Современные электрические подстанции

СОВРЕМЕННЫЕ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ 
ПОДСТАНЦИИ

Ю.Д. СИБИКИН

2-е издание, дополненное

Москва
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано 
Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика 
и электротехника» (квалификация (степень) «бакалавр») 
(протокол № 6 от 08.06.2022)

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.26я73
 
С34

Сибикин Ю.Д.
С34  
Современные электрические подстанции : учебное пособие / 
Ю.Д. Сибикин. — 2-е изд., доп. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 417 с. — 
(Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1861116.

ISBN 978-5-16-017560-7 (print)
ISBN 978-5-16-110084-4 (online)
В учебном пособии приведены общие сведения о режимах работы электрических 
систем и подстанций, методы расчета токов короткого замыкания 
и выбора электро оборудования подстанций и электросетей, дана классификация 
подстанций, рассмотрены конструкции трансформаторов ручного 
управления, аппаратов высокого напряжения и низкого напряжения 
подстанций, вопросы их релейной защиты, требования правил устройства 
электроустановок и правил технической эксплуатации к устройству и экс-
плуатации подстанций.
Предназначено для студентов направления подготовки 13.03.02 «Элект-
роэнергетика и электротехника», а также может быть полезным студентам 
среднего профессионального образования, мастерам и инженерам-электри-
кам, повышающим свой технический уровень без отрыва от производства.

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.26я73

Р е ц е н з е н т:
Атаров Н.З., доктор экономических наук, профессор, академик 
Российской академии естественных наук, заместитель генерального 
директора научно-исследовательского центра «Зарубежсхема»

ISBN 978-5-16-017560-7 (print)
ISBN 978-5-16-110084-4 (online)

© Сибикин Ю.Д., 2011
© Сибикин Ю.Д., 2022, 
с изменениями

С-1 <ч

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 ............................................................  
37

2.2. Шинные конструкции и изоляторы..........................................  
40

.3. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы ................  
43

.4. Конструкторско-технологические особенности трансформаторов ЗАО «Электрощит» .................................... 
 
54

2.5. Классификация электрических аппаратов и распределительных устройств высокого напряжения................................  
57

2.6. Конструктивное исполнение выключателей высокого

напряжения ..................................................................................  
62

2.7. Конструктивное исполнение разъединителей, отделителей,

короткозамыкателей и заземлителей........................................  
71

2.8. Конструктивное исполнение выключателей нагрузки,

предохранителей, разрядников, реакторов..............................  
77

2.9. Конструктивное исполнение измерительных

трансформаторов..........................................................................  
83

3

Глава III

НОВОЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 
ДЛЯ ЭЛЕКТРОПОДСТАНЦИЙ ИМПОРТНОГО 
И ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Глава III

ЗЛ. Сухие трансформаторы с литой изоляцией..............
3.2. Высоковольтные коммутационные аппараты для РУ
3.3. Реклоузер вакуумный..................................................
3.4. Литые токопроводы внутреннего и наружного

применения ..................................................................

3.5. Сухие токоограничивающие реакторы ......................
3.6. Элегазовые выключатели.............................................

92
95
107

110
114
118

Глава IV

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1000 В

4.1. Основные понятия и определения............................................  
120

4.2. Конструктивное выполнение электрических сетей................  
121

4.3. Расчет электрических сетей........................................................  
131

4.4. Определение потерь электрической мощности

и электроэнергии..........................................................................  
138

4.5. Выбор сечений проводов и жил кабелей..................................  
142

Глава V

ПОДСТАНЦИИ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

5.1. Назначение и классификация подстанций................................ 
148

5.2. Схемы и основное электрооборудование главных

понизительных подстанций........................................................  
149

5.3. Конструкции подстанций на 6 . . .  10/0,4...0,66 кВ ....................  
165

5.4. Распределительные устройства..................................................  
182

5.5. Электрические измерения, контроль, управление

и сигнализация на подстанциях................................................  
207

5.6. Выбор числа и мощности трансформаторов для пункта

приема электроэнергии объекта................................................  
213

Глава VI

СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТА

6.1. Построение системы электроснабжения объекта.................... 
219

6.2. Виды схем электроснабжения....................................................  
222

6.3. Выбор числа и мощности цеховых трансформаторных

подстанций....................................................................................  
227

4

6.4. Компенсация реактивной мощности........................................ 
229

6.5. Конструктивные особенности электрических подстанций

нефтяной и газовой отраслей промышленности.................... 
233

Глава VII

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

7.1. Изменение силы тока в трехфазной цепи при коротком

замыкании .................................................................................... 
244

7.2. Расчет силы токов короткого замыкания.................................... 
247

7.3. Действие токов короткого замыкания и способы

ограничения их силы ................................................................... 
263

7.4. Выбор и проверка токоведущих частей, изоляторов

и аппаратов....................................................................................  
268

Глава VIII

РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА ПОДСТАНЦИЙ

8.1. Общие вопросы релейной защиты............................................ 
277

8.2. Классификация реле.................................................................... 
279

8.3. Конструкция вторичных реле................................................ 
 
281

8.4. Токовая защ ита............................................................................  
290

8.5. Схемы защиты силовых трансформаторов и сетей,

отходящих от подстанций.......................................................... 
296

8.6. Автоматика в системах трансформаторных подстанций........ 
304

8.7. Сведения об источниках оперативного тока

электрических подстанций........................................................ 
314

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..............................................................................  
318

9.2. Схемы электрических сетей напряжением до 1000 В ............ 
321

9.3. Конструкция аппаратов защиты электрических сетей

и установок напряжением до 1000 В ........................................  
324

9.4. Низковольтные комплектные распределительные устройства

трансформаторных подстанций................................................  
333

9.5. Методические рекомендации по технико-экономическому

обоснованию проекта электроподстанции..............................  
337

5

Глава X

ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ И ЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА

10.1. Защитное заземление................................................................
10.2. Классификация систем заземления ........................................
10.3. Зануление....................................................................................
10.4. Конструктивное выполнение и расчет заземляющих

устройств ....................................................................................

Глава XI

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПУЭ И ПТЭ 
ПРИ СООРУЖЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ 
ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

11.1. Размещение электротехнических сооружений

на территории подстанций........................................................

11.2. Правила сооружения распределительных устройств............
11.3. Требования к установке трансформаторов............................
11.4. Масляное и ремонтное хозяйство электроподстанций........
11.5. Надзор и уход за трансформаторами......................................

Приложения ......................................................................................
Приложение 1. Трансформаторы и автотрансформаторы . . . .  
Приложение 2. Концевые муфты для кабелей, не распространяющих горение на напряжение 1 ...10 к В ...........................................
Приложение 3. Соединительные муфты для кабелей не распространяющих горение на напряжение 1 ...10 кВ...............................
Приложение 4. Принципиальные однолинейные схемы главных 
цепей шкафов КРУ серии КРУ2-10-20УЗ ....................................... ..
Приложение 5. Основные технические показатели К Р У ............
Приложение 6. Однолинейные схемы главных цепей ЩО-70 . . . .

Библиографический список..............................................................

343
347
351

353

361
362
367
370
372

375
375

386

388

390
394
396

415

6

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АВР 
— автоматическое включение резерва

АПВ 
— автоматическое повторное включение

ВБК 
— высоковольтные батареи конденсаторов

ВЛ 
— воздушная линия

ВН 
— высшее напряжение

ГПП 
— главная понизительная подстанция

ЗРУ 
— закрытое распределительное устройство

ИГТ 
— источник питания

ИС 
— источник света

КЗ 
—- короткое замыкание

КЛЭП — кабельная линия электропередачи
КПД 
— коэффициент полезного действия

КРУ 
— комплектное распределительное устройство

КСО 
— камера стационарная одностороннего обслуживания

КТП 
— комплектная трансформаторная подстанция

ЛЭП 
— линия электропередачи

ОРУ 
— открытое распределительное устройство

ПАР 
— послеаварийный режим

ПВ 
— продолжительность включения

ПГВ 
— подстанция глубокого ввода

ПКН 
— 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

ТП 
— трансформаторная подстанция

ТЭР 
— технико-экономический расчет

7

УВН 
— устройство ввода со стороны высшего напряжения

ЦЭН 
•— центр электрических, нагрузок

ШБР 
— шкафы блочно-релейные

ШВВ 
— шкафы ввода высокого напряжения

ШЛ 
— шкафы линейные

LUMA — шинопровод магистральный алюминиевый 
ШР 
— шкафы релейные

ШРА 
— шинопровод распределительный алюминиевый

ШС 
— шкафы секционные

ЩСУ 
— щитовая станция управления

ЭД 
— электродвигатель

ЭДС 
— электродвижущая сила

ЭП 
— приемник электрической энергии

ЭУ 
— электроустановка

ЭЭ 
— электрическая энергия

ЭНС 
— энергетическая система

8

ВВЕДЕНИЕ

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-элект- 
риков.

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:
4* общая протяженность воздушных линий электропередачи 
0,38... 1150 кВ составляет 3 млн. км., в том числе напряжением 220... 150 кВ — 156,9 тыс. км;

-у- 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. МВ-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-A) с установленной 
мощностью силовых трансформаторов около 180 тыс. МВ-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 строитель9

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 оптималь­
ные 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 под10

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-электоиков указанных выше специальностей.

В настоящее время подстанция, как у нас в России, так 
и за рубежом, представляет собой гибридный набор различных 
технологических устройств: системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), системы релейной защиты 
и противоаварийной автоматики (РЗ и ПА), системы обнаружения места повреждения (ОМП), автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учета 
(АИИС КУЭ), автоматизированные измерительные системы 
контроля над технологическими параметрами подстанции 
и др. Каждое из этих устройств получает от измерительных 
трансформаторов напряжения и трансформаторов тока аналоговые сигналы, преобразует их в цифровые, и, соответственно, 
каждое из этих устройств и систем уже работает на цифровых 
принципах. Долгое время передача информации от измерительных трансформаторов к указанным видам устройств, 
а также между устройствами осуществлялась в аналоговом 
виде, по кабелям с медными жилами. Перелом настал с введением серии стандартов МЭК 61850, предложившей способ передачи информации в цифровом виде. В настоящее время есть 
целая линейка цифровых измерительных трансформаторов, являющихся элементами первичного оборудования подстанции, 
созданы устройства релейной защиты, автоматики и учета, 
способные работать с данными полностью в цифровом виде. 
То есть, можно сказать, создается аппаратная платформа для 
цифровых подстанций.

11

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 
электрическая установленная мощность в 2009 г. составляла 
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,

12

из которых 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 аблица 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].

13

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..Л0 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), — распределительной.

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 электроснабэ1се- 
ния (СЭС). Система электроснабжения включает источники

14