Современные электрические подстанции

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ серия основана в 1 996 г.




Ю.Д. СИБИКИН

СОВРЕМЕННЫЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПОДСТАНЦИИ

        УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

2-е издание, дополненное

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)


znanium
электронно-библиотечная система

Москва
ИНФРА-М
2025

УДК 621.3(075.8)
ББК 31.26я73
     С34



      Рецензент:
        Атаров Н.З., доктор экономических наук, профессор, академик Российской академии естественных наук, заместитель генерального директора научно-исследовательского центра «Зарубежсхема»





      Сибикин Ю.Д.
С34 Современные электрические подстанции : учебное пособие /

       Ю.Д. Сибикин. — 2-е изд., доп. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 417 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/1861116.
         ISBN 978-5-16-020064-4 (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 электрооборудования 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 эксплуатации подстанций.
         Предназначено для студентов направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также может быть полезным студентам среднего профессионального образования, мастерам и инженерам-электрикам, повышающим свой технический уровень без отрыва от производства.


УДК 621.3(075.8)
ББК 31.26я73













ISBN 978-5-16-020064-4 (print)
ISBN 978-5-16-110084-4 (online)

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


с изменениями

            ОГЛАВЛЕНИЕ



   Основные сокращения ...................................
   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
   2.3. Силовые трансформаторы и автотрансформаторы ....... 43
   2.4. 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
  3.1. Сухие трансформаторы с литой изоляцией........... 92
  3.2. Высоковольтные коммутационные аппараты для РУ...  95
  3.3. Реклоузер вакуумный............................. 107
   3.4. Литые токопроводы внутреннего и наружного применения ......................................... 110
   3.5. Сухие токоограничивающие реакторы ............. 114
   3.6. Элегазовые выключатели......................... 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 защита.................................. 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........................... 343
   10.2. Классификация систем заземления .............. 347
   10.3. Зануление..................................... 351
   10.4. Конструктивное выполнение и расчет заземляющих устройств........................................... 353


Глава XI
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ НУЭ И ПТЭ ПРИ СООРУЖЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ

   11.1. Размещение электротехнических сооружений на территории подстанций.............................. 361
   11.2. Правила сооружения распределительных устройств... 362
   11.3. Требования к установке трансформаторов.......... 367
   11.4. Масляное и ремонтное хозяйство электроподстанций. 370
   11.5. Надзор и уход за трансформаторами............... 372

   Приложения ........................................... 375
   Приложение /. Трансформаторы 3 автотрансформаторы .... 375
   Приложение 2. Концевые муфты для кабелей, не распространяющих горение н<7 напряжение 38.10 кВ.................. 386
   Приложение 3. Соединительные муфты для кабелей не распро-страняюгцих горение «а напряжение 38.10 кВ............ 388
   Приложение 4. Принципиальные однолинейные схемы главных г/еяей шкафов КРУ серии КРУ2-10-20УЗ ...:............  390
   Приложение 5. Основные технические показатели КРУ...... 394
   Приложение 5. Однолинейные схемы главных z/еией ЩО-70. 396

   Библиографический список.............................. 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
  ИП       —  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 трансфор             маторов 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
   СУНИ — 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                                
ШМА --- 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-электриков.
   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:
   общая протяженность воздушных линий электропередачи 0,38... 1150 кВ составляет 3 млн. км., в том числе напряжением 220... 150 кВ — 156,9 тыс. км;
- Ф- 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;
- => 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; -v- 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

них 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 оптимальные 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 под

10