Основные тенденции развития высоковольтных подстанций

Page 1
background image

Page 2
background image

150

МИРОВОЙ

ОПЫТ

Основные тенденции развития 
высоковольтных подстанций

по материалам сессии СИГРЭ 2018 года

Международный

 

совет

 

по

 

большим

 

электрическим

 

системам

 

высокого

 

напряжения

 

СИГРЭ

 (Conseil International des Grands Réseaux Électriques — CIGRE) — 

постоянно

 

дей

-

ствующая

 

неправительственная

 

некоммерческая

 

организация

созданная

 

в

 1921 

году

 

во

 

Франции

Основной

 

целью

 

деятельности

 

СИГРЭ

 

является

 

развитие

 

технических

 

зна

-

ний

 

и

 

обмен

 

информацией

 

между

 

странами

 

в

 

областях

 

генерации

 

и

 

передачи

 

электро

-

энергии

 

при

 

высоком

 

напряжении

.

Вариводов

 

В

.

Н

.,

д.т.н., профессор кафедры ТЭВН 

ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Ковалев

 

Д

.

И

.,

старший преподаватель кафедры 

ТЭВН ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

Хренов

 

С

.

И

.,

к.т.н., доцент, заведующий кафедрой 

ТЭВН ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

С

ессии  СИГРЭ,  проходя-

щие  раз  в  два  года,  яв-

ляются  самым  широким 

и  значимым  форумом 

в мире для специалистов в обла-

сти электрических сетей высокого 

напряжения  и  поэтому  дают  воз-

можность  наиболее  объективной 

оценки  состояния  глобального 

развития  технологического  ком-

плекса  генерации,  преобразова-

ния,  передачи  и  распределения 

электроэнергии.

Направления  работы  СИГРЭ 

охватывают  практически  все  ос-

новные  вопросы  развития  этого 

комплекса и включают: 

 

– электрооборудование  высоко-

го напряжения ГЭС, ТЭС, рас-

пределенной генерации;

 

– воздушные  линии  электропе-

редачи,  кабельные  и  газоизо-

лированные линии;

 

– высоковольтные  подстанции 

и  высоковольтное  оборудова-

ние для них;

 

– развитие  систем  передачи 

электроэнергии и объединение 

энергосистем;

 

– проблемы рынка электроэнер-

гии;

 

– системы  и  средства  релейной 

защиты,  автоматизации,  теле-

механики,  связи,  мониторинга 

и учета электроэнергии. 

По  результатам  анализа  по-

следних 

нескольких 

сессий

СИГРЭ  можно  сформулировать 

основные  тенденции  развития 

высоковольтных  подстанций  (ри-

сунок 1). 

Стратегическим направлением 

развития  высоковольтных  под-

станций, в соответствии с матери-

алами СИГРЭ, является создание 

Smart подстанций.

1. ПОВЫШЕНИЕ УПРАВЛЯЕМОСТИ

4. СТРУКТУРНАЯ 

ОПТИМИЗАЦИЯ

(новые схемы, гибридные 

подстанции, компактные 

подстанции и др.

SMART

подстанции

Мониторинг 

состояния 

и диагностика 

в режиме 

online

Автомати-

зированные 

системы на ос-

нове цифровых 

технологий

(цифровизация)

Применение 

более совер-

шенных сило-

вых системных 

устройств для 

поддержания 

параметров сети

8. ОПТИМИЗАЦИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ 

И ПРЕКТИРОВАНИЯ ПС

2. НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ 

ТЕХНОЛОГИИ

(на основе цифровых технологий)

3. ТЕХНОЛОГИИ 

КИБЕРБЕЗОПАСНОСТИ

5. НОВЫЕ ТИПЫ ПС

6. АПГРЕЙД ПС

7. ПРИМЕНЕНИЕ

НОВЫХ ВИДОВ ИЗОЛЯЦИИ

Рис

. 1. 

Основные

 

тенденции

 

развития

 

высоковольтных

 

подстанций

Интеллектуализация подстанций


Page 3
background image

151

Понятие «Smart» не имеет ана-

логичного  соответствия  в  одном 

слове в русском языке, поскольку 

«Smart» означает не только интел-

лектуальность, но и безопасность, 

красоту, приятность и полезность. 

Исторически  основным  функ-

ционалом  подстанций  являлось 

распределение и преобразование 

электроэнергии,  однако  по  мере 

развития  подстанций  их  функци-

ональные  особенности  расширя-

ются.

От  современных  подстанций 

сегодня  требуется  также  обеспе-

чение  качества  электроснабже-

ния как в электрической сети, так 

и  у  потребителя,  высокой  надеж-

ности  электроснабжения  при  ус-

ловии  соблюдения  условий  без-

опасности  и  отсутствия  влияния 

на  окружающую  среду,  хорошей 

управляемости,  постепенно  появ-

ляются  требования  к  некоторым 

подстанциям  обеспечения  орга-

ничной  связи  с  распределенной 

генерацией, способности перерас-

пределять выдачу электроэнергии 

во времени.

При  реализации  этого  функ-

ционала  должны  учитываться 

общие  требования  —  стоимость, 

энергоэффективность, энергосбе-

режение,  компактность,  способ-

ность  работать  при  повышенных 

нагрузках.

Создание Smart подстанций яв-

ляется неотъемлемым элементом 

создания Smart сетей (Smart grid).

Термин  Smart  grid  появился 

еще в 2003 году. Понимание Smart 

grid определено в 2007–2011 годах 

мировым  научно-техническим  со-

обществом  в  принятых  докумен-

тах в Европе (Smart Grid European 

Technology  Platform)  [1]  и  в  США 

(Energy Independence and Security 

Act)  [2].  Аналогичные  технологи-

ческие  платформы  реализуются 

в Азии, Австралии и Африке.

Создание Smart grid в соответ-

ствии с этими документами — это 

модернизация комплексной систе-

мы генерации и доставки электро-

энергии  на  основе  усовершен-

ствования  управления,  защиты, 

оптимизации  всех  технологиче-

ских элементов в электроэнергети-

ческой  системе  в  их  взаимосвязи 

(от  централизованной  и  распре-

деленной  генерации,  системы 

передачи  электроэнергии  при 

высоком  напряжении,  ее  распре-

делении,  систем  автоматизации, 

устройств  хранения  электроэнер-

гии до конечных потребителей, их 

стационарных  электроустановок, 

электромобилей,  электрических 

бытовых приборов). 

Это  направление  развития 

электрических  сетей  в  значитель-

ной степени связано с резким уве-

личением  в  мировой  энергетике 

доли  ветро-  и  солнечной  генера-

ции,  постепенным  отказом  от  ис-

копаемого топлива и других видов 

топлива,  способных  существенно 

загрязнять  атмосферу,  несмотря 

на  необходимость  балансировки 

волатильности  генерации  от  воз-

обновляемых источников.

Smart grid должна характеризо-

ваться  двусторонним  потоком  как 

электроэнергии,  так  и  информа-

ции.  Она  предусматривает  пере-

ход  к  системе  распределенных 

вычислений  и  коммуникаций  для 

обеспечения  доставки  информа-

ции в режиме реального времени, 

а также расчет мгновенного балан-

са спроса и предложения электро-

энергии в любой точке. 

Ключевые 

технологические 

инструменты  для  формирования 

Smart grid:

 

– коммуникации на основе совре-

менных  автоматизированных 

систем,  прежде  всего  цифро-

вых систем;

 

– базы  данных  на  основе  техно-

логий big data;

 

– автоматизированные  системы 

предотвращения  несанкциони-

рованного  доступа  к  управле-

нию электрическими сетями;

 

– интеллектуальное 

силовое 

электротехническое  оборудо-

вание; 

 

– программно-аппаратные  ком-

плексы,  адаптированные  для 

применения  в  едином  инфор-

мационном пространстве.

Тематика  докладов,  представ-

ленных  на  сессии  СИГРЭ-2018 

в  части  высоковольтных  подстан-

ций,  соответствовала  этим  основ-

ным тенденциям (рисунок 2).

Сегодня  трудно  переоценить 

роль  цифровизации  в  создании 

SMART-подстанций  —  она  вне-

дряется  по  различным  направ-

лениям 

(автоматизированные 

системы  управления,  защита 

и мониторинг, диагностика, общие 

информационные  системы,  базы 

данных, системы кибербезопасно-

сти), предотвращающие несанкци-

онированный доступ к управлению 

электрическими  сетями.  Происхо-

дит переход всего народно-хозяй-

ственного  уклада  мировой  эконо-

мики на «цифровые рельсы».

Цифровая  экономика  —  хо-

зяйственная  деятельность,  клю-

чевым  фактором  производства 

в которой являются данные в циф-

ровой  форме,  способствующие 

формированию  общего  глубокого 

и  динамичного  информационного 

пространства  общества  в  режиме 

реального  времени.  Электроэнер-

гетика же является частью этой хо-

зяйственной деятельности.

Цифровизация лежит в основе 

интеллектуализации  подстанций 

(рисунок  1).  Базовым  элемен-

том  цифровых  систем  являются 

интеллектуальные  электронные 

устройства (IED) — многофункци-

ональные  приборы.  Они  исполь-

зуются в первую очередь как про-

цессоры,  а  также  как  цифровые 

датчики  информации  и  средств 

автоматизации.

IED собирают данные, а затем 

выполняют  расчеты  и  реализуют 

логику принятого алгоритма. Важ-

Рис

. 2. 

Тематика

 

докладов

представленных

 

на

 

СИГРЭ

 2018 

в

 

части

 

высо

-

ковольтных

 

подстанций

 (

комитет

 B3)

Диагностика и управление 

активами — 23,9%
Цифровизация —19%
Проектирование и модели-

рование — 19%

Оптимизация структуры 

ПС — 11,9%
Новая изоляция — 9,5%

Апгрейд подстанций — 9,5%

Новый тип ПС — 7,2%

 4 (55) 2019


Page 4
background image

152

HMI

MML. Управляющая панель

Запись событий.
Защита

SCADA. Распределение. Измерение

Медные

кабели

Последовательная связь 

(оптоволокно)

Подстанционная  

шина

Подстанционная шина и шина 

процесса* согласно МЭК 61850

Последовательная связь 

(оптоволокно)

Медные

кабели

Медные кабели

Медные кабели

Датчики

к другим ячейкам

к другим ячейкам

Шкаф ячейки

Шкаф ячейки

Шкаф ячейки

HMI

Пульт

управления

Модуль 

релейной 

защиты 

в КРУЭ

Помещение 

релейной 

защиты

в ОРУ

Площадка

КРУЭ

или ОРУ

ным является то, что в дополнение 

к текущим значениям эти приборы 

записывают информацию о состо-

янии,  характеристиках  и  истории 

объекта во времени. 

Все  это  и  составляет  «интел-

лект» IED, который они проявляют 

в  процессе  эксплуатации  обору-

дования энергосистем. Современ-

ные  протоколы  и  каналы  связи, 

имеющиеся  в  IED  и  устройствах 

связи и соответствующие стандар-

ту МЭК 61850, позволяют интегри-

ровать цифровую информацию. 

Следует  отметить,  что  интел-

лектуализация 

электроэнерге-

тических  систем  (как  внедрение 

новейших  информационных  тех-

нологий для управления, защиты 

и  мониторинга  состояния  обору-

дования и систем по повышению 

управляемости 

энергосистем) 

является  одной  из  важнейших, 

хотя и не единственной тенденци-

ей  развития  электрических  сетей 

XXI века.

Можно  выделить  три  уровня 

интеллектуализации  электроэнер-

гетических систем: верхний — ин-

теллектуализация  энергосистемы 

в целом как единой мегасистемы, 

средний  —  интеллектуализация 

комплексов  оборудования  (напри-

мер, электростанций или подстан-

ций) и, наконец, — интеллектуали-

зация  отдельных  видов  силового 

оборудования  и  электроприемни-

ков потребителей («умных» домов, 

улиц и т.д.).

Новый  уровень  управления 

в интеллектуальном оборудовании 

означает  применение  микропро-

цессоров,  контроллеров,  терми-

налов  удаленного  доступа  (RTU), 

интеллектуальных  электронных 

приборов (IED), новых протоколов 

обмена информации.

Важнейшим  свойством  «ин-

теллектуального»  оборудования 

и комплексов на его основе явля-

ется  возможность  работы  систем 

управления, защиты, мониторинга 

не только «по вертикали» — через 

АСУ верхнего уровня, но и «по го-

ризонтали»  —  через  связь  с  дру-

гим оборудованием. 

Развитие  архитектуры  высо-

ковольтных  подстанций  на  трех 

уровнях управления — уровне от-

дельного  оборудования,  уровне 

процессов,  а  также  подстанции 

в  целом  —  было  рассмотрено  на 

сессии СИГРЭ 2018 [3] и представ-

лено на рисунке 3.

Современные  цифровые  под-

станции (ЦПС), появившиеся при-

мерно  в  2005  году,  характеризу-

ются  наличием  шины  процесса 

(в  соответствии  со  стандартом 

МЭК  61850),  использованием 

цифровых  датчиков  и  оптоволо-

конных линий связи. Если сравни-

вать  с  отечественным  подходом 

к созданию и внедрению ЦПС, то 

технические  требования  к  рос-

сийским  цифровым  подстанциям 

иногда являются более широкими 

и  охватывают  некоторые  харак-

теристики,  относящиеся  к  Smart 

подстанциям в зарубежной интер-

претации.

Интенсивно развиваются новые 

более  совершенные  конструкции 

датчиков [4], на смену традицион-

ным мощным индуктивным транс-

форматорам  тока  и  напряжения 

приходят для измерения тока ма-

ломощные индуктивные малогаба-

ритные  датчики,  пояс  Роговского, 

оптоэлектронные датчики, исполь-

зующие эффект Фарадея, датчики 

Холла, специальные шунты, а для 

измерения напряжения — оптиче-

ские  датчики,  емкостные,  актив-

ные и комбинированные преобра-

зователи. 

Следует  отметить,  что  интел-

лектуализация 

высоковольтных 

подстанций и электрических сетей 

в целом наряду с цифровизацией 

систем  управления  и  автоматики 

обеспечивается  применением  но-

вых  силовых  быстродействующих 

устройств  поддержания  параме-

тров сети — устройств FACTS.

Рис

. 3. 

Развитие

 

систем

 

управления

защиты

 

и

 

автоматики

 

высоковольтных

 

подстанций

 [3]

 1965 

1985 

2005 

Годы

 

Hardwired SA 

Legasy SA 

SA на базе IEC 61850  

Расположение

* Шина процеса в МЭК 61850 не является обязательной и дана как опция

МИРОВОЙ

ОПЫТ


Page 5
background image

153

Силовые  устройства  FACTS 

(статические  тиристорные  ком-

пенсаторы  (СТК),  управляемые 

продольные 

компенсирующие 

устройства  (УПК)    СТАТКОМы 

и  т.д.  —  это  комплексы,  состоя-

щие из реакторов, конденсаторов, 

других  элементов,  объединенных 

схемами  управления  на  основе 

новейших 

полупроводниковых 

приборов,  которые  позволяют 

при  различных  технологических 

возмущениях в системе путем из-

менения параметров схемы заме-

щения автоматически возвращать 

эту систему в стабильное состоя-

ние.  Такие  устройства  способны 

обеспечивать  векторное  регули-

рование параметров сети и высо-

кое  качество  электроснабжения. 

Роль  силовых  устройств  FACTS 

(особенно при совместной работе 

с  накопителями  энергии)  значи-

тельно  возрастает  в  сети  с  рас-

пределенной  генерацией  с  уче-

том  волатильности  параметров 

этой сети, что отмечено на сессии

СИГРЭ 2018 [5]. 

Мониторинг  и  диагностика  со-

стояния  оборудования  по  основ-

ным параметрам в режиме online 

позволяет  перейти  от  профилак-

тического  ремонта  оборудования 

к ремонту по состоянию этого обо-

рудования, что дает возможность 

значительно повысить эффектив-

ность его использования и надеж-

ность эксплуатации и в результа-

те перейти к управлению жизнью 

оборудования подстанций. Управ-

ление  жизнью  оборудования  на-

прямую связано с экономической 

задачей  электросетевых 

компаний  —  эффектив-

ным  управлением  акти-

вами.

Современные  систе-

мы  мониторинга  состо-

яния  оборудования  под-

станций, 

работающие 

в режиме online, должны 

иметь эффективные дат-

чики,  быстродействую-

щие процессоры, позво-

ляющие  обрабатывать 

поступающие  сигналы 

от датчиков, блоки базы 

данных  и  экспертной 

оценки, 

необходимые 

для определения уровня 

опасности  происходя-

щих изменений в состоя-

нии  оборудования,  быть 

адаптированными  для  примене-

ния в цифровых подстанциях. По 

этим направлениям и происходит 

развитие  современных  систем 

диагностики и мониторинга.

Эффективным  средством  мо-

ниторинга состояния изоляции яв-

ляется  измерение  интенсивности 

частичных  разрядов  (ЧР).  Эта 

техника постоянно совершенству-

ется. В докладе [6] показано, что 

при измерении ЧР в муфтах и вво-

дах  кабелей,  трансформаторов 

и  распределительных  устройств 

целесообразно  использовать  от-

личающиеся  датчики,  оптими-

зированные  для  каждого  типа 

конструкции,  так  как  в  них  могут 

происходить  частичные  разряды 

различного типа.

Для коммутационного оборудо-

вания [7] предлагается новая сис-

тема  мониторинга  и  диагностики 

в режиме реального времени, ос-

нованная  на  концепции  «internet 

of  things»,  где  на  основе  акусти-

ческих  датчиков  в  сочетании 

с  датчиками  тока,  температуры 

и  датчиков  влажности  проводит-

ся  постоянный  контроль  состоя-

ния  коммутационных  устройств. 

В  сис теме  применяются  датчики 

беспроводного типа.

Большой  интерес  представи-

ли работы по диагностике систем 

заземления  подстанций,  нахо-

дившихся  в  эксплуатации  более 

12 лет [8] c помощью усовершен-

ствованной  методики  диагности-

ки.  Было  показана  возможность 

сделать  полную  и  эффективную 

диагностику системы заземления, 

не подвергая риску людей, и объ-

ектов без отключения оборудова-

ния  и  вмешательства  в  функцио-

нирование электрической сети.

Целый  ряд  работ  на  сессии

СИГРЭ-2018 был посвящен управ-

лению сроком службы подстанци-

онного оборудования.

В [9] представлен выбор мето-

дики  и  системы  управления  сро-

ком  эксплуатации  оборудования, 

получившей  название  AHMS,  ко-

торые  были  получены  на  осно-

ве  анализа  441  видов  сценариев 

и  реальных  данных  по  надежно-

сти  эксплуатации  и  восстановле-

нию  отдельных  аппаратов.  Раз-

работанная  система  получает 

и  анализирует  все  online  и  offl  ine 

данные  по  работе  оборудования 

в  полном  периоде  жизни  —  от 

установки в эксплуатацию до ути-

лизации  аппарата.  Показана  зна-

чительная  эффективность  пред-

ложенной системы.

Новым  и  многообещающим 

направлением  в  системах  мо-

ниторинга  является  применение 

встроенных  в  изоляцию  датчи-

ков,  включая  датчики  тока  и  на-

пряжения,  так  как  современные 

датчики  резко  уменьшили  свои 

размеры. 

Для КРУЭ датчики встраивают-

ся  в  изоляторы  (рисунок  4),  под-

держивающие  токоведущие  жилы 

[10], а для КРУ на средние классы 

напряжения — в адаптеры [3].

Применение  встроенных  дат-

чиков  для  измерения  тока  и  на-

пряжения позволяет существенно 

сократить  габариты  КРУ.  На  ри-

Рис

. 4. 

Изоляторы

 

для

 

КРУЭ

 

со

 

встроенными

 

датчиками

 

измерения

 

тока

 

и

 

напряжения

Металлический

фланец

Трехфазная

контактная система

Кольцевые датчики

электрического поля (EFP) 

(датчики напряжения)

Катушки Роговского

внутри EFP-колец

(датчики тока)

Литая полимерная

изоляция

Блок связи

с датчиками

пассивного типа 

 4 (55) 2019


Page 6
background image

154

сунке  5  слева  представлена  кон-

струкция  КРУЭ  с  традиционными 

измерителями тока и напряжения, 

а справа — с новым типом изме-

рителей).

В области подстанций тенден-

ции  в  части  структурной  оптими-

зации  по  созданию  компактного 

и экономически более эффектив-

ного  оборудования  также  реали-

зуются за счет применения новых 

видов  изоляции  и  оптимизации 

изоляционных 

промежутков, 

а также путем комбинации отдель-

ных  высоковольтных  устройств 

в одном корпусе, созданию много-

функциональных аппаратов.

Значительное 

сокращение 

габаритов 

распределительных 

устройств,  как  известно,  было 

достигнуто  за  счет  применения 

распределительных 

устройств 

с  высокопрочной  изоляцией  — 

элегазом  (КРУЭ),  а  также  распо-

ложения фаз в одном корпусе. 

Одним  из  направлений  даль-

нейшего  повышения  компакт-

ности  РУ  является  объединение 

в  одном  герметизированном  от-

секе  разных  аппаратов,  напри-

мер, выключателя с трансформа-

торами тока, с разъединителями 

и  заземлителями  —  так  называ-

емых  комбинированных  выклю-

чателей типа РАSS или DTC для 

так  называемых  гибридных  под-

станций.

Гибридная  подстанция  реали-

зует новое качество современных 

подстанций, где число используе-

мых при проектировании элемен-

тов  сокращено  в  несколько  раз, 

а  каждый  производственный  мо-

дуль имеет высокую надежность, 

так как собирается и испытывает-

ся на заводе.

Компактность  подстанций  по-

вышается  также  и  за  счет  мо-

дульного  исполнения  отдельных 

блоков  и  элементов  подстанции, 

плотного  их  расположения.  Осу-

ществление проекта комплексных 

компактных  подстанций  в  Брази-

лии  [11]  показало  значительные 

технические  и  финансовые  вы-

годы  от  этого  решения.  В  стране 

принято решение, что на этот тип 

ПС в 2018–2022 годах в стране бу-

дет  приходиться  65%  новых  под-

станций. 

Появление  новых  типов  под-

станций  связано  с  расширением 

функционала подстанций.

В  докладе  [5]  были  пред-

ставлены  подходы  и  результа-

ты  моделирования  нового  типа 

подстанции  —  hub-подстанции. 

Принципиальная схема такой под-

станции приведена на рисунке 6.

Основная  особенность  этой 

многофункциональной  подстан-

ции  —  наряду  с  преобразовани-

ем и распределением энергии на 

ней  осуществляется  накопление 

электроэнергии,  безболезненное 

соединение  с  источниками  рас-

пределенной  генерации  и  сетью, 

поддержание  параметров  в  сети 

Рис

. 5. 

Сопоставление

 

ячеек

 

КРУЭ

а

с

 

традиционными

 

измерителями

 

тока

 (CT-conv.) 

и

 

напряжения

 (VT-conv.) 

и

 

б

измерителями

 

нового

 

типа

 (N)

CT-

conv.

VT-

conv.

N

а)

б)

Рис

. 6. 

Принципиальная

 

схема

 hub-

подстанции

Возобновляемые

источники

энергии

ЕSS-модуль подстанции

МИРОВОЙ

ОПЫТ


Page 7
background image

155

и  у  потребителя  как  в  нормаль-

ных, так и аварийных режимах.

На hub-подстанции использует-

ся как традиционное оборудование 

ПС (трансформаторы, коммутаци-

онное  и  измерительное  оборудо-

вание,  системы  управления,  за-

щиты  и  автоматики),  так  и  новые 

технологии,  позволяющие  суще-

ственно  повысить  надежность 

и  качество  электроснабжения 

в  новых  условиях  появления  рас-

пределенной  и  возобновляемой 

генерации,  активные  корректоры 

сетевого  напряжения,  обеспечи-

вающие  комплексную  нормализа-

цию  напряжения  и  устойчивость 

работы  распределительных  и  ло-

кальных энергосис тем, накопители 

энергии.

Проверка  на  модели  ПС  при-

менительно  к  условиям  ее  рабо-

ты  в  энергосистеме  на  острове 

Че Джу-до показала высокую эф-

фективность  подстанции  данного 

типа.

Стремление  повысить  на-

дежность  энергоснабжения,  обе-

спечить  сокращение  сроков  вос-

становления  электроснабжения 

ведет  к  необходимости  разви-

тия  мобильных  подстанций  или 

укрупненных мобильных модулей 

подстанций.  В  докладе  [12]  от-

мечается,  что  компактность  мо-

бильных  подстанций  и  быстрота 

их  монтажа  в  режиме  plug  and 

play  обеспечивают  возможность 

реализовывать  гибкие,  быстрые 

и  надежные  решения  для  нового 

строительства или реконструкции 

подстанций в сложных условиях. 

Использование КРУЭ и послед-

ние  разработки  позволяют  ис-

пользовать эту технологию вплоть 

до  напряжения  420  кВ  и  мощно-

сти  подстанций  до  несколько  со-

тен  МВА.  Однако  новизна  этого 

подхода  требует  серьезной  до-

полнительной  инженерной  про-

работки,  принимая  во  внимание 

весь жизненный цикл подстанции, 

от  транспортировки  и  установки 

до утилизации, решение вопросов 

безопасности  при  обслуживании 

этих подстанций. При реализации 

этой  технологии  необходимо  тес-

ное  сотрудничество  между  про-

изводителем  и  энергетическими 

компаниями  для  повышения  эф-

фективности  технологии  за  счет 

инновационных 

конфигураций 

подстанций. 

В  докладе  [13]  анализирует-

ся  новая  концепция  гибридных 

подстанций  на  основе  исполь-

зования  мобильных  модулей  — 

MSB (Mixed Substation Bays). Это 

принципиально  новая  концепция 

дизайна  для  обеспечения  опера-

тивной  гибкости  и  устойчивости 

(рисунок  7).  Авторы  доклада  от-

мечают,  что  пока  существует  до-

статочно много вопросов, связан-

ных с процедурой и методологией 

интеграции технологии MSB в экс-

плуатацию (не только на техниче-

ском уровне, но также на коммер-

ческом и оперативном уровнях).

Специализированная 

кон-

струкция  вертикальных  подстан-

ций  для  метро  (рисунок  8)  была 

представлена в докладе [14]. 

Конструкция подстанции апро-

бирована  в  эксплуатации.  Пред-

ложенное  решение  ведет  к  со-

кращению  технических  потерь, 

повышению надежности, упроща-

ет обслуживание и, в результате, 

дает  существенный  технико-эко-

номический эффект.

В  докладе  [15]  также  предло-

жен новый тип подстанций — для 

морских  ветроустановок.  Особен-

ностью этих подстанций является 

то, что они встроены в опору ве-

троустановки.

Апгрейд  (или  повышение  па-

раметров)  существующих  под-

станций  связан,  как  правило,  с 

необходимостью 

увеличения 

мощности подстанций и реализу-

ется, в основном, путем примене-

ния  новых  типов  оборудования, 

оптимизации схемы и компоновки 

подстанции.  Такое  техническое 

решение  всегда  дешевле,  чем 

строительство новой подстанции 

на  требуемую  дополнительную 

мощность.  Этому  вопросу,  как 

и  на  предыдущих  сессиях  СИ-

ГРЭ, было посвящено несколько 

докладов.

В докладе [16] отмечается, что 

апгрейд  подстанций  можно  осу-

ществлять как с помощью тради-

ционных  КРУЭ,  так  и  гибридных 

распределительных 

устройств. 

Авторам  удалось  практически 

на  той  же  площадке  подстан-

ции  400  кВ  существенно  повы-

сить мощность подстанции путем 

установки  дополнительных  ячеек 

КРУЭ непосредственно в ОРУ.

Традиционно на одной из сес-

сий СИГРЭ-2018 были рассмотре-

ны  вопросы  применения  новых 

типов изоляции. 

Основным 

высокопрочным 

газом,  применяемым  в  газона-

полненных  КРУЭ  на  подстанци-

ях, в последние годы был элегаз. 

Рис

. 7. 

Схема

 

установки

 

мобильных

 

модулей

 

подстан

-

ции

 400 

кВ

 

по

 

технологии

 MSB

Рис

. 8. 

Специализированная

 

городская

 

подстанция

 

для

 

метро

 4 (55) 2019


Page 8
background image

156

МИРОВОЙ

ОПЫТ

Однако  использование  элегаза 

ограничено  Киотским  протоко-

лом, поскольку он влияет на эко-

логию  планеты  —  способствует 

формированию  озоновых  «дыр» 

и  парникового  эффекта  в  атмо-

сфере. 

Для  снижения  воздействия 

газонаполненных  подстанций  на 

окружающую среду и повышения 

безопасности  при  их  эксплуа-

тации  продолжаются  работы  по 

выбору  и  применению  альтер-

нативных  газов.  В  докладе  [17] 

приводятся  результаты  иссле-

дования  электрофизических  ха-

рактеристик  флюоронитриловых 

смесей и данные по опытной экс-

плуатации подстанции 123 кВ, где 

использована такая изоляция.

Как  следует  из  представлен-

ных  на  рисунке  9а  данных,  элек-

трическая  прочность  чистого 

флюоронитрила  (C

4

F

7

N)  пример-

но в два раза выше электрической 

прочности элегаза. На рисунке 9б 

представлена  кривая  сжижения 

флюоронитрила,  с  помощью  ко-

торой  можно  определить  допу-

стимое  парциальное  давление 

флюоронитрила  при  заданной 

минимальной  температуре  окру-

жающей  среды  —  например,  при 

минимальной  температуре  –25°С 

парциальное  давление  флюо-

ронитрила  не  может  быть  выше 

0,5 бар. 

Применение  углекислого  газа 

в  качестве  основного  газа  смеси 

(авторами  выбрано  94%-ное  со-

держание  углекислого  газа)  свя-

зано  с  тем,  что  этот  газ  улучша-

ет  дугогасительную  способность 

смеси. В смесь добавляется также 

небольшое количество кислорода 

(около  5%),  чтобы  связать  моле-

кулы выделяющегося газа СО при 

коммутациях тока.

В  настоящее  время  прово-

дится  опытная  эксплуатация 

подстанции  123  кВ  с  флюорони-

триловой изоляцией. Так как для 

мощных  внутри-  и  межподста-

ционных  связей  перспективно 

применение  газоизолированных 

линий  (ГИЛ)  и  шинопроводов, 

продолжаются работы по совер-

шенствованию газовой изоляции 

таких устройств [18, 19], посколь-

ку  они  имеют  высокую  пропуск-

ную  способность,  практически 

не  ограничены  по  длине,  полно-

стью  пожаробезопасны,  потери 

в них минимальны и отсутствуют 

технологические  проблемы  при 

вертикальной  прокладке.  Авто-

рами  показана  эффективность 

применения в качестве изоляции 

смеси элегаза с азотом для этого 

оборудования, а также для сбор-

ных  шин  КРУЭ  при  содержании 

элегаза  примерно  20%.  В  Китае 

реализован  проект  ГИЛ  протя-

женностью 5,7 км на напряжение 

1100 кВ.

Оптимизация  моделирования

и  проектирования  является  важ-

нейшим  направлением  развития 

подстанций. 

Сочетание трехмерного скани-

рования  (рисунок  10)  с  3D-мо де-

Рис

. 9. 

Основные

 

электрофизические

 

характеристики

 

флюоронитрила

 

и

 

его

 

смеси

 

с

 

углекислым

 

газом

а

элек

-

трическая

 

прочность

 

в

 

зависимости

 

от

 

давления

 

по

 

сравнению

 

с

 

прочностью

 

элегаза

б

кривая

 

сжижения

 

чистого

 

флюоронитрила

в

электрическая

 

прочность

 

смеси

 

по

 

отношению

 

к

 

электрической

 

прочности

 

элегаза

 

в

 

зависимо

-

сти

 

от

 

концентрации

 

флюоронитрила

 

в

 

углекислом

 

газе

а)

б)

в)

Пробивное напр

яжение, кВ

Дав

ление, б

ар аб

с

Давление, кПа

Температура, °С

Процент C

4

F

7

N в CO

2

Диэ

лек

трическ

ая про

чность 

элег

аза 

Рис

. 10. 

Пример

 

трехмерного

 

сканирования

 

с

 3D-

моделированием

 

при

 

конструкторской

 

проработке

 

подстанции

 [21]

3D-модель новой КРУЭ

Данные сканирования

существующей КРУЭ


Page 9
background image

157

ЛИТЕРАТУРА
1.  Smart Grid European Technology Platform, 2011. URL: 

http://www.smartgrids.

2.  Energy Independence and Security Act, USCTC, 142 52 

IX.

3.  Sousa B., Ylinen J., Procop V. Levels of Functionality for 

Power Distribution Systems Employing Intelligent Merg-

ing  Unit  (IMU)  and  Low-Power  Instrument  Transformer 

(LPIT) Technologies, Rep. B1-103, CIGRE 2018, Paris.

4.  Rauber E., Weigt U. The Digital Substation – Capitalize 

on  Digitalization  with  Focus  on  this  Central  Element  in 

Transmission Grids, Rep. B3-116, CIGRE 2018, Paris.

5.  Yoo  Y.,  Song  S.,  Jang  G.,  Jung  S.  Development  of  an 

Exclusive Substation of Renewable Energy – Hub Sub-

station, Rep. B3-112, CIGRE 2018, Paris.

6.  Bhatnagar C., Dave Y., Thobhani R., Karimbanackal J.A. 

Partial  Discharge  Measurement  by  TEV  and  Ultrasonic 

Methods and their Limitations for Medium Voltage (MV) 

Switchgears  –  Experience  of  KAHRAMAA»,  Rep.  В3-

105, CIGRE 2018, Paris.

7.  Laitinen T., Lyly T., Stenstrand M., Tammi J., Albrecht R., 

Nyberg J., Saksela K. Wireless Sensor Units for Acoustic 

Monitoring  of  Switching  Devices,  Rep.  B3-203,  CIGRE 

2018, Paris. 

8.  Chaparro R., Bordon A., Yamamura G., Berni H., Casas F.,

Jimenez C., Serna O., Duque A. Ground System Diag-

nostic in the ITAIPU, Rep. B3-304, CIGRE 2018, Paris.

9.  Jung  J.R.,  Seo  H.D.,  Kim  S.J.,  Kim  H.S.,  Joo  J.O., 

Ryoo S.S. Application of an Asset Health Management 

System  for  High-Voltage  Substations,  Rep.  B3-208,

CIGRE 2018, Paris.

10. Tiusanen J., Naukkarinen T., Viinikainen T., Oyj F., Höy-

tiä P. New Smart Approach for a U/I-measuring System 

Integrated in a GIS Cast Resin Partition (LPIT) – Design, 

Manufacturing,  Qualifi cation  and  Operational  Experi-

ence, Rep. B3-117, CIGRE 2018, Paris.

11. Costa P.R.F.C., Assis S.C., Carvalho E.N., Oliveira A.M., 

Chagas A.G., Mota I.L.M., Medeiros J.U.S., Pinto S.M., 

Murta  M.L.  Integrated  Compact  Substation  –  SECI: 

A Strategic Pattern for Expansion of the Electrical Dis-

tribution  System  in  Brazil,  Rep.  B3-101,  CIGRE  2018, 

Paris.

12. Mauban  F.,  Signing  Tsamo  D.,  Al-Otaibi  S.M.,  Goy-

vaerts A. Prefabricated Substations as a Leverage for In-

creased Availability and Agile Expansion of High Voltage 

Grids, Rep. B3-119, CIGRE 2018, Paris. 

13. Osborne  M.,  Waldron  M.,  Jarman  P.,  Zhang  R.,  Gard-

ner D. The Development of a 400 kV Mobile Substation 

Bay for Flexible Transmission Services, Rep. B3-109, CI-

GRE 2018, Paris.

14. Sharma H.C., Dharmadhikari D.R., Singhal P., Kumar R. 

Novel  Distribution  Substation  Design  for  Congested 

Smart Metro Cities, Rep. B3-113, CIGRE 2018, Paris.

15. Kuschel M., Bradler C., Bütüner C. On-Site Experiences 

of 72.5 kV Clean-air GIS for Wind-Turbine On- and Off -

shore Application, Rep. B3-115, CIGRE 2018, Paris.

16. Valecha D.K., Srivastava R., Karma D.K., Mishra S. Up-

grading  of  EHV  Sub-stations  for  Additional  Bays  and 

Power Handling. Rep. B3-114, CIGRE 2018, Paris.

17. Lindner C., Gautshi D. Application of a Fluoronitrile Gas 

in a 123 kV GIS Pilot. Rep. B3-107, CIGRE 2018, Paris.

18. Sun G., Ban L., Wang N., Li Z., Zhang P., Wang W. De-

termination of the Main Parameters of UHV AC GIL, Rep. 

B3-110, CIGRE 2018, Paris.

19. Gao  L.,  Wang  C.,  Zhang  M.,  Cheng  P.  Study  on  Appli-

cation  of  SF6/N2  Mixture  Insulated  GIB.  Rep.  B3-111,

CIGRE 2018, Paris.

20. Foškulo A., Kokoruš M. Streamlining the Decision-Mak-

ing  Process  on  Tubular  Rigid  Busbar  Selection  During 

the Planning / Designing Stage by Utilizing 3D Substation 

BIM Design Software, Rep. B3-210, CIGRE 2018, Paris.

21. Ichihara  S.,  Kobayashi  T.,  Yoshida  M.,  Shinohara  R., 

Saida  T.  Improvement  in  Substation  Design  and  Con-

struction through Application of 3D Modelling, Rep. B3-

214, CIGRE 2018, Paris.

22. Wallner  C.,  Straßburger  B.,  Parthey  F.,  Hammer  T., 

Kunde  K.,  Rentschler  A.  Environmental  Awareness  for 

High-Voltage  Substation  Eco-Design,  Rep.  B3-302,

CIGRE 2018, Paris.

23. Park S.W., Kim J.D., Lee H.T. Structural Integrity Assess-

ment and Design of Switchgear Enclosures Considering 

Internal  Arcing  Conditions,  Rep.  В3-301,  CIGRE  2018, 

Paris.

лированием  при  конструкторской 

проработке  помогает  сократить 

графики  строительства,  снизить 

затраты и свести к минимуму ри-

ски,  сохраняя  при  этом  высокий 

уровень  безопасности.  Создание 

общих  рабочих  платформ  между 

проектировщиками, 

поставщи-

ками  оборудования,  инжинирин-

говыми  и  энергетическими  ком-

паниями  позволяет  еще  больше 

увеличить выгоды от применения 

3D-технологии [20, 21].

Все  большее  значение  при-

обретает  экологическое  про-

ектирование  —  экопроектиро-

вание.

При  проектировании  усили-

вается  внимание  на  общей  кон-

струкции и дизайне подстанции, 

а также отдельных компонентах 

подстанции  с  точки  зрения  вли-

яния  ее  на  окружающую  среду. 

Экологические  оценки  относят-

ся  не  только  к  конструкции,  но 

и  ко  всему  жизненному  циклу 

подстанции,  включая  материа-

лы, монтаж и обслуживание. Де-

тально  эти  вопросы  рассмотре-

ны в докладе [22].

Совершенствуются не только 

конструкторские  методы  проек-

тирования,  но  и  его  расчетная 

составляющая — в докладе [23] 

представлены  новые  подходы 

при моделировании явлений, на-

блюдающихся в оболочке обору-

дования КРУ при возникновении 

внутренней дуги.

Таким образом, анализ матери-

алов  докладов,  представленных 

на сессии СИГРЭ-2018, подтверж-

дает  сложившиеся  в  последние 

годы  тенденции  развития  высоко-

вольтных подстанций.  

 4 (55) 2019


Читать онлайн

Международный совет по большим электрическим системам высокого напряжения СИГРЭ (Conseil International des Grands Réseaux Électriques — CIGRE) — постоянно действующая неправительственная некоммерческая организация, созданная в 1921 году во Франции. Основной целью деятельности СИГРЭ является развитие технических знаний и обмен информацией между странами в областях генерации и передачи электроэнергии при высоком напряжении.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»