Проектирование подстанций распределительного электросетевого комплекса

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

С. Е. Кокин, С. А. Дмитриев

Проектирование подстанций 
распределительного 
электросетевого комплекса

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки
13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2018

УДК 621.311.4:621.316.1(075.8)
ББК 31.278-02я73+31.279-02я73
          К59
Рецензенты:
канд. техн. наук, замгендиректора по инвестиционной деятельности и развитию 
сети филиала ПАО «ФСК ЕЭС» — МЭС Урала А. А. Тараненко;
канд. техн. наук, замгендиректора ОАО «МРСК Урала», директор филиала «
Свердловэнерго» О. Б. Мошинский

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. А. А. Суворов

 
Кокин, С. Е.
К59    Проектирование подстанций распределительного электросетевого комплекса : 
учеб. пособие / С. Е. Кокин, С. А. Дмитриев. — Екатеринбург : 
Изд-во Урал. ун-та, 2018. — 192 с.

ISBN 978-5-7996-2351-7

В пособии рассмотрены вопросы выбора числа и мощности силовых трансфор-
маторов, схем электрических соединений, расчетов токов короткого замыкания, 
выбора коммутационных аппаратов и токоведущих частей, источников оператив-
ного тока, системы питания собственных нужд подстанций, конструктивного вы-
полнения подстанций, грозозащиты и заземления, а также систем мониторинга 
и диагностики технического состояния с позиций соответствия нормативно-тех-
ническим требованиям и дальнейшей эффективной эксплуатации объектов элек-
тросетевого комплекса.

Библиогр.: 25 назв. Табл. 26. Рис. 74. Прил. 9.

Учебное пособие разработано при поддержке базовой кафедры «Энергетика»  
УралЭНИН УрФУ, «МРСК Урала» и Екатеринбургской электросетевой компании.

УДК 621.311.4:621.316.1(075.8)
ББК 31.278-02я73+31.279-02я73

ISBN 978-5-7996-2351-7 
©Уральский федеральный
 
     университет, 2018

Оглавление

Список сокращений .................................................................................... 5

Введение ..................................................................................................... 7

1. Оборудование подстанции. Общие технические требования .................. 9

2. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы ................................14

2.1. Конструкция и принцип действия силовых трансформаторов ...14
2.2. Особенности автотрансформаторов .............................................25
2.3. Режим работы и нагрузочная способность трансформаторов .....28
2.4. Режимы работы автотрансформаторов .........................................36
2.5. Режим работы нейтрали трансформатора ....................................39
2.6. Выбор числа и мощности трансформаторов на подстанциях......43
2.7. Преобразование исходных графиков нагрузки ............................46
2.8. Расчет приведенных затрат ...........................................................48

3. Схемы электрических соединений распределительных 
     устройств подстанций............................................................................56

3.1. Общие сведения и определения ....................................................56
3.2. Классификация подстанций .........................................................57
3.3. Основные требования, предъявляемые к схемам .........................58
3.4. Выбор схем электрических соединений распределительных 
устройств ..............................................................................................59

4. Расчет токов короткого замыкания .......................................................65
Методы и средства ограничения токов к. з. ........................................67

5. Выбор электрических аппаратов и токоведущих частей ........................69

5.1. Выбор силовых выключателей и разъединителей ........................69
5.2. Измерения на электроэнергетических объектах ..........................74
5.3. Выбор измерительных трансформаторов .....................................76
5.4. Выбор токоведущих частей ...........................................................83

6. Собственные нужды подстанций ...........................................................94

6.1. Система оперативного постоянного тока .....................................96
6.2. Выбор аккумуляторной батареи ....................................................99

Оглавление

6.3. Классификация электроприемников собственных нужд ..........104
6.4. Схема питания электроприемников собственных нужд ............105
6.5. Выбор трансформаторов собственных нужд подстанций ..........109
6.6. Система заземления .....................................................................112

7. Конструктивное исполнение распределительных устройств ................115

7.1. Требования к распределительным устройствам .........................116
7.2. Классификация распределительных устройств .........................118
7.3. Конструкция ячеек комплектных распределительных 
        устройств 10(6) кВ .......................................................................123
7.4. Компоновка распределительных устройств ...............................127
7.5. Молниезащита и заземление .......................................................135

8. Мониторинг и диагностика оборудования подстанций ........................141

8.1. Диагностика состояния основного и вспомогательного 
        оборудования ...............................................................................141
8.2. Системы мониторинга параметров силового оборудования .....146

Список библиографических ссылок ........................................................150

Приложение 1. Алгоритмы выбора схем электрических 
                               соединений распределительных устройств .................153
Приложение 2. Методика расчета гибких проводников 
                               на электродинамическую стойкость ...........................155
Приложение 3. Номинальные параметры силовых трансформаторов ...163
Приложение 4. Номинальные параметры коммутационных аппаратов ..165
Приложение 5. Разрядные характеристики аккумуляторных 
                               батарей GroE ................................................................171
Приложение 6. Нормы максимальных допустимых 
                               систематических нагрузок трасформаторов................173
Приложение 7. Нормы максимальных допустимых аварийных 
                               перегрузок трансформаторов .......................................177
Приложение 8. Токоведущие части .......................................................181
Приложение 9. Комплектные трансформаторные подстанции ...........183

Список сокращений

АБ — аккумуляторная батарея;
АВ — автоматический выключатель;
АВР — автоматический ввод резерва;
АПВ — автоматическое повторное включение;
АСДУ — автоматизированная система диспетчерского управления;
АСУ ТП — автоматизированная система управления технологическим 
процессом;
БМ — блок мониторинга;
ВЛ — воздушная линия;
ВН — высшее напряжение;
ДГ — дизель-генератор;
ЗРУ — закрытое распределительное устройство;
к. з. — короткое замыкание;
КРУ — комплектное распределительное устройство;
КРУН — комплектное распределительное устройство наружного 
исполнения;
КРУЭ — комплектное распределительное устройство элегазовое;
КСО — камера сборная одностороннего обслуживания;
КТП — комплектная трансформаторная подстанция;
ЛЭП — линия электропередачи;
МДС — магнитодвижущая сила;
МНК — метод неразрушающего контроля;
МЭК — международная энергетическая комиссия;
НК — неразрушающий контроль;
НН — низшее напряжение;
ННТ — наиболее нагретая точка;
НТП — нормы технологического проектирования;
ОПН — ограничитель перенапряжения;
ОРУ — открытое распределительное устройство;

Список сокращений

ПА — противоаварийная автоматика;
ПС — подстанция;
РЗА — релейная защита и автоматика;
РПН — регулирование под нагрузкой;
РТСН — резервный трансформатор собственных нужд;
РУ — распределительное устройство;
СВ — секционный выключатель;
СМ — система мониторинга;
СН — среднее напряжение;
СОПТ — система оперативного постоянного тока;
ТСН — трансформатор собственных нужд;
ХАРГ — хроматографический анализ растворенных газов;
ЩСН — щит собственных нужд;
ЭДС — электродвижущая сила;
ЭЭС — электроэнергетическая система.

Введение

Р

ост производства и потребления электроэнергии сопровожда-
ется интенсивным развитием электросетевого комплекса, клю-
чевым звеном которого являются электрические подстанции.
Проектирование электрических подстанций (ПС) представляет 
собой сложный процесс выработки и принятия решений по составу 
электрооборудования, главным схемам электрических соединений, 
компоновкам и конструкциям распределительных устройств, обще-
системным средствам управления, включающим релейную защиту 
и автоматику (РЗА), противоаварийную автоматику (ПА), а также ав-
томатизированную систему диспетчерского управления (АСДУ), ав-
томатизированную информационно-измерительную систему коммер-
ческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ) и автоматизированную 
систему управления технологическим процессом (АСУ ТП), на со-
временной технологической базе [1]. При проектировании ПС следу-
ет обеспечить надежное и качественное электроснабжение потреби-
телей с внедрением передовых проектных решений, обеспечивающих 
высокий уровень технологических процессов, экономическую эффек-
тивность, экологическую безопасность и охрану окружающей среды, 
а также ремонтопригодность применяемого оборудования и конструк-
тивных элементов.
Проектирование ПС должно быть реализовано в рамках действу-
ющей нормативно-технической базы, включающей требования и ре-
комендации «Правил устройства электроустановок» [2], «Методиче-
ских рекомендаций по проектированию развития энергосистем» [3], 
а также прочих отраслевых норм и инструкций по развитию электро-
сетевого комплекса.
В распределительном сетевом комплексе строительство новой ПС 
или техническое перевооружение действующего энергообъекта долж-
но быть направлено на удовлетворение требований внешнего элек-

Введение

троснабжения потребителей электроэнергии (групп потребителей), 
оптимизацию работы электрической сети за счет обеспечения усло-
вий регулирования напряжения в нормальных и расчетных послеава-
рийных режимах работы электрической сети, в том числе установку 
трансформаторов с РПН и др. [3], исключение перегруженных участ-
ков электрической сети для снижения потерь электроэнергии, огра-
ничение токов короткого замыкания (к. з.).
Новые и реконструируемые ПС напряжением 110 кВ и выше ре-
комендуется оборудовать системами мониторинга и диагностики 
технического состояния силовых трансформаторов, шунтирующих 
реакторов, элегазовых распределительных устройств (РУ), маслона-
полненных вводов и др.
В данном учебном пособии приведены методики выбора силовых 
трансформаторов и главных схем электрических соединений, соответ-
ствующие типовым решениям. Приведены рекомендации для расчета 
токов короткого замыкания, рассмотрены вопросы выбора аппарату-
ры и токоведущих частей, компоновки и конструктивных особенно-
стей РУ различного класса напряжения, уделено внимание вопросам 
собственных нужд и оперативного тока ПС. Кроме того, учебное посо-
бие содержит справочные материалы, необходимые для выбора и обо-
снования основного электрооборудования ПС.

1. Оборудование подстанции.  
Общие технические требования

П

одстанция — электроустановка, предназначенная для прие-
ма, преобразования и распределения электрической энергии, 
состоящая из силовых трансформаторов или других преоб-
разователей электрической энергии, устройств управления, распреде-
лительных и вспомогательных устройств [4].
Распределительное устройство (РУ) — электроустановка, предна-
значенная для приема и распределения электроэнергии на одном на-
пряжении и содержащая коммутационные аппараты и соединяющие 
их сборные шины (секции сборных шин), устройства управления и за-
щиты. Следует отметить, что к устройствам управления относятся ап-
параты и связывающие их элементы, обеспечивающие контроль, из-
мерение, сигнализацию и выполнение команд [4].
Основным назначением РУ является обеспечение связности эле-
ментов электрической сети в различных режимах работы. К внешним 
присоединениям РУ относятся линии электропередачи (ЛЭП) соот-
ветствующего класса напряжения, силовые трансформаторы (авто-
трансформаторы), а также генерирующее оборудование (генераторы 
и блоки «генератор — трансформатор»).
Все внутренние элементы РУ подразделяются на схемообразующие 
и вспомогательные. К первой категории относятся те элементы, которые 
оказывают непосредственное влияние на процесс передачи и распре-
деления электрической энергии, на связность присоединений — ком-
мутационные аппараты, включая силовые выключатели, выключатели 
нагрузки и разъединители, а также токоведущие части. К вспомогатель-
ным элементам относятся измерительные трансформаторы тока и на-
пряжения и ограничители перенапряжения или разрядники.

1. Оборудование подстанции. Общие технические требования 

Все оборудование, принятое к установке на новых и реконструиру-
емых ПС, должно соответствовать типовым техническим требовани-
ям, определяющим условия эксплуатации, номинальные параметры 
и характеристики, требования к материалам, конструкции, надежности, 
безопасности и экологичности, нормирующим комплект поставки, 
маркировку, упаковку, транспортирование, хранение и сервисное 
обслуживание.
Условия эксплуатации оборудования определяются следующими 
показателями:
1) номинальное и наибольшее рабочее напряжение сети;
2) высота установки над уровнем моря;
3) климатическое исполнение;
4) категория размещения;
5) верхнее и нижнее рабочие значения температуры окружающего 
воздуха.
Номинальное и наибольшее рабочее напряжение сети нормируются 
ГОСТ 15163–96 в зависимости от класса напряжения сети. Под 
классом напряжения электрооборудования понимается номинальное 
междуфазное напряжение электрической сети, для работы в которой 
предназначено электрооборудование. Согласно ГОСТ Р 55195–2012 
[5] установлены следующие рабочие напряжения (табл. 1.1).
Приведенные в табл. 1.1 значения напряжений определены для 
электроустановок, расположенных на высоте до 1000 м над уровнем 
моря.
Таблица 1.1
Классы напряжения электрооборудования

Класс напряжения 
элек-
трооборудо-
вания

Наибольшее 
рабочее напряжение 
электрооборудования


Номинальное напряжение 
электрической 
сети

Наибольшее длительно допускаемое 
рабочее напряжение 
в электрической сети

1
1,1
1,0
1,1

3
3,6
3,0
3,5
3,15
3,5
3,3
3,6

6
7,2
6,0
6,9
6,6
7,2

10
12,0
10,0
11,5
11,0
12,0

Климатическое исполнение

Класс напряжения 
элек-
трооборудо-
вания

Наибольшее 
рабочее напряжение 
электрооборудования


Номинальное напряжение 
электрической 
сети

Наибольшее длительно допускаемое 
рабочее напряжение 
в электрической сети

15
17,5
13,8
15,2
15,0
17,5
15,75
17,5

20
24,0
18,0
19,8
20,0
23,0
22,0
24,0
24
26,5
24,0
26,5
27
30,0
27,0
30,0
35
40,5
35,0
40,5
110
126,0
110,0
126,0
150
172,0
150,0
172,0
220
252,0
220,0
252,0
330
363,0
330,0
363,0
500
525,0
500,0
525,0
750
787,0
750,0
787,0

Климатическое исполнение и категория размещения узлов оборудования 
и аппаратов нормируются ГОСТ 15150–69 [6]. Климатические 
исполнения приведены в табл. 1.2. 
Таблица 1.2
Климатическое исполнение

Климатическое исполнение

Обозначение
Средние температуры 

из ежегодных 
экстремальных 
среднесуточных, °
C

Среднегодовая 
относительная 

влажность, % 
при среднегодовой 

температуре, °
C

Буквенное

Цифровое

Русское


Ла-
тин-
ское
Макс.
Мин.

1
2
3
4
5
6
7
Для эксплуатации на суше, реках и озерах
С умеренным климатом
У
N
0
+38
–40
75/+15
С умеренным и холодным климатом
УХЛ
NF
1
+38
–55
75/+15
С холодным климатом
ХЛ
F
1
+33
–55
85/–6
С влажным и тропическим климатом
ТВ
TH
2
+35
–12
80/+27

Окончание табл. 1.1