Elektrisk transformatorstation
.PNG)
- Primära kraftledningars sida
- Sekundära kraftledningars sida
- Primära kraftledningar
- Jordledning
- Luftledningar
- Transformator för mätning av elektrisk spänning
- Koppla bort strömbrytaren
- Strömbrytare
- Strömtransformator
- Åskledare
- Huvudtransformator
- Kontrollbyggnad
- Säkerhetsstängsel
- Sekundära kraftledningar
En transformatorstation är en del av ett elproduktions- , transmissions- och distributionssystem . Transformatorstationer transformerar spänning från hög till låg, eller omvänt, eller utför någon av flera andra viktiga funktioner. Mellan elverk och förbrukare kan elkraft strömma genom flera transformatorstationer på olika spänningsnivåer. En transformatorstation kan innefatta transformatorer för att ändra spänningsnivåer mellan höga överföringsspänningar och lägre distributionsspänningar, eller vid sammankopplingen av två olika överföringsspänningar. De är en vanlig komponent i infrastrukturen, till exempel finns det 55 000 transformatorstationer i USA.
Transformatorstationer kan ägas och drivas av ett elverk, eller kan ägas av en stor industriell eller kommersiell kund. Generellt är transformatorstationer obevakade och förlitar sig på SCADA för fjärrövervakning och kontroll.
Ordet transformatorstation kommer från dagarna innan distributionssystemet blev ett nät . I takt med att centrala produktionsstationer blev större omvandlades mindre kraftverk till distributionsstationer som fick sin energi från en större anläggning istället för att använda sina egna generatorer. De första transformatorstationerna var kopplade till endast en kraftstation , där generatorerna var inrymda, och var dotterbolag till det kraftverket.
Typer
Transformatorstationer kan beskrivas genom deras spänningsklass, deras tillämpningar inom kraftsystemet, den metod som används för att isolera de flesta anslutningar och av stilen och materialen för de strukturer som används. Dessa kategorier är inte osammanhängande; till exempel, för att lösa ett speciellt problem, kan en överföringsstation innefatta betydande distributionsfunktioner.
Transmission transformatorstation
En överföringsstation förbinder två eller flera överföringsledningar. Det enklaste fallet är när alla transmissionsledningar har samma spänning. I sådana fall innehåller transformatorstationen högspänningsbrytare som gör att ledningar kan anslutas eller isoleras för felavhjälpning eller underhåll. En överföringsstation kan ha transformatorer för att konvertera mellan två överföringsspänningar, spänningskontroll / effektfaktorkorrigeringsanordningar såsom kondensatorer, reaktorer eller statiska VAR-kompensatorer och utrustning såsom fasskiftande transformatorer för att styra effektflödet mellan två intilliggande kraftsystem.
Transmissionsstationer kan variera från enkla till komplexa. En liten "växlingsstation" kan vara lite mer än en buss plus några strömbrytare . De största överföringsstationerna kan täcka ett stort område (flera tunnland/hektar) med flera spänningsnivåer, många strömbrytare och en stor mängd skydds- och styrutrustning ( spännings- och strömtransformatorer , reläer och SCADA -system). Moderna transformatorstationer kan implementeras med hjälp av internationella standarder såsom IEC Standard 61850 .
Distributionsstation
En distributionsstation överför kraft från transmissionssystemet till ett områdes distributionssystem. Det är oekonomiskt att direkt koppla elförbrukare till huvudnätet, såvida de inte använder stora mängder kraft, så distributionsstationen sänker spänningen till en nivå som lämpar sig för lokal distribution.
Insignalen för en distributionsunderstation är typiskt minst två överförings- eller undersändningsledningar. Inspänningen kan vara till exempel 115 kV, eller vad som är vanligt i området. Utgången är ett antal matare. Distributionsspänningar är vanligtvis medelspänningar, mellan 2,4 kV och 33 kV, beroende på storleken på det område som betjänas och det lokala verkets praxis. Matarna går längs gatorna ovanför (eller under jorden, i vissa fall) och driver distributionstransformatorerna vid eller nära kundens lokaler.
Förutom att transformera spänning, isolerar distributionsstationer även fel i antingen transmissions- eller distributionssystem. Distributionstransformatorstationer är typiskt punkterna för spänningsreglering , även om på långa distributionskretsar (på flera miles/kilometer) kan spänningsregleringsutrustning också installeras längs linjen.
De centrala områdena i stora städer har komplicerade distributionsstationer, med högspänningsomkoppling och kopplings- och backupsystem på lågspänningssidan. Mer typiska distributionsstationer har en switch, en transformator och minimala faciliteter på lågspänningssidan.
Samlarstation
I projekt för distribuerad produktion som en vindkraftspark eller solcellskraftverk kan en kollektorstation behövas. Den påminner om en distributionsstation även om kraftflödet är i motsatt riktning, från många vindkraftverk eller växelriktare upp i transmissionsnätet. Vanligtvis för konstruktionsekonomin fungerar kollektorsystemet runt 35 kV, även om vissa kollektorsystem är 12 kV, och kollektortransformatorstationen ökar spänningen till en överföringsspänning för nätet. Kollektorstationen kan också ge effektfaktorkorrigering om det behövs, mätning och styrning av vindkraftsparken. I vissa speciella fall kan en kollektorstation även innehålla en HVDC-omvandlarstation.
Samlarstationer finns också där flera termiska eller vattenkraftverk med jämförbar uteffekt finns i närheten. Exempel på sådana transformatorstationer är Brauweiler i Tyskland och Hradec i Tjeckien, där kraft samlas in från närliggande brunkolseldade kraftverk. Om inga transformatorer behövs för att öka spänningen till överföringsnivå är transformatorstationen en kopplingsstation.
Transformatorstationer
Transformatorstationer kan vara associerade med HVDC- omvandlaranläggningar, dragström eller sammankopplade icke-synkrona nätverk. Dessa stationer innehåller kraftelektroniska enheter för att ändra strömfrekvensen, eller konvertera från växelström till likström eller omvänt. Tidigare roterande omvandlare bytte frekvens för att koppla samman två system; numera är sådana transformatorstationer sällsynta.
Växlingsstation
En växelstation är en transformatorstation utan transformatorer som endast arbetar på en enda spänningsnivå. Växlingsstationer används ibland som uppsamlings- och distributionsstationer. Ibland används de för att byta ström till reservledningar eller för att parallellisera kretsar vid fel. Ett exempel är kopplingsstationerna för transmissionslinjen HVDC Inga–Shaba .
En växelstation kan också kallas ett ställverk, och dessa är vanligtvis belägna i direkt anslutning till eller i närheten av en kraftstation . I det här fallet levererar generatorerna från kraftverket sin ström till gården till generatorbussen på ena sidan av gården, och överföringsledningarna tar sin ström från en matarbuss på andra sidan gården.
En viktig funktion som utförs av en transformatorstation är omkoppling , vilket är att ansluta och koppla från transmissionsledningar eller andra komponenter till och från systemet. Byteshändelser kan vara planerade eller oplanerade. En transmissionsledning eller annan komponent kan behöva göras strömlös för underhåll eller för nybyggnation, till exempel för att lägga till eller ta bort en transmissionsledning eller en transformator. För att upprätthålla leveranssäkerheten strävar företag efter att hålla systemet igång samtidigt som de utför underhåll. Allt arbete som ska utföras, från rutintestning till att lägga till helt nya transformatorstationer, bör göras samtidigt som hela systemet hålls igång.
Ställverk vid Grand Coulee Dam , USA, 2006. Detta är ett 500 kV ställverk.
Tidigare högspänningsstation i Stuttgart, Tyskland, nu 110 kV växelstation. 220 kV-nivån elimineras för att förenkla nätet.
Oplanerade kopplingshändelser orsakas av ett fel i en transmissionsledning eller någon annan komponent, till exempel:
Växelstationens funktion är att isolera den felaktiga delen av systemet på kortast möjliga tid. Att strömlösa felaktig utrustning skyddar den från ytterligare skador, och att isolera ett fel hjälper till att hålla resten av elnätet i drift med stabilitet.
Järnvägar
Elektrifierade järnvägar använder också transformatorstationer, ofta distributionsstationer. I vissa fall sker en omvandling av strömtyp, vanligen med likriktare för likströmståg (DC), eller roterande omvandlare för tåg som använder växelström (AC) vid andra frekvenser än det allmänna nätet. Ibland är de också överföringsstationer eller samlarstationer om järnvägsnätet också driver sitt eget nät och generatorer för att försörja de andra stationerna.
Mobil understation
En mobil transformatorstation är en transformatorstation på hjul som innehåller en transformator, brytare och bussar monterade på en fristående semitrailer , avsedd att dras av en lastbil . De är designade för att vara kompakta för resor på allmänna vägar och används för tillfällig backup i tider av naturkatastrofer eller krig . Mobila transformatorstationer klassificeras vanligtvis mycket lägre än permanenta installationer och kan byggas i flera enheter för att möta begränsningar för vägtrafik.
Design
.jpg)
Element i en transformatorstation
Transformatorstationer har i allmänhet kopplings-, skydds- och styrutrustning och transformatorer. I en stor transformatorstation används strömbrytare för att bryta eventuella kortslutningar eller överbelastningsströmmar som kan uppstå i nätet. Mindre distributionsstationer kan använda återförslutningsbrytare eller säkringar för skydd av distributionskretsar. Transformatorstationer i sig har vanligtvis inga generatorer, även om ett kraftverk kan ha en transformatorstation i närheten. Andra enheter som kondensatorer , spänningsregulatorer och reaktorer kan också vara placerade vid en transformatorstation.
Transformatorstationer kan vara på ytan i inhägnade inhägnader, under jord eller placerade i specialbyggnader. Höghus kan ha flera transformatorstationer inomhus. Inomhustransformatorstationer finns vanligtvis i tätorter för att minska ljudet från transformatorerna, av utseendemässiga skäl, eller för att skydda ställverk från extrema klimat eller föroreningsförhållanden.
Ett jordningssystem måste utformas. Den totala jordpotentialökningen , och gradienterna i potential under ett fel (kallade berörings- och stegpotentialer ), måste beräknas för att skydda förbipasserande vid en kortslutning i transmissionssystemet. Jordfel vid en transformatorstation kan orsaka en jordpotentialhöjning. Strömmar som flyter i jordens yta under ett fel kan göra att metallföremål har en väsentligt annorlunda spänning än marken under en persons fötter; denna beröringspotential utgör en risk för elstöt. Om en transformatorstation har ett metallstängsel måste den vara ordentligt jordad för att skydda människor från denna fara.
De viktigaste frågorna som en kraftingenjör står inför är tillförlitlighet och kostnad. En bra design försöker hitta en balans mellan dessa två, för att uppnå tillförlitlighet utan alltför höga kostnader. Utformningen bör även tillåta utbyggnad av stationen vid behov.
Val av plats
Valet av placeringen av en transformatorstation måste ta hänsyn till många faktorer. Tillräcklig markyta krävs för installation av utrustning med nödvändiga utrymmen för elsäkerhet och för tillgång till underhåll av stora apparater såsom transformatorer.
Där mark är dyrt, till exempel i stadsområden, kan gasisolerade ställverk spara pengar totalt sett. Transformatorstationer belägna i kustområden som drabbats av översvämningar och tropiska stormar kan ofta kräva en förhöjd struktur för att hålla utrustning känslig för överspänningar härdade mot dessa element. Tomten ska ha utrymme för utbyggnad på grund av lasttillväxt eller planerade överföringstillskott. Miljöeffekter av transformatorstationen måste beaktas, såsom dränering , buller och vägtrafikeffekter.
Transformatorstationsplatsen ska ligga någorlunda centralt till det distributionsområde som ska betjänas. Platsen måste vara säker från intrång av förbipasserande, både för att skydda människor från skador genom elektriska stötar eller ljusbågar, och för att skydda det elektriska systemet från felfunktion på grund av vandalism.
Designa diagram
Det första steget i planeringen av en transformatorstationslayout är utarbetandet av ett enradsdiagram , som i förenklad form visar det kopplings- och skyddsarrangemang som krävs, såväl som de inkommande matningsledningarna och utgående matare eller transmissionsledningar. Det är en vanlig praxis av många elföretag att förbereda enradsdiagram med huvudelement (ledningar, strömbrytare, strömbrytare, transformatorer) anordnade på sidan på samma sätt som apparaten skulle läggas ut i den faktiska stationen.
I en vanlig design har inkommande ledningar en frånkopplingsbrytare och en strömbrytare . I vissa fall kommer ledningarna inte att ha båda, med antingen en strömbrytare eller en strömbrytare är allt som anses nödvändigt. En frånkopplingsbrytare används för att ge isolering, eftersom den inte kan avbryta belastningsströmmen. En strömbrytare används som en skyddsanordning för att bryta felströmmar automatiskt, och kan användas för att koppla på och stänga av belastningar, eller för att bryta en ledning när strömmen flyter i "fel" riktning. När en stor felström flyter genom brytaren detekteras detta genom användning av strömtransformatorer . Storleken på strömtransformatorns utgångar kan användas för att lösa ut strömbrytaren, vilket resulterar i en frånkoppling av belastningen som tillförs av kretsavbrottet från matningspunkten. Detta försöker isolera felpunkten från resten av systemet och tillåta resten av systemet att fortsätta arbeta med minimal påverkan. Både strömbrytare och brytare kan manövreras lokalt (inom transformatorstationen) eller på distans från en övervakningscentral.
Med luftledningar kan utbredning av blixtnedslag och växlingsstötar orsaka isoleringsfel i transformatorstationsutrustning. Överspänningsavledare för linjeingång används för att skydda transformatorstationens utrustning i enlighet därmed. Isolationskoordinationsstudier utförs omfattande för att säkerställa att utrustningsfel (och tillhörande avbrott ) är minimala.
Väl förbi kopplingskomponenterna ansluts ledningarna för en given spänning till en eller flera bussar . Dessa är uppsättningar av samlingsskenor , vanligtvis i multipler av tre, eftersom trefas elektrisk kraftdistribution i stort sett är universell över hela världen.
Arrangemanget av strömbrytare, brytare och bussar som används påverkar transformatorstationens kostnad och tillförlitlighet. För viktiga transformatorstationer kan en ringbuss, dubbelbuss, eller så kallad "breaker and a half"-uppställning användas, så att ett fel på någon av strömbrytarna inte bryter strömmen till andra kretsar, och så att delar av transformatorstationen kan vara strömlös för underhåll och reparationer. Transformatorstationer som bara matar en enda industriell belastning kan ha minimala kopplingsåtgärder, särskilt för små installationer.
När man väl har etablerat bussar för de olika spänningsnivåerna kan transformatorer kopplas in mellan spänningsnivåerna. Dessa kommer återigen att ha en strömbrytare, ungefär som transmissionsledningar, om en transformator har ett fel (vanligen kallad "kortslutning").
Tillsammans med detta har en transformatorstation alltid styrkretsar som behövs för att beordra de olika strömbrytarna att öppna i händelse av fel på någon komponent.
Automatisering
Tidiga elektriska transformatorstationer krävde manuell omkoppling eller justering av utrustning och manuell insamling av data för belastning, energiförbrukning och onormala händelser. När komplexiteten i distributionsnäten växte, blev det ekonomiskt nödvändigt att automatisera övervakning och kontroll av transformatorstationer från en centralt besökt punkt, för att möjliggöra övergripande samordning i nödsituationer och för att minska driftskostnaderna. Tidiga ansträngningar för att fjärrstyra transformatorstationer använde dedikerade kommunikationsledningar, som ofta löper tillsammans med strömkretsar. Power-line bärare , mikrovågsradio , fiberoptiska kablar samt dedikerade trådbundna fjärrkontrollkretsar har alla använts för Supervisory Control and Data Acquisition ( SCADA) för transformatorstationer. Utvecklingen av mikroprocessorn ledde till en exponentiell ökning av antalet punkter som kunde kontrolleras och övervakas ekonomiskt. Idag används standardiserade kommunikationsprotokoll som DNP3 , IEC 61850 och Modbus , för att nämna några, för att tillåta flera intelligenta elektroniska enheter att kommunicera med varandra och övervakningscentraler. Distribuerad automatisk styrning vid transformatorstationer är en del av det så kallade smarta elnätet .
Isolering
Strömbrytare, strömbrytare, transformatorer och andra apparater kan vara sammankopplade med luftisolerade nakna ledare uppträdda på stödstrukturer. Det luftutrymme som krävs ökar med systemspänningen och med märkspänningen för blixtspänningen. För mellanspänningsdistributionsstationer får metallslutna ställverk användas och inga spänningsförande ledare utsätts för miljön alls. För högre spänningar minskar gasisolerade ställverk i en gasisolerad transformatorstation (GIS) utrymmet som krävs runt strömförande bussar. Istället för nakna ledare byggs bussar och apparater som ställverk in i trycksatta rörformiga behållare fyllda med svavelhexafluorid (SF 6 ), eller en alternativ gas. Denna gas har ett högre isoleringsvärde än luft, vilket gör att dimensionerna på apparaten kan reduceras. Förutom luft eller SF 6 -gas kommer apparater att använda andra isoleringsmaterial som transformatorolja , papper, porslin och polymerisolatorer.
Strukturera
Utomhus, ovanjordiska transformatorstationsstrukturer inkluderar trästolpar, gallermetalltorn och rörformade metallstrukturer, även om andra varianter finns tillgängliga. Där utrymmet är gott och stationens utseende inte är en faktor, ger stålgallertorn billiga stöd för transmissionsledningar och apparater. Lågprofilstationer kan specificeras i förortsområden där utseendet är mer kritiskt. Inomhustransformatorstationer kan vara gasisolerade transformatorstationer (GIS) (vid höga spänningar, med gasisolerade ställverk), eller använda metallslutna eller metallbeklädda ställverk vid lägre spänningar. Stads- och förorts inomhustransformatorstationer kan färdigställas på utsidan för att smälta in med andra byggnader i området.
En kompakt transformatorstation är vanligtvis en utomhustransformatorstation byggd i ett metallhölje, där varje del av den elektriska utrustningen är placerad mycket nära varandra för att skapa en relativt mindre yta av transformatorstationen.
Se även
Vidare läsning
RMS de Oliveira och CLSS Sobrinho (2009). "Beräkningsmiljö för simulering av blixtnedslag i en krafttransformatorstation med tidsdomänmetod med ändlig skillnad". IEEE-transaktioner om elektromagnetisk kompatibilitet . 51 (4): 995–1000. doi : 10.1109/TEMC.2009.2028879 .
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
