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