2. Układy stacji

Stacja elektroenergetyczna jest to zespół urządzeń służący do przetwarzania i rozdziału między poszczególnych odbiorców energii elektrycznej o odpowiednich parametrach, przy określonej niezawodności dostawy. Budowana jest jako napowietrzna lub wnętrzowa.

Podstawowym elementem stacji jest rozdzielnica. Obejmuje ona szyny zbiorcze oraz zespół aparatów łączeniowych, pomiarowych, zabezpieczających, sterowniczych i sygnalizacyjnych, wraz z niezbędnymi elementami przewodowymi, izolacyjnymi i wsporczymi, które wspólnie tworzą układ zdolny do rozdzielania energii elektrycznej o jednym napięciu. W skład rozdzielnicy wchodzą również pola, które związane są z wykonywaniem określonej funkcji, np. zasilania rozdzielnicy (pole zasilające), wyprowadzenia energii z rozdzielnicy (pole odbiorcze), łączenia między sobą systemów lub sekcji szyn zbiorczych (pole sprzęgające), grupujące głównie urządzenia pomiarowe (pole pomiarowe), wyposażone głównie w odgromniki (pole odgromnikowe).

Rys.2.1. Typowe układy pól średnich i wysokich napięć [2]:

a), b) - pola liniowe; c), d) - pola transformatorowe; e) - pole sprzęgła podłużno-poprzecznego, f) - pole pomiarowe.

1 - odłącznik, 2 - wyłącznik, 3 - przekł. prądowy, 4 - przekł. napięciowy,

5 - uziemnik

Stacje o napięciu 110 kV i wyższym buduje się najczęściej jako napowietrzne. Jest to spowodowane tym, że przy wysokich napięciach rozmiary urządzeń oraz odległości między nimi są duże, co powoduje znaczny wzrost kosztów budowy rozdzielnic wnętrzowych.

Zalety stacji napowietrznych:

• nie jest potrzebny budynek, w którym instaluje się aparaturę rozdzielczą,

• łatwość przebudowy stacji,

• krótki czas budowy,

• wygodny dostęp oraz łatwy transport aparatury i elementów konstrukcyjnych,

• przejrzystość układów rozdzielnic, możliwość wykonywania prowizyjnych połączeń i usuwania uszkodzeń.

Wady stacji napowietrznych:

• zależność obsługi od warunków atmosferycznych,

• wymagana duża powierzchnia,

• rozbudowana ochrona odgromowa,

• utrudnione wykonania obwodów pomocniczych.

Jako wnętrzowe buduje się najczęściej stacje do 110 kV, gdyż gabaryty oraz odległości między urządzeniami są stosunkowo małe i z pewnością opłaca się zastosowanie stacji wnętrzowej.

Zalety stacji wnętrzowych:

• mała powierzchnia zabudowy, co zapewnia dużą swobodę lokalizacji,

• dobre warunki pracy przy montażu i instalowaniu urządzeń,

• prosta ochrona odgromowa,

• niezależność obsługi stacji od warunków atmosferycznych.

Wady stacji wnętrzowych:

• długi czas budowy,

• utrudniona rozbudowa,

• możliwość rozprzestrzeniania się awarii.

Biorąc pod uwagę wymienione wyżej wady i zalety stacji, dąży się do budowy stacji wnętrzowych na coraz wyższe napięcia i o mniejszych wymiarach budynków. Zasadnicze ograniczenie gabarytów budynku rozdzielni wnętrzowych osiągnięto przez zastosowanie konstrukcji hermetycznie zamkniętych, w których wszystkie urządzenia wysokiego napięcia znajdują się w atmosferze sześciofluorku siarki SF₆ o ciśnieniu 0,2 - 0,6 MPa - gazu o wytrzymałości elektrycznej wielokrotnie większej nż powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym. Umożliwia to znaczne (nawet kilkunastokrotne) zmniejszenie odległości między biegunami różnych faz i względem uziemionych elementów konstrukcyjnych.

Podstawowe wymagania stawiane układom połączeń stacji są następujące:

1. Powinna być zachowana duża pewność dostawy energii elektrycznej o odpowiedniej jakości, zależna od rodzaju zasilanych odbiorców i odbiorników­
   oraz możliwych strat produkcyjnych i społecznych wynikających z niezaplanowanych przerw w dostawie energii.

2. Powinna istnieć możliwość zmiany układu w miarę rozwoju sieci lub
   rozbudowy i zmiany roli stacji w systemie elektroenergetycznym, bez
   konieczności instalowania wielu bardzo drogich urządzeń, głównie
   transformatorów i wyłączników wysokiego. Rozbudowa stacji nie powinna powodować długotrwa­łych przerw w zasilaniu czy nawet znacznych ograniczeń poboru mocy i energii licznych odbiorców energii elektrycznej.

3. Przy uszkodzeniach szyn zbiorczych lub innych elementów stacji powinno być zapewnione całkowite lub częściowe zasilanie odbiorców
   polegające na wykorzystaniu jawnej lub ukrytej rezerwy urządzeń.

4. Powinna istnieć możliwość odłączenia spod napięcia dowolnego wyłącznika w celu wykonania jego naprawy lub konserwacji bez długotrwałej przerwy w pracy połączonej z nim linii.

5. Powinna istnieć duża elastyczność układu, stwarzająca możliwość zasilania odbiorców przy planowanych lub zakłóceniowych wyłączeniach lub przełączeniach części urządzeń stacji. Przełączenia powinny odby­wać się bez przerw w zasilaniu odbiorców i przy możliwie małej liczbie operacji łączeniowych, wykonywanych szczególnie odłącznikami.

6. Powinna być zachowana przejrzystość układu stacji oraz dogodna jej
   eksploatacja, zapewniająca personelowi łatwą orientację i bezpieczną
   obsługę, czyli możliwość wykonywania przełączeń bez ryzyka wywoła­nia zakłóceń.

7. Przy dowolnych zakłóceniach na terenie stacji lub poza nią, liczba odbiorców dotkniętych skutkami zakłócenia powinna być możliwie najmniejsza.

8. Powinna istnieć możliwość ograniczenia nadmiernych wartości prądu
   zwarciowego występującego w poszczególnych fragmentach stacji.

9. Układ połączeń stacji powinien zapewniać ekonomiczne rozwiązanie
   pod względem nakładów inwestycyjnych i eksploatacyjnych.

10. Układ połączeń stacji i wyposażenie w aparaturę powinny być takie, aby możliwa była praca stacji bez stałej obsługi.

Spełnienie tych wszystkich wymagań jest bardzo trudne, a często wręcz niemożliwe. W czasie projektowania rozpatruje się kilka wybranych wa­riantów układów połączeń obwodów głównych, z których wybiera się jeden, będący podstawą opracowania projektu technicznego stacji. Wybór wynika zwykle z analizy kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych, przy czym nie zawsze uwzględnia się w zadowalającym stopniu koszty strat powodowanych zawodnością układu. Stosowane praktycznie metody analizy umożliwiają jedynie przybliżone oszacowanie spodziewanych zysków i strat.

Układy połączeń stacji mogą być klasyfikowane na podstawie różnych kryteriów podziału. Najbardziej istotny wydaje się podział ze względu na sposób rozwiązania połączeń między liniami a transformatorami występującymi w stacji (rys. 2.2).

Rys.2.2. Klasyfikacja układów połączeń stacji elektroenergetycznych [2]

2.1. Układy z szynami zbiorczymi

Pojedynczy system szyn zbiorczych.

Pojedyncze systemy szyn zbiorczych są stosowane w rozdzielniach o napięciu od 6 do 110 kV oraz powszechnie w rozdzielniach niskiego napięcia.

Podczas zasilania rozdzielni z jednego źródła stosuje się przeważnie układ niesekcjonowany (rys. 2.3). Zaletą takiego układu są praktycznie najniższe z możliwych nakłady inwestycyjne oraz duża przejrzystość układu, która wyklucza w zasadzie możliwość dokonania błędnych przełączeń. Wadą układu jest jednak to, że każde zakłócenie obejmujące szyny zbiorcze lub dowolny z odłączników szynowych powoduje przerwę w pracy całej stacji. Nie zapewnia więc dużej niezawodności zasilania i elastycznej eksploatacji. Układ można stosować do zasilania odbiorców o niewielkich wymaganiach dotyczących pewności dostawy energii lub mających również inne, rezerwowe źródła zasilania.

Rys.2.3. Pojedynczy niesekcjonowany system szyn zbiorczych rozdzielnicy średniego

napięcia [2]

W momencie zasilania stacji z dwóch lub więcej źródeł zwiększenie niezawodności zasilania można uzyskać poprzez zastosowanie sekcjonowanego systemu szyn zbiorczych. W tym celu dzieli się szyny na sekcje zasilane z odrębnych źródeł energii. Podział ten polega na zainstalowaniu w ciągu szyn zbiorczych odłącznika, dwóch odłączników lub wyłącznika z odłącznikami (rys. 2.4). Łączniki tego typu nazywa się sekcyjnymi. Sekcjonowanie szyn odłącznikami polega na tym, że poszczególne sekcje pracują na ogół nie połączone ze sobą. W przypadku kiedy każda z sekcji zasilana jest z oddzielnych transformatorów, wymaga się zbilansowania mocy odbiorników i transformatorów, a praca stacji może się odbywać w warunkach niekoniecznie najbardziej korzystnych. Podczas zakłóceń na szynach lub w urządzeniach linii przyłączonych do jednej z sekcji , w razie stosowania łączników sekcyjnych istnieje możliwość wyłączenia sekcji uszkodzonej i utrzymanie pracy w sekcjach pozostałych.

W układzie z szynami sekcjonowanymi istnieje możliwość wykonywania dowolnych prac w polach jednej z sekcji podczas normalnej pracy sekcji drugiej. Jedynie w wariancie (a) przedstawionym na rys. 2.4 podczas uszkodzenia lub przeglądów konserwacyjnych odłącznika sekcyjnego konieczne jest wyłączenie spod napięcia całej rozdzielni. Z tych też powodów najczęściej stosowane jest sekcjonowanie dwoma odłącznikami lub wyłącznikiem i odłącznikami.

Rys.2.4. Pojedynczy system szyn zbiorczych[2]: sekcjonowany odłącznikiem (a), dwoma odłącznikami (b) lub wyłącznikiem i odłącznikami (c)

Podwójny i potrójny system szyn zbiorczych.

Najistotniejszą wadą rozdzielnic z pojedynczym systemem szyn zbiorczych jest występowanie przerw w zasilaniu odbiorników podczas uszkodzeń lub konserwacji szyn i urządzeń przyłączonych bezpośrednio do szyn. Sekcjonowanie szyn wprawdzie ogranicza ilość przerw w dostawie energii do odbiorców zasilanych z danej stacji, lecz całkowicie tej wady nie eliminuje. Rozwiązaniami w pełni eliminującymi tę wadę poprzez rezerwowanie szyn zbiorczych są podwójne i potrójne systemy szyn zbiorczych.

Charakterystyczną cechą rozdzielnic z podwójnym systemem szyn zbiorczych jest połączenie każdego pola z obydwoma systemami, z których jeden (dowolny) jest systemem roboczym, a drugi rezerwowym (rys. 2.10). Systemy szyn mogą być połączone ze sobą za pomocą wyłącznika systemowego, nazywanego również wyłącznikiem sprzęgłowym. Układ z podwójnym systemem szyn zbiorczych jest stosowany w stacjach, w których konieczna jest duża niezawodność zasilania. Wyłącznik systemowy w normalnych warunkach pracy stacji jest wyłączony.

Do zalet układu z podwójnym systemem szyn zbiorczych można zaliczyć:

• możliwość pracy z użyciem jednego systemu szyn podczas naprawy drugiego,

• możliwość prowadzenia napraw wyłączników liniowych bez długotrwałej przerwy w pracy,

• możliwość szybkiego przywrócenia zasilania odbiorców w przypadkach zwarć lub innych zakłóceń w roboczym systemie szyn zbiorczych,

• możliwość rozdzielenia źródeł zasilania i odbiorców na dwie niezależne grupy, przez co uzyskuje się zmniejszenie mocy zwarciowych na szynach oraz możliwość wydzielenia grupy odbiorców o znacznych i częstych zmianach obciążenia.

Za wady układu z podwójnym systemem szyn zbiorczych uważa się:

• wykonywanie dużej liczby łączeń odłącznikami, co może prowadzić do groźnych zakłóceń w wyniku błędnych czynności,

• duży koszt, o 20-50% większy od kosztów układu z pojedynczym systemem szyn zbiorczych.

Wyłącznik systemowy, który podczas normalnej pracy stacji jest otwarty, pozwala realizować następujące zadania:

• przenoszenie obciążenia z jednego systemu szyn na drugi, bez przerwy w zasilaniu odbiorców,

• zastąpienie na czas naprawy lub konserwacji dowolnego wyłącznika liniowego,

• połączenie obydwu systemów szyn do pracy równoległej,

Podczas przenoszenia obciążenia z jednego systemu szyn na drugi kolejność łączeniowa jest następująca:

1. Zamknięcie odłączników w polu wyłącznika systemowego, a następnie załączenie wyłącznika systemowego w celu połączenia obydwu systemów.

2. Zamknięcie odłączników szynowych należących do systemu II.

3. Otwarcie odłączników szynowych należących do systemu I.

4. Wyłączenie wyłącznika systemowego, a następnie otwarcie odłączników tego pola.

Rys.2.5. Rozdzielnia z podwójnym systemem szyn zbiorczych [2]:

W_s- wyłącznik systemowy.

Rozdzielnie trójsystemowe są bardziej niezawodne niż dwusystemowe, różnica jest jednak niewielka. Charakteryzują się tym, iż złożoność wszelkiego rodzaju przełączeń jest jeszcze większa jak w rozdzielniach dwusystemowych. Powoduje to możliwość wykonania błędnych czynności łączeniowych, gdyż układ jest mało przejrzysty, szczególnie przy zastosowaniu różnych sprzęgieł systemowo-sekcyjnych. Tego typu rozwiązanie realizowane jest w dużych rozdzielniach elektrownianych, niekiedy w bardzo dużych stacjach zasilających kombinaty przemysłowe.

Rys.2.6. Fragment schematu rozdzielni o potrójnym systemie szyn zbiorczych [2]:

W_s- wyłącznik systemowo-sekcyjny

2.2. Układy bezszynowe

Układy połączeń blokowe i mostkowe.

Układy połączeń blokowe i mostkowe stosuje się w stacjach, które zasilane są jedną lub też dwiema liniami.

Układy blokowe charakteryzują się szeregowym połączeniem wszystkich elementów obwodu głównego bez pośrednictwa szyn zbiorczych. Układy te stosuje się najczęściej w pierwszym etapie budowy rozdzielni 110 kV, natomiast w końcowym etapie mogą być rozbudowane do układów mostkowych lub szynowych. Są rozpowszechnione w sieciach średniego napięcia. W przeszłości w układzie linia-transformator, aby nie instalować stosunkowo drogiego wyłącznika w polu transformatora (rys 2.7a) stosowano często jedynie zwierniki (2.7b,c), które współpracowały z prostymi zabezpieczeniami. Zasada działania zwiernika polegała na tym, że w przypadku uszkodzeń lub zakłóceń w pracy transformatora powodował on metaliczne zwarcie z ziemią, wywołując działanie odpowiednich zabezpieczeń w stacji zasilającej i wyłączenie linii.

Układy blokowe stosuje się w stacjach o niewielkiej liczbie pól, przeważnie z jedną linią zasilającą.

Rys.2.7. Blokowe układy połączeń [2]:

a, b) stacji jednotransformatorowych; c) stacji dwutransformatorowej,

Z- zwiernik

Układy mostkowe typu „H” są przejrzyste i stosunkowo tanie, umożliwiają wzajemne rezerwowanie zarówno linii jak i transformatorów. Najprostszy układ mostkowy typu „H” można uzyskać poprzez połączenie linii dwóch bloków w stacji odbiorczej. Połączenie polega na zainstalowaniu odłącznika lub wyłącznika z odłącznikami. Ze względu na swą elastyczność układy mostkowe umożliwiają prace w następujących konfiguracjach:

• równoległe połączenie linii i transformatorów,

• dwie linie zasilające i jeden transformator,

• jedna linia zasilająca i dwa transformatory,

• jedna linia zasilająca i jeden transformator.

Rys. 2.8. Układy mostkowe H z trzema wyłącznika­mi [2]:

a) w poprzeczce i polach liniowych; b) w poprzeczce i polach transformatoro­wych

W układzie przedstawionym na rys. 2.8a zwarcie w linii powoduje samoczynne zadziałanie odpowiedniego wyłącznika liniowego. Obydwa transformatory mogą pracować zasilane jedną linią pod warunkiem, że prąd znamionowy łączników liniowych i obciążalność linii są dobrane z uwzględnieniem możliwości takiej pracy. Zwarcie w transformatorze po­woduje jednoczesne wyłączenie uszkodzonego transformatora i zasilającej go linii. Celowego wyłączenia transformatora można dokonać bez wyłącze­nia linii, jeżeli jest dopuszczalne przerwanie odłącznikiem prądu pracy ja­łowej transformatora. Układ jest stosowany w stacjach końcowych o rów­nomiernym i znacznym obciążeniu transformatorów, nie wymagających częstych wyłączeń jednego z nich.

W układzie jak na rys. 2.8b przy zwarciu w linii następuje jednoczesne wyłączenie linii i odpowiedniego transformatora, który może być włączony ponownie do ruchu po wykonaniu kilku manipulacji łączeniowych. Wyłą­czenie jednego transformatora nie wymaga wyłączenia żadnej linii. Zwarcie w transformatorze nie powoduje wyłączenia linii i przerwy w przesyle ener­gii liniami. Z tych względów układ nadaje się do stosowania w stacjach przelotowych, przy silnie zmiennym w czasie obciążeniu transformatorów, uzasadniającym celowość ich częstych załączeń i wyłączeń.

Aby wyeliminować wady przedstawionych wyżej układów, stosuje się ich wersje z pięcioma wyłącznikami. W opisanych układach nie ma jawnego rezerwowania żadnego z wyłączników, a funkcję tą pełni w ograniczonym zakresie wyłącznik mostkowy. Z tego też względu realizuje się niekiedy układy z dodatkowym połączeniem poprzecznym, wykonanym za pomocą dwóch odłączników lub wyłącznika z odłącznikami, po drugiej stronie wyłączników liniowych. Wymaga to dodatkowego zainstalowania po jednym odłączniku w każdej z linii.

Układy połączeń wieloblokowe.

W sieciach wysokich i najwyższych napięć - 400 kV i wyższych - są nie­kiedy stosowane, głównie w USA, Kanadzie i Rosji, wieloblokowe ukła­dy połączeń stacji. Rozpowszechnione są układy o kształcie czworoboku z dwiema liniami oraz dwoma transformatorami (rys. 2.9) oraz sześcioboku z dwoma lub trzema liniami. Niezależnie od kształtu wieloboku, w każdym jego boku znajdują się wyłącznik i dwa odłączniki. Linie i trans­formatory są przyłączone do wierzchołków wieloboku. Stacja w normalnych warunkach pracuje przy zamkniętych wszystkich łącznikach.

Do istotnych zalet omawianych rozwiązań zalicza się:

• rezerwowanie wyłączników - każde pole może być obsługiwane przez
  dwa wyłączniki znajdujące się w bokach wieloboku łączących się
  z wierzchołkiem, do którego jest przyłączona linia lub transformator,

• wykonywanie wyłącznikami wszelkich czynności łączeniowych związa­nych ze zmianą układu połączeń stacji; manipulowanie odłącznikami jest
  możliwe jedynie w stanie bezprądowym, przy wyłączonych wyłączni­kach, nie występuje więc zagrożenie dokonania błędnych czynności łą­czeniowych odłącznikami,

• niezawodność pracy stacji jest większa niż stacji dwusystemowych, chociaż liczba wyłączników równa liczbie pól liniowych i transformatorowych jest mniejsza niż w układzie dwusystemowym.

Do wad układów wielobokowych należy:

• konieczność doboru łączników i przekładników prądowych na prądy ro­bocze będące sumą prądów wszystkich lub niektórych odbiorów, zależ­nie od liczby boków wieloboku (przy pracy układu jako otwartego prze­pływają przez nie prądy większe niż prądy pojedynczych odbiorów);

• trudności z rozbudową rozdzielni,

• skomplikowany układ zabezpieczeń ze względu na zależność wartości
  prądów roboczych i zwarciowych od tego, czy układ pracuje jako zamknięty czy otwarty oraz od miejsca przecięcia układu.

Rys.2.9. Schematy rozdzielni wielobokowe [2]:

a) - o kształcie czworoboku; b), c) - możliwe warianty rozmieszczenia urządzeń w

terenie

Zakłócenia w pracy linii lub transformatorów powodują działanie dwóch przyległych doń wyłączników, przy zachowaniu ciągłości pracy wszystkich pozostałych elementów układu. Szczególnie niekorzystnym za­kłóceniem jest zwarcie w dowolnym wyłączniku, gdyż wówczas konieczne jest działanie dwóch wyłączników w sąsiednich bokach wieloboku, a zatem wyłączenie dwóch pól przylegających do uszkodzonego wyłącznika. Szyb­kie przywrócenie pełnej pracy stacji nie sprawia jednak dużych kłopotów.

18

---