Электрические подстанции

Ю. Д. Сибикин 

Электрические подстанции 

Учебное пособие 

Издание третье, стеретипное

Москва
Берлин 
2020

УДК 621.311(075) 
ББК 31.277я7 
 С 34 

  Сибикин Ю. Д. 
С 34     Электрические подстанции. Учебное пособие для высшего

  и среднего профессионального образования. – Изд. 3-е, стер.–
Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2020. – 414 с.

ISBN 978-5-4499-0767-7 

Приведены общие сведения о режимах работы электрических 
систем и подстанций; приведены методы расчета токов КЗ и выбора 
элекгрооборудования подстанций и электросетей, дана классификация подстанций, рассмотрены конструкции трансформаторов РУ, 
аппаратов ВН и НН подстанций, вопросы их релейной зашиты, требования ПУЭ и ПТЭ к устройству и эксплуатации подстанций.  
Пособие предназначено для студентов специальностей 140205 и 
140211, изучающих СДОЗ, а также может быть полезным студентам 
среднего профобразования, мастерам и инженерам-электрикам, повышающим свой технический уровень без отрыва от производства.  

УДК 621.311(075) 
ББК 31.277я7 

ISBN 978-5-4499-0767-7 

© Сибикин Ю. Д., текст, 2020 
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Основные сокращения
7

Введение
9

Глава I 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЖИМАХ РАБОТЫ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ПОДСТАНЦИЙ 

1.1. Источники электрической энергии и ее распределение 
на объектах абонентов
12
1.2. Основные параметры качества электрической энергии
16
1.3. Режимы работы электрических систем и подстанций
17
1.4. Основные положения методики расчета установившихся 
режимов электросистемы
20
1.5. Управление режимами и развитием электрических систем . . 
22 
1.6. Режимы работы нейтралей электрических систем 
и установок
24

Глава II 

ОСНОВНОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ 

2.1. Синхронные генераторы
35
2.2. Шинные конструкции и изоляторы
38
2.3. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы
41
2.4. 
Конструкторско-технологические особенности трансформаторов ЗАО «Электрощит»
52
2.5. 
Классификация электрических аппаратов и распределительных устройств высокого напряжения
55
2.6. 
Конструктивное исполнение выключателей высокого 
напряжения
60
2.7. 
Конструктивное исполнение разъединителей, отделителей, 
короткозамыкателей и заземлителей
69
2.8. Конструктивное исполнение выключателей нагрузки, 
предохранителей, разрядников, реакторов
75
2.9. Конструктивное исполнение измерительных 
трансформаторов
81

Глава III 

НОВОЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 
ДЛЯ ЭЛЕКТРО-ПОДСТАНЦИЙ ИМПОРТНОГО 
И ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА 
СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ 

3.1. Сухие трансформаторы с литой изоляцией
90
3.2. Высоковольтные коммутационные аппараты для РУ
93
3.3. Реклоузер вакуумный
105
3.4. Литые токопроводы внутреннего и наружного 
применения
108
3.5. Сухие токоограничивающие реакторы
112

Глава IV 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1000 В 

4.1. Основные понятия и определения
117

4.2. Конструктивное выполнение электрических сетей
118
4.3. Расчет электрических сетей
128
4.4. Определение потерь электрической мощности 
и электроэнергии
135
4.5. 
Выбор сечений проводов и жил кабелей
139

Глава V 

ПОДСТАНЦИИ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 

5.1. Назначение и классификация подстанций
145
5.2. Схемы и основное электрооборудование главных 
понизительных подстанций
146
5.3. Конструкции подстанций на 6... 10/0,4...0,66 кВ
162
5.4. Распределительные устройства
179
5.5. 
Электрические измерения, контроль, управление 
и сигнализация на подстанциях
204
5.6. Выбор числа и мощности трансформаторов для пункта 
приема электроэнергии объекта
210

Глава VI 

СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТА 

6.1. Построение системы электроснабжения объекта
216
6.2. Виды схем электроснабжения
219
6.3. 
Выбор числа и мощности цеховых трансформаторных 
подстанций
224

6.4. Компенсация реактивной мощности
226
6.5. Конструктивные особенности электрических подстанций 
нефтяной и газовой отраслей промышленности
230

Глава VII 

ТОКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ. ВЫБОР И ПРОВЕРКА 
ТОКОВЕДУЩИХ ЧАСТЕЙ, ИЗОЛЯТОРОВ И АППАРАТОВ 

7.1. 
Изменение силы тока в трехфазной цепи при коротком 
замыкании
241
7.2. Расчет силы токов короткого замыкания
244
7.3. Действие токов короткого замыкания и способы 
ограничения их силы
260
7.4. Выбор и проверка токоведущих частей, изоляторов 
и аппаратов
265

Глава VIII 

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ПОДСТАНЦИЙ 

8.1. Общие вопросы релейной защиты
274

8.2. 
Классификация реле
276
8.3. Конструкция вторичных реле
278
8.4. Токовая защита
287
8.5. Схемы защиты силовых трансформаторов и сетей 
отходящих от подстанций
293
8.6. Автоматика в системах трансформаторных подстанций
301
8.7. Сведения об источниках оперативного тока 
электрических подстанций
311

Глава IX 

КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 
(АППАРАТОВ И УСТРОЙСТВ), НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДСТАНЦИЙ 

9.1. Конструкции сетей напряжением до 1000 В, отходящих 
от подстанций
315
9.2. Схемы электрических сетей напряжением до 1000 В
318
9.3. Конструкция аппаратов защиты электрических сетей 
и установок напряжением до 1000 В
321
9.4. 
Низковольтные комплектные распределительные устройства 
трансформаторных подстанций
330
9.5. 
Методические рекомендации по технико-экономическому 
обоснованию проекта электроподстанции
334

Глава X 

ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ И ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА 

10.1. Защитное заземление
340
10.2. Классификация систем заземления
344
Ю.З.Зануление
348
10.4. Конструктивное выполнение и расчет заземляющих 
устройств
350

Глава XI 

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПУЭ И ПТЭ 
ПРИ СООРУЖЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 
ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ 

11.1. Размещение электротехнических сооружений 
на территории подстанций
358
11.2. Правила сооружения распределительных устройств
359
11.3. Требования к установке трансформаторов
364
11.4. Масляное и ремонтное хозяйство электроподстанций
367
11.5. Надзор и уход за трансформаторами
369

Приложения
372

Приложение 
I. Трансформаторы 
и автотрансформаторы
372

Приложение 
2. Концевые муфты для кабелей, не 
распространяющих горение на напряжение 
I...10 кВ
383

Приложение 
3. Соединительные 
муфты для кабелей не распространяющих 
горение на напряжение 
1 ...10 кВ
385

Приложение 
4. Принципиальные 
однолинейные 
схемы 
главных 

цепей шкафов КРУ серии КРУ2-10-20УЗ
389

Приложение 
5. Основные технические 
показатели 
КРУ
391

Приложение 
6. Однолинейные 
схемы главных цепей ЩО-70
393

Библиографический список рекомендуемой литературы
412

О С Н О В Н Ы Е 
С О К Р А Щ Е Н И Я 

АВР 
— автоматическое включение резерва 
АПВ 
— автоматическое повторное включение 
ВБК 
— высоковольтные батареи конденсаторов 
ВЛ 
— воздушная линия 
ВН 
— высшее напряжение 
г п п 
— главная понизительная подстанция 
ЗРУ 
— закрытое распределительное устройство 
и п 
— источник питания 
и с 
— источник света 
КЗ 
— короткое замыкание 
к л э п 
— кабельная линия электропередачи 
к п д 
— коэффициент полезного действия 
КРУ 
— комплектное распределительное устройство 
к с о 
— камера стационарная одностороннего обслуживания 
к т п 
— комплектная трансформаторная подстанция 
л э п 
— линия электропередачи 
ОРУ 
— открытое распределительное устройство 
ПАР 
— послеаварийный режим 
п в 
— продолжительность включения 
п г в 
— подстанция глубокого ввода 
п к н 
— предохранитель кварцевый для защиты трансформаторов напряжения 
ПУЭ 
— правила устройства электроустановок 
РП 
— распределительный пункт, или распределительная 
подстанция 
РУ 
— распределительное устройство 
РУНН 
— распределительное устройство низкого напряжения 
РШ 
— распределительный шкаф 
СУВН — соединительное устройство со стороны высшего 
напряжения 
СУНН — соединительное устройство со стороны низшего 
напряжения 
ТАВР 
— тиристорное устройство автоматического 
ввода 
резерва 
т п 
— трансформаторная подстанция 
ТЭР 
— технико-экономический расчет 

Основные сокращения 

УВН 
— устройство ввода со стороны высшего напряжения 
ц э н 
— центр электрических нагрузок 
ШБР 
— шкафы блочно-релейные 
ШВВ 
— шкафы ввода высокого напряжения 
ш л 
— шкафы линейные 
ШМА 
— шинопровод магистральный алюминиевый 
ШР 
— шкафы релейные 
ШРА 
— шинопровод распределительный алюминиевый 
ШС 
— шкафы секционные 
ЩСУ 
— щитовая станция управления 
э д 
— электродвигатель 
э д с 
— электродвижущая сила 
э п 
— приемник электрической энергии 
ЭУ 
— электроустановка 
э э 
— электрическая энергия 
э н с 
— энергетическая система 

В В Е Д Е Н И Е 

Развитие и усложнение конструкций электроподстанций, 
возрастающие требования к их надежности и экономичности, 
широкое внедрение автоматизированных систем учета, контроля и управления распределением и потреблением электроэнергии требуют высококвалифицированных инженеров-электриков. 
Стратегия развития Единой национальной (общероссийской) электрической сети (ЕНЭС) на десятилетний период, 
разработанная ФСК ЕЭС предусматривает масштабную замену морально и физически устаревшего электрооборудования 
(износ сетей ФСК в целом составляет 41%, в том числе подстанционного оборудования — 65%, ЛЭП — 36%, зданий 
и сооружений — 23,2%). При этом сетевое хозяйство Российской Федерации характеризуется следующими данными: 
-Ф общая протяженность воздушных линий электропередачи 
0,38... 1150 кВ составляет 3 млн. км., в том числе напряжением 220... 150 кВ — 156,9 тыс. км; 
•ф- протяженность воздушных и кабельных линий 0,38... 110 кВ 
в стране составляет более 3 млн. км, в том числе входящих 
в ЕНЭС (в основном напряжением 220 кВ и выше), превышает 154 тыс. км; 
-ф- количество подстанций 35... 1150 кВ составляет порядка 
18 тыс. штук, установленная мощность трансформаторов — 
610 тыс. М В А , в том числе напряжением 220...750 кВ — 
326 тыс. МВ А; 

•Ф- в распределительных электрических сетях действует около 
17000 подстанций 35... 110/6... 10 кВ, а также около 800 000 
ТП 6-10/0,4 кВ (мощностью до 630 кВ А) с установленной 
мощностью силовых трансформаторов около 180 тыс. MB-А; 
-Ф- в эксплуатации находится более 1,5 млн. комплектов 
устройств релейной защиты и электроавтоматики. 
При выборе видов новой техники и технологий необходим учет имеющегося опыта передовых зарубежных стран, 
возможностей отечественной промышленности и строитель

Введение 

ных организаций. К намеченным к внедрению прогрессивным 
электросетевым технологиям отнесены: гибкие (управляемые) 
системы передачи электроэнергии (FACTS) с использованием 
статических тиристорных компенсаторов (СТАТКОМ), управляемых шунтирующих реакторов и систем их управления 
на базе микропроцессорной техники; использование явления 
«высокотемпературной» и «низкотемпературной» сверхпроводимости; накопители электрической энергии; полностью автоматизированные подстанции с дистанционным управлением 
коммутационными аппаратами; силовые трансформаторы, обладающие повышенной стойкостью к токам короткого замыкания; элегазовые выключатели; элегазовые комплектные распределительные устройства (КРУЭ) и др. 

В этих условиях от будущих ИТР, специализирующихся 
в области электроснабжения, требуются знания широкого комплекса вопросов в сферах производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии. 
При проектировании электрических подстанций проявляется взаимное влияние многих факторов: выбор силовых 
трансформаторов, компенсация реактивной мощности и т. д., 
влияет на качество электроэнергии, надежность и экономичность работы электроподстанции; из многообразия возможных технических решений должны быть получены оптимальные или близкие к ним, что можно сделать только в процессе 
творческой работы. 
Решению многих из указанных задач будет способствовать 
материал сконцентрированный в книге. 
В данном пособии в соответствии с программой специальной дисциплины СДОЗ изложены общие сведения о режимах работы электрических систем и подстанций, приведена 
классификация трансформаторных подстанций; рассмотрены 
действия токов короткого замыкания на оборудование; даны 
методики расчета токов короткого замыкания в электроустановках напряжением до и выше 1000 В; приведены способы 
ограничения токов короткого замыкания, основные сведения 
о трансформаторах, их типах и параметрах, изоляторах и токоведущих частях распределительных устройств; коммутационном и защитном оборудовании распределительных устройств; 
конструкции и принципах действия трансформаторных под

Введение 
11 

станций; схемах подстанций со вторичным напряжением до и 
выше 1000 В; распределительных устройствах; расчетах мощности подстанции и выбора силовых трансформаторов, основного оборудования и токоведущих частей распределительных 
устройств; релейной защите и автоматики; заземляющих и защитных устройствах, собственных нуждах подстанций; особенностях электрических подстанций по некоторым отраслям. 

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 140205 и 140211 и может быть полезно ИТР, повышающим свой технический уровень на производстве. 
Автор надеется, что данное пособие поможет развить 
творческие способности будущих инженеров-электриков указанных выше специальностей. 

Гл а в а 
I 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЖИМАХ 
РАБОТЫ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ПОДСТАНЦИЙ 

1.1. Источники электрической энергии 
и ее распределение на объектах абонентов 

Питание электрической энергией потребителей промышленности, коммунального и сельского хозяйства осуществляется от сетей энергосистем или от собственных местных 
электрических станций. 
Потребители с большой установленной мощностью электрифицированных механизмов, например, 
металлургические 
и машиностроительные предприятия; перекачивающие насосные станции магистральных трубопроводов, комплекс установок нефтяных промыслов, как правило, питаются от энергосистем. 
Энергетической 
системой 
(ЭС) называют совокупность 
электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных в одно целое общностью режима и 
непрерывностью 
процесса 
производства 
и 
распределения 
электрической и тепловой энергии. 
Часть энергосистемы, содержащую только электрические 
устройства — генераторы, распределительные 
устройства, 
трансформаторные подстанции, линии электрической 
сети 
и присоединенные к энергосистеме приемники электроэнергии — называют электрической 
системой. 
Российская электроэнергетика — это 600 тепловых, 100 
гидравлических, 
10 
атомных 
электростанций. 
Их 
общая 
установленная мощность превышает 216 млн кВт. В том числе 22,7 
млн кВт (около 11%) — АЭС; 45,3 млн кВт (20%) — ГЭС; 148 млн 
кВТ (около 69%) — ТЭС, из которых

/./. Источники электрической энергии 
13 

8,9 млн кВт — дизельные, работающие на собственную 
нагрузку. 
На ТЭС России находится в эксплуатации 250 энергоблоков обшей установленной мощностью 71,8 млн кВт или 
50% от установленной мощности всех ТЭС, работающих на 
органическом топливе. 
Сведения о крупнейших ТЭС приведены в табл. 1.1. 

Т а б л и ц а 
1.1 

Крупнейшие тепловые электростанции России 
мощностью более 2000 МВт 

Параметры 

Электростанция 
Установленная мощность, МВт 

Количество и 
мощность агрегатов, 
шт. х МВт 

Топливо 

Год ввода 
в эксплуатацию 

Сургутская-2 
4800 
6X800 
Газ 
1988 

Рефтинская 
3800 
6X300; 4x500 
Уголь 
1980 

Костромская 
3600 
8x300; 1x1200 
Мазут 
1980 

Сургутская-1 
3324 
2x12; 2x180; 14x210 
Газ 
1986 

Рязанская 
2800 
4x300; 2x800 
Мазут 
1981 

Троицкая 
2455 
3x85; 4x300; 2x500 
Уголь 
1976 

Ставропольская 
2400 
8x300 
Газ, мазут 
1983 

Заинская 
2400 
12x200 
Газ, мазут 
1975 

Конаковская 
2400 
8x300 
Мазут 
1969 

Новочеркасская 
2400 
8X300 
Газ, мазут, 
уголь 
1972 

Ириклинская 
2400 
8x300 
Газ, мазут 
1979 

Пермская 
2400 
3x800 
Мазут, газ 
1990 

Киришская 
2020 
2x50; 2x60; 6x300 
Мазут 
1976 

Районные 
сети, предназначенные для питания электроэнергией больших районов, связывают электростанции электросистемы (ЭС) между собой и с центрами нагрузок и имеют 
напряжение 110 кВ и выше (рис. 1.1). 
Местные 
сети предназначены для питания 
небольших 
районов с радиусом действия до 15...20 км и напряжением до 
35 кВ включительно. Линии передачи напряжением 220... 1150 кВ, 
связывающие между собой электрические системы, принято 
называть межсистемными связями [1]. 

Глава I. Общие сведения о режимах работы 

Районная сеть 
Местные сети 

Рис. 1.1. Схема районной и местных электрических сетей электрической системы 

Линии местных сетей присоединяются к распределительным устройствам генераторного напряжения электростанций 
(6... 10 кВ) или к распределительным устройствам подстанций напряжением до 35 кВ, называемым центрами 
питания 
(ЦП). От ЦП электроэнергия подводится к 
распределительным пунктам (РП), от которых она поступает к электроустановкам потребителей без изменения напряжения или к трансформаторным 
подстанциям 
(ТП), понижающим напряжение 
перед ее распределением между отдельными потребителями. 
Линия передачи, по которой электроэнергия передается от 
ЦП к РП или подстанции без распределения этой энергии по 
ее длине, называется питающей, а линия передачи, на которой 
имеется несколько мест отбора энергии по длине (несколько 
ТП или вводов к потребителям), — 
распредечительной. 
Сети напряжением до 1000 В, прокладываемые непосредственно на территории (и в зданиях) потребителей, подразделяют на питающие, 
отходящие от источника питания (подстанции) к групповому распределительному пункту, и распределительные [2]. 
Та часть электрической системы, которая распределяет 
подведенную 
от 
электростанций 
электрическую 
энергию 
внутри предприятия и потребляет ее, т. е. преобразует электроэнергию в энергию других видов (тепловую, механическую, 
световую, химическую) называется системой 
электроснабжения (СЭС). Система электроснабжения включает источники