Как устроена электрическая трансформаторная подстанция

Как устроена электрическая трансформаторная подстанция

Электрическая трансформаторная подстанция играет важную роль в энергоснабжении населенных пунктов и промышленных объектов. Она служит для преобразования напряжения электроэнергии, обеспечивая передачу и распределение энергии потребителям. Без подстанций энергия просто не может прийти в наши дома, на заводы, в офисы.

Основные элементы электрической подстанции

Трансформаторы

Основное оборудование любой подстанции – это трансформаторы. Они преобразуют напряжение сети, повышая или понижая его. Именно в этом заключается основная функция трансформаторной подстанции. Так как преобразование напряжения позволяет передавать электричество на большие расстояния с минимальными потерями. Например, трансформатор способен снизить высокое напряжение (например, 220 тысяч вольт) до низкого уровня (например, до привычных нам 220 вольт). Это позволяет безопасно передавать электроэнергию потребителям.

По сути, простейший трансформатор состоит из трёх главных частей:

• Обмотки — это катушки из изолированного провода, намотанные на магнитный сердечник.
• Стального сердечника — это сердечник, выполненный из электротехнической стали, усиливает магнитный поток, связывающий обмотки.
• Герметичного корпуса  — это устройство, в котором обмотки и сердечник находятся внутри бака, заполненного маслом. Масло выполняет роль охлаждающей жидкости и изолятора.

Процесс преобразования напряжения проходит следующим образом:

• Ток подаётся на первичную обмотку, создавая сильное магнитное поле.
• Магнитное поле распространяется по сердечнику и попадает во вторичную обмотку.
• Во вторичной обмотке возникает электрический заряд нужной силы, зависящий от числа витков провода.

Измерительные трансформаторы

Стандартный трансформатор предназначен для повышения или понижения напряжения. Однако измерительные трансформаторы имеют особое предназначение — они превращают чрезвычайно высокий уровень напряжения (до нескольких сотен тысяч вольт!) в низкий, подходящий для измерений.

Эти трансформаторы представляют собой своего рода мостик между высоким напряжением и безопасным уровнем. Благодаря этому обычные электроизмерительные приборы, например счётчик или амперметр, могут фиксировать нужные показания без риска для сотрудников.

Существуют 4 основных типа измерительных трансформаторов:

• Катушечный трансформатор. Внутри содержатся две обмотки, принимающая и выдающая низкое напряжение.
• Стержневой трансформатор. Устроен проще, с одной петлей, проводящей основной ток.
• Шинный трансформатор. Основной ток протекает прямо по специальной шине, заменяя одну из обмоток.
• Разъёмный трансформатор. Такой трансформатор легко разбирается и собирается заново, удобен для осмотра и замены отдельных деталей.

Шины подстанции

Шины служат для сбора и распределения электрического тока высокого напряжения между оборудованием. Они соединяют трансформаторы, выключатели, разъединители и другие элементы подстанции, обеспечивая передачу энергии без значительных потерь. 

Существует два вида шин:

• Главные. Основные токопроводящие элементы распределительных устройств для сбора и распределения электроэнергии высокого напряжения. Главные шины изготавливают из алюминия или меди.
• Ответвительные. Ответвления главной магистрали, ведущие к другим частям подстанции, например, к реле или приборам учета.

Коммутационная аппаратура

Силовые коммутационные аппараты — это специальное оборудование, используемое на подстанциях для включения и отключения электрической цепи. Когда возникают проблемы, например короткое замыкание или перегрузка, такие устройства быстро прерывают подачу электроэнергии, чтобы предотвратить повреждения и аварии. Без коммутационных аппаратов любое повреждение могло бы привести к серьезным последствиям, таким как пожар или полное разрушение техники. Поэтому на каждой подстанции обязательно устанавливают защиту в виде этих устройств.

Коммутационные аппараты подразделяют на 2 вида по типу воздействия:

• Автоматические переключатели. Эти устройства автоматически срабатывают при возникновении проблем, мгновенно отключая питание и предотвращая аварию;
• Выключатели нагрузки. Используются для ручного или дистанционного управления подачей энергии, но не защищают от коротких замыканий.

Дополнительные устройства для особых случаев

Есть ещё два важных элемента, используемых в сетях без большой нагрузки:

1. Разъединители. Простые устройства, предназначенные для полного физического отделения участков сети друг от друга вручную или дистанционно.
2. Отделители.  Специальные коммутационные аппараты, используемые преимущественно для оперативного отключения поврежденного участка электросети в моменты отсутствия тока (бестоковая пауза).

Распределительные устройства (РУ)

Распределительное устройство подстанции — электроустановка, которая принимает и распределяет электричество. Основная функция РУ заключается в обеспечении адресной передачи электрической энергии потребителям по соответствующим линиям электропередач. Для этого в устройствах установлено специальное оборудование:

• Выключатели. Они защищают линии от перегрузок и коротких замыканий;
• Разъединители. Данные компоненты отключают участки сети для ремонта или обслуживания;
• Измерительная аппаратура. Она контролирует параметры тока и напряжения. 

Система заземления

Система заземления в трансформаторных подстанциях — это специальная конструкция, состоящая из металлических проводников и электродов, погруженных в землю. Она предназначена для защиты оборудования и персонала от поражения электрическим током и предотвращения аварийных ситуаций.

Представьте себе такую ситуацию: вдруг изоляция какого-нибудь провода повредилась. В этом случае появляется риск поражения электрическим током. Для предотвращения подобного инцидента применяется система заземления, обеспечивающая безопасный отвод тока в землю посредством специально оборудованного контура. По сути, это надёжный путь для электрического тока, позволяющий ему безопасно уйти в грунт, минуя людей и технику.

Вспомогательные системы

Кроме стандартного и обязательного оборудования трансформаторные подстанции также оснащаются системами вентиляции, отопления, освещения. Эти системы нужны для того, чтобы обеспечить комфортную работу персонала, обслуживающего подстанцию. А также для того, чтобы остальное оборудование работало без перебоев: 

• Вентиляция охлаждает трансформаторы и удаляет пыль;
• Отопление предотвращает замерзание в холодном климате;
• Освещение нужно для удобства работы;
• Системы пожаротушения повышают безопасность.

Принцип работы подстанции

Принцип работы любой трансформаторной подстанции поэтапно это выглядит так:

1. Электроэнергия высокого напряжения поступает на вход подстанции по линиям электропередач.​
2. Силовой трансформатор понижает (или повышает) напряжение через электромагнитную индукцию.
3. Преобразованная энергия проходит через распределительные устройства, выключатели и защиту, и передаётся потребителям.​
4. Автоматика подстанции обеспечивает безопасность и контроль нагрузки.

Безопасность и обслуживание

Для безопасной работы подстанции регулярно проводятся профилактические осмотры и испытания оборудования. Персонал проходит обучение и инструктаж по технике безопасности. Используются средства индивидуальной защиты, такие как диэлектрические перчатки и каски. 
Всё оборудование подстанций защищено автоматическими выключателями. Автоматические системы блокировки предотвращают включение напряжения во время ремонта. При возникновении аварий или перегрузок подача тока автоматически прекращается. Таким образом, подстанция обеспечивает надёжное электроснабжение потребителей.

Часто задаваемые вопросы