Статья посвящена одному из основных элементов сети электроснабжения – трансформаторным подстанциям. Рассмотрено назначение подстанций, классификация и основные элементы подстанций. Приведен перечень основных производителей подстанций. Указан способ расчета сугубо ориентировочной цены на киосковую комплектную подстанцию. Впервые описана модель, позволяющая прогнозировать потребность рынка в трансформаторных подстанциях. Сделан прогноз потребности в трансформаторных подстанциях на 2020 - 2021 годы.
В настоящей статье помимо общих вопросов, касающихся любых подстанций, внимание сосредоточено на комплектных подстанциях классов напряжений 6 кВ – 35 кВ. Цель публикации – представить всем заинтересованным специалистам электроэнергетической отрасли новые данные о важнейшем элементе сети электроснабжения – трансформаторной подстанции. Речь пойдет о прогнозировании потребности электрохозяйств России в этом оборудовании (комплектных трансформаторных подстанциях мощностью 25 кВА – 6300 кВА классов напряжений 6 кВ – 35 кВ). Хотя трансформаторным подстанциям посвящен большой объем технической литературы, в частности, это статьи и книги [1-12], вопрос прогнозирования спроса на этот вид электрооборудования до сих пор не рассматривался, поскольку отсутствовали математические модели, позволяющие сделать такой прогноз. Автором несколько лет назад разработана ценологическая модель трансформаторных комплексов, которая связывает объём электропотребления с количеством трансформаторов [13]. Ниже положения этой модели уточняются и развиваются применительно к совокупности трансформаторных подстанций.
Общие сведения о трансформаторных подстанциях
Основное целевое назначение трансформаторных подстанций – экономия электроэнергии при ее передаче за счет трансформации из одного класса напряжения в другой. Ведь передачу электроэнергии на большие расстояния экономичнее осуществлять на высоких напряжениях 35 кВ и выше. Потребление электроэнергии пользователями осуществляется, как правило, до 1000 вольт. Также подстанции выполняют распределение электроэнергии по потребителям, обеспечивают учет электроэнергии и безопасную эксплуатацию.
Термины и определения данной категории электрооборудования установлены в ГОСТ 24291-90 «Электрическая часть электростанции и электрической сети. Термины и определения», применяемый совместно с ГОСТ 19431-84 «Энергетика и электрификация. Термины и определения». Согласно ГОСТ 24291-90 электрической подстанцией (ПС) называется «Электроустановка для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств по ГОСТ 19431». Трансформаторной подстанцией (ТП) называется «Электрическая подстанция, предназначенная для преобразования электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения с помощью трансформаторов». Комплектной трансформаторной подстанцией называется «Подстанция состоящая из шкафов или блоков со встроенным в них трансформатором и другим оборудованием распределительного устройства, поставляемая в собранном или подготовленном для сборки виде». Для дальнейшего изложения необходимо также понятие комплектного распределительного устройства (КРУ): «Электрическое распределительное устройство, состоящее из шкафов или блоков со встроенным в них оборудованием, устройствами управления контроля, защиты, автоматики и сигнализации, поставляемое в собранном или подготовленном для сборки виде. Примечание. Комплектное распределительное устройство может выполняться, например, как комплектное распределительное устройство для наружной установки (КРУН); как комплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией (КРУЭ) и проч.». Основным документом, регламентирующим устройство подстанций являются Правила устройства электроустановок, раздел 4 «Распределительные устройства и подстанции».
Общий вид подстанции и этапы ее монтажа представлены на рисунках 1а – 1в.
Рис. 1а. Общий вид подстанции.
Рис. 1б. Монтаж подстанции.
Рис. 1в. Монтаж подстанции.
В литературе наиболее распространены несколько классификаций трансформаторных подстанций: 1) по территории расположения и классу напряжения; 2) по типу присоединения к электросети; 3) по конструкции корпуса; 4) по типу опоры.
- По территории расположения выделяют узловые подстанции (как правило, это подстанция, рассчитанная на напряжение 110 - 220 киловольт, получающая электроэнергию от магистральной электросети и распределяющая ее по подстанциям глубокого ввода); подстанции глубокого ввода (это, как правило, подстанции класса напряжения 35-220 киловольт, которая также запитывается от магистральной электросети или центрального распределительного пункта, применяется для питания группы подстанций или крупных промышленных предприятий); главные понизительные (понижающие) подстанции (питает электроэнергией непосредственно электроприемники); тяговые подстанции (специальные подстанции, предназначенные для электроснабжения железнодорожного транспорта и городского электротранспорта)
- .По типу присоединения к электросети выделяют узловые, ответвительные, проходные и тупиковые подстанции.
- По конструкции корпуса можно выделить киосковые подстанции (в металлическом корпусе); утепленные (типа «Сэндвич»); блочные подстанции (БКТП, в железобетонной оболочке).
- По типу опоры различают столбовые (рис. 2) и мачтовые подстанции (рис. 3). Мачтовые отличаются тем, что устанавливаются, как правило, на небольшой площадке, находящейся на опорах (чаще железобетонных).
Схематичный вариант классификации подстанций приведен на рис. 4.
Рис. 2. Столбовая подстанция.
Рис. 3. Мачтовая подстанция.
Рис. 4. Схематичное представление классификации подстанций
Основными частями комплектной трансформаторной подстанции являются:
1) распределительный трансформатор;
2) устройства телемеханики, исполнительные механизмы, приборы учета, разъединители - обеспечивают управление подстанцией, контроль параметров её текущего состояния;
3) распределительные устройства (блоки) - обеспечивают распределение электроэнергии по потребителям;
4) ограничители напряжения и разрядники - обеспечивают безопасность эксплуатации подстанции.
Функционально подстанция состоит из трех отсеков: распределительное устройство высокого напряжения (РУВН); трансформаторный отсек; распределительное устройство низкого напряжения (РУНН или РУ-0,4 кВ).
Высокое напряжение от главной подстанции поступает на РУВН. В состав РУВН входят так называемые камеры сборные одностороннего обслуживания (КСО). В КСО находятся выключатели нагрузки (ВН).
РУВН через шинный мост или кабели связан с трансформаторным отсеком, где происходит трансформация электроэнергии.
В РУНН, где расположен главный распределительный щит (ГРЩ), происходит распределение электроэнергии через приборы учета по потребителям.
Основным документом, характеризующим подстанцию, является однолинейная её схема. Пример приведен на рис. 5.
Рис. 5. Однолинейная схема двухтрансформаторной подстанции.
Так как подстанции являются необходимым элементом при электроснабжении любого объекта, это определяет большой спрос на них. Учитывая технологическую простоту производства КТП (по существу, это сборочное производство, требующее помещения и недорогого металлообрабатывающего станочного оборудования), его организация не требует больших капитальных вложений. Вследствие этого, предприятий, производящих подстанции (особенно относительно небольшие по размерам киосковые подстанции и подстанции типа «Сэндвич»), насчитывается сотни. В данной статье в таблице 1 приведены лишь самые крупные предприятия, имеющие возможность производить все типы подстанций, в том числе, комплектные трансформаторные подстанции в бетонной оболочке. Как правило, это заводы, которые производят и силовые трансформаторы. Таким образом, интегрируется бизнес и повышается его доходность.
Цены на трансформаторные подстанции колеблются в очень широких пределах, так как «начинка» подстанции может отличаться очень сильно и по номенклатуре, и по качеству изготовления. зарубежный известный бренд или российский производитель из глубинки). Но базовую, очень приближенную цену на среднюю киосковую подстанцию мощностью до 1600…2500 кВА можно определить по следующему правилу 50/50: стоимость трансформатора составляет ориентировочно половину стоимости подстанции.
Общие понятия о цифровой подстанции
В предыдущих разделах речь шла об обычных подстанциях, в которых большая часть управляющего, регистрирующего, диагностирующего, измерительного оборудования является аналоговым. Эти подстанции прошли несколько этапов эволюции. До середины прошлого века это были, как правило, отдельно стоящие строения из кирпича. Монтаж оборудования, естественно, осуществлялся на месте эксплуатации. В 60-х годах начали изготавливаться первые комплектные элементы подстанций высокой заводской готовности, предназначенные уже для сборки на месте установки оборудования. В 70-х годах появились первые металлические киоски с полностью собранным и испытанным на заводе электрооборудованием. Качественно подстанции изменились с применением высоковольтных вводных устройств в виде элегазовых моноблоков. Но это все еще были аналоговые устройства.
Создание стандарта МЭК – 61850 «Сети и системы связи на подстанциях», описывающего цифровую подстанцию, началось в 80-х годах XX-го века с успешного использования протокола для управления роботами на автомобильных заводах в Детройте в США. Этот протокол в начале 90-х годов лег в основу протокола Utility Communication Architecture, используемого в электроэнергетике в Европе. В 2003 году появилась первая редакция стандарта МЭК-61850. В России старт цифровизации экономики был дан 1 декабря 2016 года в ПОСЛАНИИ ПРЕЗИДЕНТА РФ ФЕДЕРАЛЬНОМУ СОБРАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. Концепция "Цифровая трансформация 2030" [14] была одобрена Советом директоров компании "Россети" в декабре 2018 г. Проектирование цифровых подстанций регламентируется двумя основными документами 1) СТО 34.01-21-005-2019 «Цифровая электрическая сеть. Требования к технологическому проектированию цифровых распределительных электрических сетей 0,4-220 кВ».; 2) СТО 56947007-29.240.10.299-2020. Цифровая подстанция. Методические указания по проектированию ЦПС. Стандарт организации. Дата введения: 26.02.2020. реализованные в России проекты цифровых подстанций приведены в таблице 2. Пока это проекты сооружений в основном класса напряжения 110 кВ.
Математическая модель прогнозирования потребности в комплектных трансформаторных подстанциях
Математическая модель прогнозирования потребности в комплектных трансформаторных подстанциях основана на открытии выдающимся советским и российским ученым проф. д.т.н. Кудриным закона инвариантности структуры больших совокупностей технических объектов (техноценозов – по аналогии с биоценозами) [15, 16]. Принимая за видообразующий параметр мощность подстанции , становится возможным определить количество подстанций каждой мощности , если известна совокупная мощность всех подстанций . Последний параметр можно рассчитать на основе данных о суммарной мощности по актам о технологических присоединениях из годового отчета ПАО Россети за 2019 года (без учета генерации) – 15,1 ГВт. Это значение принято за прогноз объема технологических присоединений. Среднее за последние пять лет значение объема технологических подключений без учета генерации составляет 68,1 % [17-18]. Примем коэффициент мощности в среднем для всей совокупности электроприемников равным 0,75. Коэффициент загрузки подстанции можно принять равным 0,65 (рекомендации для приемников первой категории электроснабжения). Тогда требуемая на 2020 – 2021 годs суммарная полная мощность комплектных трансформаторных подстанций составит 21094 МВА. Рассчитанное по закону [13] требуемое количество подстанций каждой мощности представлено в таблице 3. Суммарное потребное на 2020 – 2021 годы количество комплектных трансформаторных подстанций составляет ~ 75000 штук.
Заключение
Комплектная трансформаторная подстанция является важнейшим элементом сети электроснабжения. За последние 70 лет «облик» трансформаторной подстанции принципиально изменился: подстанция из стационарной кирпичной постройки с аналоговым электроприборами превратилась в современное компактное сооружение высокой заводской готовности с цифровыми приборами. Рынок комплектных трансформаторных подстанций крайне высококонкурентный. Это связано с относительно небольшими капитальными затратами в организацию производства подстанций киоскового типа и типа «Сэндвич». Потребность рынка комплектных трансформаторных подстанций на ближайшие годы составляет по оценкам автора ~ 75000 штук.
Выражаю искреннюю благодарность ГК «Трансформер» за предоставленные фотографии подстанций и другие материалы.
Автор статьи: Ю.М. Савинцев, к.т.н., независимый эксперт
По любым вопросам можно связаться с автором по адресу:
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
Список литературы.
- Мировая эволюция комплектных трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ [Электронный ресурс]. URL: https://www.eprussia.ru/epr/52/2250.htm (Дата обращения 26.09.2020).
- Для чего применяют трансформаторные подстанции. [Электронный ресурс]. URL: https://eltcom.ru/info/articles/dlya-chego-primenyayut-transformatornye-podstantsii/(Дата обращения 26.09.2020).
- Что такое трансформаторная подстанция и как она работает? [Электронный ресурс]. URL: https://asutpp-ru.turbopages.org/asutpp.ru/s/transformatornye-podstancii.html (Дата обращения 26.09.2020).
- Трансформаторные подстанции. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elektro-expo.ru/ru/articles/transformatornaya-podstanciya/ (Дата обращения 26.09.2020).
- Бредихин А. Н. Справочник молодого электромонтажника распределительных устройств и подстанций / А.Н. Бредихин, С.С. Хачатрян. - М.: Высшая школа, 1989. - 160 c.
- Диагностика электрических аппаратов, распределительных устройств электростанций и подстанций. Методичесике указания МУ 1.3.99.0037-2009. - М.: Энергия, 2014. - 616 c.
- Инструкция по организации и производству работ в устройствах релейной защиты и электроавтоматики электростанций и подстанций СО 34.35.302-2006. - М.: Альвис, 2013. - 212 c.
- Красник В. В. Эксплуатация электрических подстанций и распределительных устройств / В.В. Красник. - М.: НЦ ЭНАС, 2010. - 512 c.
- Красник В. Эксплуатация электрических подстанций и распределительных устройств. Производственно-практическое пособие / В. Красник. - М.: НЦ ЭНАС, 2011. - 795 c.
10. Крюков В.И. Обслуживание и ремонт электрооборудования подстанций и распределительных устройств / В.И. Крюков. - М.: Высшая школа; Издание 2-е, испр. и доп., 1989. - 367 c.
11. Лондон С. Е. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам / С.Е. Лондон, С.В. Томашевич. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 c.
12. Маринов Устройство и эксплуатация преобразовательных подстанций городского электротранспорта / Маринов, Абрамович Исаак. - М.: Высшая школа; Издание 2-е, перераб. и доп., 1987. - 336 c.
13. Савинцев Ю.М. Экспертный анализ рынка силовых трансформаторов: Часть 1: I – III габарит / Юрий Михайлович Савинцев. – [б.м.]: - Издательские решения, 2015. – 86 с.
14. Концепция "Цифровая трансформация 2030". [Электронный ресурс]. URL: https://www.rosseti.ru/investment/Kontseptsiya_Tsifrovaya_transformatsiya_2030.pdf (Дата обращения 26.09.2020).
15. Кудрин Б.И. Два открытия: явление инвариантности структуры техноценозов и закон информационного отбора / Кудрин Б.И. – М. – Технетика, - 2009 г. – 82 С.
16. Кудрин Б.И. Математика ценозов: видовое, ранговидовое, ранговое по параметру гиперболические Н-распределения и законы Лотки, Ципфа, Парето, Мандельброта // Философские основания технетики: III. Математический аппарат структурного описания ценозов и гиперболические Н-ограничения. Вып. 19. "Ценологические исследования". - М.: Центр системных исследований, 2002. - С.357-412.
17. ПАО «Россети» в цифрах. [Электронный ресурс]. URL: https://pro-rza.ru/pao-rosseti-v-tsifrah/ (Дата обращения 26.09.2020).
18. Отчет о функционировании ЕЭС России в 2019 году. Системный оператор Единой энергетической системы. – г. Москва. [Электронный ресурс]. URL: https://www.so-cdu.ru/index.php?id=tech_disc2020ups (Дата обращения 26.08.2020).