сооружениями, а также в местах изменения количества, марок и сечений проводов.
    3.    Угловые опоры, устанавливаемые в местах изменения направления трассы ВЛ.
    4.    Концевые опоры, устанавливаемые в начале и конце ВЛ, а также в местах, ограничивающих кабельные вставки.
    5.    Ответвительные опоры, на которых выполняются ответвления от ВЛ.
    6.    Перекрестные опоры, на которых выполняется пересечение ВЛ двух направлений.
    Опоры ВЛ напряжением выше 1 кВ разделяются на два основных типа: анкерные опоры и промежуточные.
    По роду материала различают деревянные, стальные и железобетонные опоры.


6

    Деревянные опоры применяются в странах, располагающих лесными запасами. Достоинствами дерева как материала для опор являются: небольшой удельный вес, высокая механическая прочность, хорошие электроизоляционные свойства, природный круглый сортамент, обеспечивающий простые конструкции. Недостатком древесины является ее гниение, для уменьшения кото

рого применяют антисептики.
    Для ВЛ напряжением 20 и 35 кВ целесообразно применять одностоечные «свечеобразные» опоры с треугольным расположением проводов. Стойку опоры выполняют составной: верхнюю часть (собственно стойку) - из бревен, а нижнюю часть (так называемый «пасынок») - из железобетона сечением 20*20 см. Составные опоры с железобетонным пасынком сочетают в себе преимущества железобетонных и деревянных опор: грозоустойчивость и сопро

тивляемость гниению в месте касания с грунтом.

Рисунок 1.1 - Конструкция стальной одноцепной промежуточной опоры напряжением 35 кВ

    Железобетонные опоры по сравнению с металлическими более долговечны и экономичны в эксплуатации, так как требуют меньше ухода и ремонта. Основное преимущество - уменьшение расхода стали на 40-75%, недостаток - большая масса.
    По способу изготовления железобетонные опоры делят на: а) бетонируемые на месте установки (большей частью такие опоры применяют за рубежом); б) заводского изготовления.
    Стальные опоры широко применяют на ВЛ напряжением 35 кВ и выше. По конструктивному исполнению стальные опоры могут быть двух видов: а) башенные или одностоечные; б) портальные.
    Достоинством стальных опор является их высокая прочность, недостатком - подверженность коррозии, что требует при эксплуатации проведения периодической окраски или нанесения антикоррозийного покрытия.

    Конструкция стальной одноцепной промежуточной опоры напряжением 35 кВ представлена на рис. 1.1 (размеры приведены в метрах).
    Провода воздушных линий выполняют неизолированными, состоящими из одной или нескольких свитых проволок. Провода из одной проволоки, называ

емые однопроволочными, имеют меньшую прочность и применяют только на ВЛ напряжением до 1 кВ.
    Многопроволочные провода, свитые из нескольких проволок, применяют на ВЛ всех напряжений.

7

    Материалы проводов и тросов должны удовлетворять следующим основным требованиям:
    1)     иметь высокую электрическую проводимость ( наибольшую имеет медь, затем бронза и алюминий, сталь имеет более низкую электрическую проводимость);
    2)     обладать достаточной прочностью; стальная проволока имеет предел прочности 65-70 (до 120), медная - 39, алюминиевая - 15-16 кг/мм²;
    3)     выдерживать атмосферные воздействия (в этом отношении наибольшей стойкостью обладают медные и бронзовые провода; провода из алюминия подвержены коррозии, особенно на морских побережьях, где в воздухе содержатся соли; стальные провода разрушаются даже в нормальных атмосферных условиях, поэтому их оцинковывают).
    Медь как материал для проводов ВЛ является дорогим и дефицитным материалом, поэтому основными материалами, используемыми для изготовления проводов, можно считать алюминий, сталь и их сплавы.
    Желание повысить механическую прочность привело к изготовлению алюминиевых проводов со стальным сердечником, называемых сталеалюминиевыми. Сердечник провода выполняется из одной или нескольких свитых стальных оцинкованных проволок. Алюминиевые проволоки, покрывающие стальной сердечник одним, двумя или тремя повивами, являются токоведущей частью провода. Электропроводность стального сердечника мала и поэтому не учитывается.
    Для ВЛ напряжением до 1 кВ применяют однопроволочные стальные провода диаметром не менее 4 и не более 5 мм. Ограничение нижнего предела обусловлено тем, что провода меньшего диаметра имеют недостаточную механическую прочность. Верхний предел ограничен из-за того, что изгибы однопроволочного провода большего диаметра могут вызвать в его внешних слоях такие остаточные деформации, которые снижают его механическую прочность.
    Многопроволочные провода, скрученные из нескольких проволок, обладают большой гибкостью, такие провода могут выполняться любым сечением. Диаметры отдельных проволок и их количество подбирают так, чтобы сумма поперечных сечений отдельных проволок дала требуемое общее сечение провода. Как правило, многопроволочные провода изготовляют из круглых проволок, причем в центре помещаются одна или несколько проволок одинакового диаметра.
    Провода и тросы изготовляют следующих марок: А - из алюминиевых проволок марки АТ (твердой неотожженной) или АМ (отожженной мягкой) сплавов АН, АЖ; АС, АСКС - из стального сердечника и алюминиевых проволок; ПС - из стальных проволок; ПСТ - из стальной оцинкованной проволоки.
    Сталеалюминевые провода изготавливаются следующих марок: АС; АСО (облегченной конструкции); АСУ (усиленной конструкции). Наиболее целесообразно применение проводов АСО.

8

    Например, А-50 обозначает: алюминиевый провод, сечение которого равно 50 мм².
    Номинальным сечением называется округленная величина фактического сечения провода.
    Принята следующая шкала номинальных сечений неизолированных проводов: 4, 6, 10, 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 185, 240, 300, 400, 500, 600, 700 мм².
    Для ЛЭП напряжением 110 кВ и выше минимальное сечение проводов по механической прочности -70 мм².
     Самонесущий изолированный провод (СИП) - тип провода, предназначенного для передачи и распределения электроэнергии в воздушных силовых и осветительных сетях напряжением от 0,6/1 кВ или до 35 кВ.
     Самонесущие изолированные провода в отличие от проводов неизолированных, имеют изолирующее полиэтиленовое покрытие на фазных проводах и, в зависимости от модификации, имеют или не имеют подобное покрытие на несущем нейтральном проводе. Кроме того, есть разновидность СИП без несущего провода, у которого все четыре провода изолированы. Все три системы СИП на сегодняшний день являются равноправными, поскольку они одинаково широко получили распространение в десятках стран.
     Преимущества СИП состоят в том, что при его использовании:
    1) не требуется заземление каждой опоры ВЛ;
    2) отсутствует риск схлестывания проводов;
    3) не происходит короткого замыкания во время дождя;
    4) не требуют монтажа дополнительных изоляторов и так далее;
    5) уменьшается ширина просеки; в городе требуется меньшая полоса отчуждения земли;
    6) применение СИП снижает эксплуатационные расходы до 80 %;
    7) затрудняется возможность незаконных подключений для кражи электроэнергии.
     На современном рынке, провод СИП представлен следующими классификациями:
    1) система с неизолированной несущей сталеалюминевой жилой (СИП-1);
    2) системы с изолированной несущей жилой (СИП-2);
    3) самонесущие изолированные конструкции (СИП-3, СИП-4, СИП-5).

    СИП-1 (рис. 1.2) довольно редко используют при монтаже ВЛ, т.к. у них достаточно высокая стоимость, низкая эффективность (технические характеристики) и их сложно монтировать. Провод данной марки конструктивно изготавливается из одного или трехжильного (при трехфазной системе электроснабжения) токоведущего проводника, который по всей протяженности линии окутывает неизолированную нейтраль.

9

СИП-2

Рисунок 1.2 - Конструкция самонесущего изолированного провода (СИП-1, СИП-2)

     СИП-2 (рис. 1.2) в отличии от СИП-1 имеет изоляцию абсолютно всех жил (в том числе и нейтрали). Провод СИП-2 также состоит из одного или четырех токоведущих фазных жил и одного изолированного нулевого проводника. Изоляция СИП-2 выполнена из сшитого полиэтилена (светостабилизированного).

Рисунок 1.3 - Конструкция самонесущего изолированного провода СИП-3

    СИП-3 (рис. 1.3) - это самонесущий изолированный провод, который способен передавать электроэнергию на большие расстояния.
    В данном проводе все жилы полностью изолированы, а крепление к опорам происходит с помощью специальных анкерных зажимов, которые надежно закрепляют нулевую несущую жилу. Провод СИП-3 состоит из 1 или 4 токоведущих проводников и предназначен для монтажа в высоковольтных линиях (до 20 кВ).
    Нулевая жила в СИП-3 состоит из нескольких десятков жил (в зависимости от сечения), скрученных вокруг центральной стальной проволоки.


10

     Основное достоинство данной конструкции от двух предыдущих - это более низкая стоимость, т.к. здесь не применяется именно сталеалюминевый сплав.
      Провод СИП-4 и СИП-5 практически не отличаются друг от друга, кроме материала изоляции. Изоляция фазных и нулевого проводника в СИП-4 изготавливается из термопластичный полиэтилен. Изоляция СИП-5 выполнена из светостабилизированного сшитого полиэтилена.
     Изолятор - устройство для подвешивания и изоляции проводов и кабелей на опорах ВЛ.
     Изоляторы изготавливаются из фарфора или закаленного стекла, т.е. из материалов высокой механической прочности и стойкости к атмосферным воздействиям. Изоляторы бывают двух типов: штыревые - для линий до 1 кВ и 6-35 кВ (на линиях 35 кВ они применяются редко - только для малых сечений: ШС-6, ШС-10, Ш-20, ШД-35); подвесные - для линий 35 кВ и выше (ПФ, ПС).
     Число изоляторов в гирлянде зависит от напряжения ЛЭП, материала опор и типа изоляторов (табл. 1.1). На деревянных и железобетонных опорах при напряжении 35 кВ берутся два подвесных изолятора в гирлянде, при напряжении 110 кВ - шесть изоляторов, при напряжении 220 кВ - двенадцать изоляторов. На металлических опорах берется на один - два изолятора больше.

Таблица 1.1
Число изоляторов в поддерживающих гирляндах на металлических и железобетонных опорах

   Тип    При напряжении, U, кВ     
изолятора 35   110   220  330  500 
ПФК-Б     3     7     14   20   -  
ПФ16-А    -     6     11   17  23  
ПФ20-А    -     -     10   14   20 
ПС 6-А    3     8     14   21   -  
ПС 12-А   -     7     12   17  25  
ПС 22-А   -     -     10   15  21  

     К линейной арматуре относятся все приспособления и детали, служащие для монтажа проводов электрической сети на изоляторах. В зависимости от назначения линейная арматура делится на: поддерживающую, натяжную, сцепную, соединительную.
    Поддерживающая арматура служит для крепления проводов и защитных тросов на промежуточных опорах.

11

Рисунок 1.4 - Конструкция штыревого изолятора на крюке для линии напряжением 10 кВ

Рисунок 1.5 - Конструкция поддерживающей гирлянды изоляторов:
1 - серьга; 2 - изолятор;
3 - ушко;
4 - поддерживающий зажим;
5 - провод

    На линиях напряжением 6—10 кВ провода закрепляются на штыревых изоляторах (рис.1.4) при помощи вязальной проволоки. Изоляторы 3 крепятся к опоре 1 посредством крюков 2, изготавливаемых из угловой стали. В связи с малой механической прочностью крюков они используются для монтажа проводов небольшого сечения. При монтаже линий из проводов больших сечений штыревые изоляторы крепятся на штырях, которые устанавливаются на траверсах.
    Крепление проводов на промежуточных опорах линий с напряжением 35 кВ и выше осуществляется при помощи гирлянд, собранных из подвесных изоляторов (рис.1.5). Провод 5 в этом случае закрепляется в поддерживающем зажиме 4, который соединяется с нижним изолятором гирлянды. Для крепления проводов применяется три типа поддерживающих зажимов: глухие, выпускающие и скользящие. В глухом зажиме провод закрепляется достаточно прочно, т.к. его проскальзывание исключается.
    Натяжные гирлянды находятся в более тяжелых условиях, чем поддерживающие. Поэтому на линиях до 110 кВ (при относительно небольшом числе изоляторов) число изоляторов в натяжных гирляндах применяют на один больше.
    В условиях эксплуатации на линии могут возникнуть односторонние тяжения проводов. Такие тяжения, в частности, возникают при обрыве проводов в одном из пролетов линии. В случае применения глухих поддерживавших зажимов при этом возникают значительные усилия, которые действуют на промежуточные опоры линии. Для уменьшения этих усилий применяются выпускающие зажимы. При отклонении гирлянды изоляторов под действием одностороннего тяжения на угол около 40о выпускающий зажим освобождает провод. Благодаря этому усилие, возникающее при одностороннем тяжении резко¹ уменьшается.

12