Charakterystyka stacji transformatorowo-rozdzielczych

1. Klasyfikacja

Duże stacje elektroenergetyczne, zwane stacjami transformatorowo-rozdzielczymi, składają się z rozdzielni górnego napięcia transformatorów
i rozdzielni dolnego napięcia (rysunek 1). Same transformatory, szczególnie na wyższe napięcia, są zazwyczaj urządzeniami napowietrznymi, natomiast rozdzielnie buduje się zarówno jako napowietrzne, jak i wnętrzowe. Zależy od wartości napięcia, zajmowanej powierzchni terenu, strefy zabrudzeniowej oraz indywidualnych warunków lokalizacyjnych.
Gdy stacja zamiast transformatorować przetwarza w inny sposób energię elektryczną, nazywa się ją stacją prostownikową lub przetwornicową.
Jak wiadomo, rozdzielnie składają się z rozdzielnic oraz urządzeń
i pomieszczeń pomocniczych. Z kolei na rozdzielnicę składają się szyny zbiorcze oraz kilka pól rozdzielczych.




Rysunek 1. Schemat stacji elektroenergetycznej.


Celki, czyli osłony konstrukcyjne mieszczące w sobie wyposażenie poszczególnych pól w rozdzielniach wnętrzowych, dzieli się na otwarte
i osłonięte. Celki otwarte, dawniej stosowane powszechnie, są obecnie zastępowane celkami osłoniętymi. Stopień szczelności osłon zależy od warunków środowiskowych, w jakich rozdzielnica ma pracować.
Wszystkie tory prądowe przewodzące prąd roboczy nazywa się obwodami głównymi w przeciwieństwie do obwodów zabezpieczeń, sterowania, sygnalizacji i pomiarowych, które noszą nazwę obwodów pomocniczych. Obwody pomocnicze są zasilane prądem stałym lub przemiennym niskiego napięcia.


2. Układy połączeń obwodów głównych.

2.1. Układy zasilania i transformacji.

Aby stacja elektroenergetyczna prawidłowo spełniała swoje zadania
w systemie elektroenergetycznym, powinna odpowiadać pewnym wymogom, do których zalicza się:
· odpowiednią do potrzeb pewność zasilania;
· maksymalnie prosty i przejrzysty układ połączeń;
· dostosowanie się do układu zasilania obecnego i przyszłościowego;
· bezpieczeństwo obsługi w czasie eksploatacji;
· ekonomiczność (jak najniższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne);
· możliwość rozbudowy.

Zasadniczy wpływ na układ stacji ma pewność zasilania odbiorcy
i związany z tym bezpośrednio sposób zasilania i transformacji.
Stacje mogą być zasilane jedną lub wieloma liniami (rysunek 2). Jedną linią są zasilane stacje końcowe. Zasilanie to może być bezpośrednie 1 lub
w odczepie 2. Tego typu zasilanie mają najczęściej wiejskie stacje średniego napięcia.







Rysunek 2. Układ zasilania stacji elektroenergetycznych: a) stacja zasilania bezpośredniego jedną linią (1) i z odczepu (2); b) stacja przelotowa zasilana dwiema liniami (3); c) stacje zasilane wieloma liniami (4 i 5); pole zakreskowane oznacza powiązanie stacji zasilających systemem elektroenergetycznym.

Dwiema liniami są zasilane przeważnie stacje przelotowe. Jest to najczęściej spotykany sposób zasilania, zwłaszcza stacji przemysłowych. Zasilanie wieloma liniami ma zazwyczaj miejsce w odniesieniu do stacji węzłowych w systemie elektroenergetycznym lub do dużych stacji przemysłowych. Należy zwrócić uwagę na różnice w zasilaniu stacji 4 i 5. Stacja 4 jest zasilana trzema liniami z trzech różnych stacji należących do systemu elektroenergetycznego i charakteryzuje się dużym stopniem pewności. Natomiast stacja 5 jest zasilana też trzema liniami, lecz z tego samego punktu zasilającego i stopień pewności zasilania jest niewiele większy od pokazanego na rysunku 2a — np. awaria szyn w stacji zasilającej pozbawia też zasilania stację 5.
Podobnie jak liczba linii i punktów zasilających, istotny wpływ na pewność zasilania ma liczba transformatorów. W zależności od liczby transformatorów rozróżnia się:
1. Stacje jednotransformatorowe — występujące głównie w wiejskich
i miejskich sieciach średnich napięć, wyjątkowo również w sieciach — 110 kV w zakładach przemysłowych. W sieciach miejskich
i przemysłowych powinno być wówczas możliwe rezerwowanie mocy po stronie dolnego napięcia. Tego typu stacje są często stosowane w układzie blokowym (szeregowo: linia plus transformator).
2. Stacje dwutransformatorowe — najczęściej stosowane układy stacji (głównie w połączeniu z dwiema liniami zasilającymi), przede wszystkim do zasilania zakładów przemysłowych, lecz również
w innych sieciach. W ten sposób buduje się większość stacji na napięcie 110 kV i wyższe.
3. Stacje wielotransformatorowe — stosowane gdy:
· Wydziela się transformator do zasilania odbiorów niespokojnych (gwałtowne wahania poboru mocy, a tym samym napięcia);
· Wskutek zmienności obciążenia można w pewnych porach wyłączyć część transformatorów;
· Dwa transformatory o maksymalnych mocach znamionowych nie spełniają warunków doboru.

2.2. Systemy szyn zbiorczych i układy rozdzielni.

Kolejnym elementem stacji elektroenergetycznych są szyny zbiorcze. Ich systemy i sposoby połączenia z liniami i transformatorami w zasadniczy sposób wpływają na pewność zasilania odbiorców.
Występujące w praktyce układy rozdzielni można podzielić na kilka zasadniczych grup:
· Pojedynczy system szyn zbiorczych;
· Podwójny system szyn zbiorczych;
· Wielokrotny system szyn zbiorczych;
· Układy blokowe;
· Układy mostkowe;
· Układy wielobokowe.

Układy o pojedynczym systemie szyn zbiorczych są stosowane głównie w sieciach o niskim napięciu, lecz spotyka się je również dosyć często
w sieciach średnich napięć oraz stosunkowo rzadko w sieciach 110 kV do zasilania odbiorców mniej ważnych z punktu widzenia ciągłości dostawy energii elektrycznej. Są one, poza układami blokowymi, najtańszymi inwestycyjnie układami rozdzielnic.
Gdy wymagania dotyczące niezawodności zasilania są wyższe, stosuje się podwójny system szyn zbiorczych. W czasie normalnej pracy odbiory są przyłączone na ogół do jednego systemu, a drugi stanowi rezerwę. Aby było możliwe rozdzielenie odbiorów na dwie niezależne grupy, stosuje się dodatkowo sekcjonowanie systemu głównego. Dla zmniejszenia mocy zwarciowych stosuje się nieraz niezależną pracę obu systemów szyn zbiorczych jednocześnie (wówczas systemy nie są sekcjonowane). W bardzo dużych rozdzielniach spotyka się sekcjonowanie obu systemów szyn zbiorczych.
Gdy odbiory wymagają ciągłości zasilania, a jednocześnie rozdzielnica charakteryzuje się dużą częstością łączeniową (częste przeglądy i remonty wyłączników), wówczas stosuje się układy rozdzielni z szyną obejściową,
co umożliwia nieprzerwane zasilanie przy nieczynnym wyłączniku liniowym. W takim układzie wyłącznik sprzęgłowy obejściowy jest rezerwowym wyłącznikiem dla wszystkich linii przyłączonych do szyn zbiorczych.
Na podobnej zasadzie jak układy o podwójnym systemie szyn zbiorczych są budowane układy o wielokrotnym systemie szyn zbiorczych (w praktyce najwyżej trzy systemy).
Układy blokowe są najprostszymi układami stosowanymi w sieciach wysokiego napięcia. Są to układy bezszynowe, w których nie ma rozdziału energii (rozdział następuje po stronie dolnego napięcia transformatora). Stosuje się układy blokowe transformator – linia lub generator – transformator – linia. W układach uproszczonych, zamiast wyłącznika, po stronie górnego napięcia transformatora umieszcza się zwiernik, który
w chwili zwarcia miedzyzwojowego lub innego uszkodzenia transformatora powoduje, pod wpływem impulsu zabezpieczenia, bezpośrednie doziemienie jednej fazy i tym samym zadziałanie wyłącznika zasilania linii. Po wyłączeniu, w czasie przerwy beznapięciowej w cyklu SPZ, otwiera się współpracujący ze zwiernikiem odłącznik o napędzie najczęściej sprężynowym. Układy blokowe są z zasady wykorzystywane w sieciach
o napięciu 110 kV i wyższym, a wiec tam, gdzie ograniczenie liczby wyłączników przynosi znaczne oszczędności.
Powszechnie stosowanymi układami, szczególnie w przemysłowych stacjach na napięcie 110 kV, są układy mostkowe, zwane również układami H. Ich genezą były dwa układy blokowe, które zostały połączone poprzeczką zastępującą szyny. Pełny układ H jest układem pięciowyłącznikowym
z wyłącznikami umieszczonymi w obu polach liniowych
i transformatorowych oraz w poprzeczce.
Najczęściej spotyka się uproszczone układy H, w których może być stosowany tylko jeden wyłącznik w poprzeczce lub też trzy wyłączniki:
w poprzeczce i obu polach liniowych albo w poprzeczce i obu polach transformatorowych. Odłączniki są stosowane w każdym polu niezależnie od wyłączników.
Układ trójwyłącznikowy jest stosowany wówczas, gdy stacja jest stacją końcową, gdyż uszkodzenie transformatora (otwarcie wyłączników: liniowego i poprzeczki) powoduje konieczność czasowej przerwy
w przesyłaniu mocy w obwodzie linia – poprzeczka – linia. Natomiast uszkodzenie linii nie powoduje przerwy w pracy obu transformatorów.
W stacji przelotowej, gdy jest konieczny ciągły przepływ mocy liniami, korzystniejszy jest układ z wyłącznikami w poprzeczce i obu polach transformatorowych, gdyż uszkodzenie transformatora nie wpływa na przelotowy przesył mocy.
W sieciach najwyższych napięć, o wartości 400 kV i większej, coraz częściej stosuje się układy wielobokowe charakteryzujące się dużą pewnością zasilania przy stosunkowo niewielkich kosztach. W układach tych, przy liczbie wyłączników odpowiadającej liczbie pól, każde pole ma dwa wyłączniki, a każdy wyłącznik obsługuje dwa pola. W ten sposób stworzono pewny i elastyczny układ.

2.3. Układy pól rozdzielczych.

W rozdzielnicach rozróżnia się następujące rodzaje pól:
· liniowe (dopływowe i odpływowe, napowietrzne i kablowe);
· transformatorowe;
· sprzęgłowe;
· pomiarowe;
· odgromnikowe.

O rozmieszczeniu aparatury łączeniowej w poszczególnych polach rozdzielczych można się już było zorientować przy omawianiu różnych układów rozdzielnic. Zazwyczaj (szczególnie w sieciach wyższych napięć) kolejność instalowania aparatów, patrząc od strony szyn zbiorczych, jest następująca:
1. odłącznik szynowy;
2. wyłącznik;
3. przekładnik prądowy;
4. przekładnik napięciowy;
5. odłącznik (liniowy lub transformatorowy).

Komplet wymienionych urządzeń występuje najczęściej w polach liniowych, chociaż i wtedy dla średnich napięć stosuje się znaczne uproszczenia (rysunek 3. c, d). Jeżeli pole liniowe ma połączenie obejściowe, to przekładniki umieszcza się za tym połączeniem, od strony linii (rysunek 3. b). Gdy w polu liniowym znajduje się tylko odłącznik, wówczas na drugim końcu linii należy zainstalować wyłącznik (rysunek 3. d),
a zdolność łączeniowa odłącznika powinna umożliwić wyłączenie linii
w stanie jałowym. Jeśli nie ma możliwości podania napięcia od strony linii,
to można zrezygnować ze stosowania odłącznika liniowego (rysunek 3. c).





Rysunek 3. Wyposażenie pól rozdzielczych: A(, b), c), d) liniowych; e), f) pomiarowych; g), h), i), j) transformatorowych.

W polach transformatorowych można zrezygnować z instalowania odłącznika przed samym transformatorem, jeżeli nie ma możliwości przedostania się napięcia od strony wtórnej. W polach tych można również nie umieszczać wyłącznika, jeśli zastosuje się zwiernik lub zastąpi go bezpiecznikami z koniecznością umieszczenia wyłącznika po stronie dolnego napięcia (rysunek 3. i) i możliwością wyłączania biegu jałowego transformatora odłącznikiem.
W rozdzielniach średnich napięć pole transformatorowe ma często rozłącznik izolacyjny – umożliwiający wyłączenie transformatora, oraz bezpieczniki – stanowiące zabezpieczenie zwarciowe (rysunek 3. j).
W polach sprzęgłowych, oprócz wyłącznika i odłączników, instaluje się przekładniki prądowe i napięciowe. Pole to w czasie awarii może być rezerwą każdego innego pola. Rezerwę taką może stanowić wyłącznik, odłącznik lub zabezpieczenia zasilane z zainstalowanych w polu sprzęgłowym przekładników.
Przekładniki napięciowe instalowane w polach liniowych stanowią element tego pola i są przyłączane najczęściej bezpośrednio do obwodu głównego (rysunek 3. a, b, c). Natomiast przekładniki napięciowe przyłączane do szyn zbiorczych wymagają osobnego pola pomiarowego i są dołączane za pośrednictwem odłączników lub odłączników i bezpieczników (średnie napięcie) – rysunek 3. e, f.
Zgodnie z przepisami wymaga się, aby miejsce pracy (oprócz wyłączenia napięcia) było obustronnie uziemione. Ponieważ posługiwanie się uziemieniami przenośnymi, zwłaszcza na najwyższe napięcia, jest niedogodne i pracochłonne, w pewnych miejscach stacji instaluje się na stałe uziemniki: w liniach najwyższych napięć – we wszystkich koniecznych przy eksploatacji miejscach, natomiast w liniach średniego napięcia – najczęściej tylko w polach liniowych od strony linii.

3. Rozwiązania konstrukcyjne stacji.

3.1. Stacje napowietrzne.

Stacje napowietrzne buduje się głównie dla napięć od 110 kV wzwyż. Stosunkowo rzadko są one spotykane w sieciach średnich napięć.
Do głównych zalet stacji napowietrznych zalicza się:
· mniejsze koszty inwestycyjne w porównaniu z kosztami stacji wnętrzowych (brak budynku);
· krótki okres budowy;
· łatwą rozbudowę;
· przejrzystość budowy i łatwą eksploatację.

Pomimo tych zalet mają one również wady:
· zasadniczy wpływ na ich pracę ma stopień zabrudzenia atmosfery;
· zajmują znacznie większy teren niż stacje wnętrzowe;
· ich praca zależy w dużym stopniu od warunków atmosferycznych, jest konieczne stosowanie rozbudowanej ochrony odgromowej;
· duże koszty wykonania obwodów pomocniczych.

Stacje transformatorowo-rozdzielcze składają się najczęściej (rysunek 1.)
z dwóch rozdzielnic – górnego i dolnego napięcia, oraz z transformatorów. Jeżeli dolnym napięciem jest napięcie średnie, to jego rozdzielnica jest zazwyczaj wnętrzowa o wyprowadzeniach liniowych napowietrznych lub kablowych. Plan typowej stacji napowietrznej KSU-110 (do układu H 110/15 kV) jest przedstawiony na folii (rysunek 4). Gdy transformacja odbywa się na najwyższych napięciach, np. 400/110 kV lub 220/110 kV, wówczas, jeżeli jest to możliwe, obie rozdzielnie
są napowietrzne.
Teren stacji powinien być ogrodzony. Niezależnie od tego teren rozdzielnicy napowietrznej powinien być również oddzielony od reszty stacji ogrodzeniem wewnętrznym, jeżeli na teren stacji mają dostęp osoby spoza obsługi.
Aparatura oraz inne części będące pod napięciem powinny być umieszczone na odpowiedniej wysokości dla ochrony przed przypadkowym dotknięciem. Jeżeli warunek ten nie jest zachowany, urządzenia należy ogrodzić osłonami pełnymi z siatki lub poręczami.
Przewody w rozdzielniach napowietrznych zawiesza się na specjalnych konstrukcjach wsporczych, które mogą być żelbetowe lub stalowe. Zarówno do połączeń miedzy aparatami, jak i na szyny zbiorcze wykorzystuje się przewody gołe, takie same jak w liniach napowietrznych (prawie wyłącznie AFL). Konstrukcje służące do zawieszania przewodów noszą nazwę bramek. Rozróżnia się bramki liniowe (wprowadzenie linii), transformatorowe
i szynowe.
Do ustawienia aparatury stosuje się konstrukcje żelbetowe lub stalowe. Mogą one być wysokie lub niskie, w zależności od tego, jak jest rozwiązana stacja i na jakiej w związku z tym wysokości będą umieszczane urządzenia.

3.2. Stacje wnętrzowe.

Do głównych zalet rozdzielnic i stacji wnętrzowych zalicza się:
· zajmowanie stosunkowo niewielkiego terenu;
· łatwość przeglądów i konserwacji;
· uniezależnienie się od warunków atmosferycznych i zabrudzeń.

Stacje średniego napięcia mają najczęściej transformator umieszczony
w budynku, w specjalnej komorze transformatorowej, natomiast
w rozdzielnicach średniego napięcia, będących częścią składową stacji najwyższych napięć, transformator znajduje się na zewnątrz.
Rozdzielnice na napięcie do 20 kV są obecnie prawie wyłącznie rozdzielnicami prefabrykowanymi. Do najpopularniejszych można zaliczyć rozdzielnice o budowie otwartej serii RU. Mają one celki oddzielone od siebie ściankami wykonanymi z płyt paździerzowych pokrytych farbą ognioodporną. Każda celka składa się z dwóch klatek. W klatce dolnej można wyróżnić część wysokiego napięcia i niskiego napięcia. Klatka górna jest przystosowana do montowania szyn zbiorczych, odłączników i daszków łukoochronnych. Dolną część rozdzielnic stanowią celki kablowe. Rozdzielnice buduje się z pojedynczym lub z podwójnym układem szyn zbiorczych. Rozdzielnice wolnostojące z pojedynczym układem szyn mogą być wykonane jako bezpieczne, tj. całkowicie osłonięte od strony obsługi.
Innym typem jest rozdzielnica uniwersalna z celkami uproszczonymi RUe. Jej przód jest osłonięty blaszaną osłoną stałą oraz jednoskrzydłowymi drzwiami, boki zaś ściankami blaszanymi, natomiast tył jest otwarty. Celka ma konstrukcję szkieletową z kątownika hutniczego.
Bardzo praktyczne i bezpieczne w eksploatacji są tzw. rozdzielnice dwuczłonowe, które składają się z członu stałego, zwykle w kształcie szafy,
i członu ruchomego w postaci wózka. Człon ruchomy, wyposażony
w łączniki, przekładniki i inne aparaty, jest wysuwany z członu stałego. Wyróżnia się cztery stany wzajemnego usytuowania członów:
1. Stan pracy (człon ruchomy jest wsunięty do członu stałego, tory główne i pomocnicze obydwu członów są połączone).
2. Stan próby (człon ruchomy jest częściowo wysunięty, tory główne
są rozłączone z widoczną przerwą, natomiast pomocnicze – połączone, co umożliwia wykonanie prób działania poszczególnych urządzeń).
3. Stan spoczynku (rozłączone są zarówno tory główne, jak
i pomocnicze).
4. Stan rozdzielenia obydwu członów.



Rysunek 5. Rozwiązania stacji halowych najwyższych napięć: a) stacja wnętrzowa napięcia 110 kV w układzie H; b) stacja piętrowa z wewnętrznym usytuowaniem transformatorów 1 – rozdzielnica nn, 2 – rozdzielnica SN, 3 – komora transformatora.

Do najnowocześniejszych produkowanych obecnie na świecie rozdzielnic średnich napięć należą rozdzielnice z izolacją wykonaną z sześciofluorku siarki SF6.
Rozdzielnice i stacje wnętrzowe najwyższych napięć, ze względu na duże rozmiary budynku, nazywa się halowymi (rysunek 5).
Większość stacji ma transformatory ustawione na zewnątrz budynku, gdyż umieszczone wewnątrz wymagają dużej powierzchni i stwarzają niebezpieczeństwo wybuchu oraz pożaru. Ponadto wnętrzowe ustawienie transformatorów stwarza dużo kłopotów z zapewnieniem prawidłowej wentylacji i chłodzenia. Transformatory umieszczone na zewnątrz charakteryzują się w pewnym stopniu samoczyszczeniem: ciepłe powietrze unoszące się znad nagrzanego transformatora nie dopuszcza do nadmiernego osadzania się przewodzących pyłów, a padające deszcze częściowo je spłukują. Wewnątrz budynku umieszcza się tylko transformatory niewielkie gabarytowo, natomiast większe tylko w razie konieczności, w specjalnych przypadkach (np. w miejskich stacjach średniego napięcia, tereny IV strefy zabrudzeniowej).
Aparaty najwyższych napięć, ze względów ekonomicznych, buduje się
w większości krajów, w tym również w Polsce, tylko jako napowietrzne, toteż rozwiązania konstrukcyjne rozdzielni wnętrzowych są bardzo podobne do napowietrznych. W celu zmniejszenia powierzchni zajmowanej przez rozdzielnicę lub stację buduje się je często piętrowo (rysunek 5. b) lub stosuje układy pośrednie między wnętrzowymi średniego napięcia a napowietrznymi.
W razie szczególnego zabrudzenia atmosfery w rozdzielnicach wytwarza się nieznaczne nadciśnienie powietrza, zapobiegające przedostawaniu się pyłów do wnętrza budynku.
W ostatnich latach nastąpił burzliwy rozwój pewnej odmiany rozdzielnic osłoniętych – rozdzielnic o pełnej izolacji wszystkich części znajdujących się pod napięciem. Izolacja ta może być stała, ciekła lub gazowa. Produkcja tego typu rozdzielnic obejmuje obecnie cały zakres stosowanych w praktyce napięć. Ze względu na swoje walory najbardziej rozpowszechniły się rozdzielnice, w których czynnikiem izolacyjnym jest gaz – szcześciofluorek siarki SF6. Rozdzielnica jest obudowana szczelnie metalowymi rurowymi osłonami, wewnątrz których znajduje się SF6 pod ciśnieniem 0,350,5 MPa.
Rozdzielnice osłonięte izolacyjne głównie stosuje się w rozwiązaniach wnętrzowych, gdyż mając wszystkie zalety rozdzielnic wnętrzowych są pozbawione większości ich wad, a przede wszystkim nie wymagają dużych budynków. Aby w pełni wykorzystać znaczne zmniejszenie wymiarów stacji, podejścia liniowe należy wykonywać kablami, gdyż stosowanie linii napowietrznych zaprzepaszcza oszczędności terenowe. Stacje i rozdzielnice
z izolacją z SF6 stosuje się głównie przy głębokich wprowadzeniach najwyższych napięć do miast i zakładów przemysłowych.

3.3. Inne typy stacji.

Na terenach wiejskich, gdzie zabudowa jest luźna, a pobór mocy stosunkowo niewielki, stawia się w sieciach średniego napięcia stacje słupowe. W tego typu stacjach można stosować transformatory o mocy do 250 kVA. Transformator jest umieszczony na podeście montażowym wraz
z ewentualną baterią kondensatorów lub na ziemi pod słupem (wówczas stacja musi być ogrodzona). Stacja jest wyposażona w odłącznik, skrzynkową rozdzielnicę niskiego napięcia oraz umożliwia napowietrzne i kablowe wyprowadzenia linii nn.
W gęstej zabudowie miejskiej oraz do zasilania placów budowy
i zakładów przemysłowych stosuje się powszechnie kontenerowe stacje transformatorowe (N3K, TKC-100 czy TKB-24).

4. Urządzenia stacji.

4.1. Transformatory.

Najczęściej są stosowane stacje dwutransformatorowe, dla mniej ważnych odbiorców – jednotransformatorowe, a w szczególnie uzasadnionych przypadkach – stacje wielotransformatorowe. Na liczbę transformatorów największy wpływ ma ważność zasilanych odbiorników i ich wrażliwość na czas pozbawienia zasilania.
Odbiorniki dzieli się na trzy kategorie:
· kategoria I — są to odbiorniki, dla których przerwa w zasilaniu może spowodować zagrożenie życia ludzkiego, uszkodzenie urządzeń technologicznych lub budowli, ewentualnie rozstrojenie procesu technologicznego;
· kategoria II — są to odbiorniki, dla których przerwa w zasilaniu może spowodować straty surowców produkcyjnych;
· kategoria III — odbiorniki nie zaliczone do kategorii I i II.

Przy doborze transformatorów należy zapewnić rezerwę dla zasilania wszystkich odbiorników kategorii I oraz ekonomicznie uzasadnionej części odbiorników kategorii II. Wynika stąd wniosek, że w stacjach zasilających odbiorniki kategorii I dobiera się zawsze co najmniej dwa transformatory. Wyjątek stanowi sytuacja, gdy stacja ma zasilanie rezerwowe po stronie dolnego napięcia.
Dobór mocy transformatora w stacjach jednotransformatorowych jest sprawą prostą – jego moc znamionowa SN powinna być większa od mocy So zapotrzebowanej przez odbiorniki. W stacjach dwutransformatorowych, poza nielicznymi przypadkami, dobiera się dwa transformatory o jednakowych mocach. Moc znamionowa każdego z transformatorów powinna spełniać warunki:



w których: S0 – moc zapotrzebowana przez odbiorniki, w kW;
Sr – moc rezerwowa: moc zapotrzebowana przez 100% odbiorników kategorii I i pewną część odbiorników kategorii II, w kW.

Ze względu na bardzo długi czas remontu transformatorów (kilka miesięcy) w praktyce dobiera się najczęściej transformatory na moc rezerwową pokrywającą w 100% zapotrzebowanie odbiorników kategorii II.
Jeżeli przewiduje się stację z trzema jednakowymi transformatorami, zależności te są następujące:



Znając przebieg obciążenia w czasie, należy przewidzieć, czy jest celowe przy obciążeniu najmniejszym odstawianie (wyłączanie) jednego
z transformatorów w celu zmniejszenia strat mocy i energii.
Kolejną czynnością przy doborze transformatorów jest dobór grupy połączeń. Zalecane grupy połączeń transformatorów zestawiono w tablicy 1.

Rodzaj transformatora Zakres pracy Grupa połączeń
Dwuuzwojeniowe
do 250 kVA Yy0, Yz5
315500 kVA Dy5, Yy0
6301600 kVA Dy5, Yy0, Yd5
240 MVA Yy0, Yd11

Trójuzwojeniowe
Tablica nr 1. Zalecane grupy połączeń transformatorów.

Najbardziej uniwersalną grupą połączeń jest YyO. Grupę tę można stosować do wszystkich napięć i mocy znamionowych. Najczęściej jest ona jednak wykorzystywana w transformacji z najwyższych na średnie napięcia, ze względu na małą asymetrię faz (dla grupy YyO obciążenie punktu neutralnego nie może przekroczyć wartości 0,1SN). Równie często jest stosowana dla tych napięć grupa Yd. W transformatorach zasilających sieci niskiego napięcia najczęściej jest stosowana grupa Dy, dopuszczająca obciążenie przewodu neutralnego wartością rzędu 100% obciążenia faz, co umożliwia stosowanie tego układu w sieciach o dużej asymetrii obciążenia.
Transformatory powinny być dobrane do warunków zwarciowych panujących w danym miejscu sieci. Wytwórca podaje dla każdego transformatora wartość dopuszczalnego prądu zwarciowego Izd (jako krotność prądu IN), która powinna być większa od obliczonego ustalonego prądu zwarciowego Ik w danym punkcie.



Wytrzymałość udarowa transformatorów iud jest podawana z kolei jako krotność prądu Izd. Musi ona być większa od obliczonego prądu udarowego ip w sieci.



Dopuszczalny czas trwania zwarcia w transformatorach olejowych nie powinien być dłuższy niż:
2 s dla napięcia zwarcia transformatora 4,5%;
4 s dla napięcia 6%;
5,5 s dla napięć zwarcia większych niż 7%.
Dla transformatorów suchych czasy te są mniejsze i każdorazowo podawane przez wytwórcę.

4.2. Przewody i szyny.

Na szyny zbiorcze w rozdzielnicach stosuje się zarówno szyny sztywne
z kształtowników, jak i przewody giętkie (głównie w rozdzielnicach napowietrznych).
Jako przewody giętkie są używane przewody gołe AFL, takie same jak
w liniach napowietrznych. Sposób ich zawieszania i osprzęt są również takie same. Przewody giętkie, wykorzystywane zarówno jako szyny zbiorcze, jak
i do połączeń między aparatami, zawiesza się w rozdzielniach ze znacznie mniejszym niż w liniach napowietrznych naprężeniem, ok. 1030 MPa.
Przewody doprowadzone do zacisków aparatów należy sprawdzić, czy ich naciąg nie przekracza dopuszczalnej siły poziomej, jaka może być przyłożona do tego zacisku.
W rozdzielnicach najwyższych napięć, w których są stosowane odłączniki chwytakowe, należy zapewnić niezmienność zwisu w różnych temperaturach. W tym celu stosuje się rozwiązania podobne jak w liniach trakcyjnych, polegające na zapewnieniu stałego naciągu za pomocą zawieszonego ciężaru z betonowych kręgów (rysunek 6) lub odpowiednich sprężyn.



Rysunek 6. Zawieszanie ze stałym naciągiem przewodów giętkich w rozdzielnicach.

Budowę i rodzaje szyn sztywnych ze względu na sposób ich instalowania rozróżnia się:
· szyny nie izolowane: stosowane w rozdzielnicach celkowych otwartych mogą być malowane (najczęściej) lub nie malowane;
· szyny izolowane: izolowanie osłoną otaczającą pozwala zmniejszyć odległości między szynami; rozwiązanie to jest stosowane
w rozdzielnicach osłoniętych;
· szyny osłonięte (okapturzone): stosowane do wyprowadzania mocy np. z generatorów lub do mostów szynowych na średnie napięcia.

Szyny sztywne, dla zwiększenia efektów chłodzenia, mocuje się na izolatorach wsporczych pionowo. Aby umożliwić zmianę długości szyn
w warunkach zmieniającej się temperatury (zmiana obciążenia, zwarcie),
co ok. 20 m montuje się wstawki kompensacyjne składające się z kilku blaszek o grubości ok. 0,5 mm i łącznym przekroju równym szynie.
W szynach złożonych mocuje się przekładki dystansowe w celu zwiększenia sztywności.

Przewody giętkie dobiera się z uwzględnieniem:
· obciążalności cieplnej długotrwałej;
· obciążalności cieplnej zwarciowej;
· ulotu.

Ulot jest zjawiskiem polegającym na wyładowaniach niezupełnych wokół przewodu. Dla przewodów o większych krzywiznach (mała średnica) oraz przy złej pogodzie (mgła, deszcz) ulot znacznie się nasila, powodując duże zakłócenia radioelektryczne. Konsekwencją ulotu są również straty mocy
i energii w liniach przesyłowych i stacjach. Uwzględniając sumaryczną długość linii napowietrznych o napięciu 110 kV i wyższym, straty mocy
i energii osiągają wartości mające duże znaczenie ekonomiczne. Z tego względu dąży się do maksymalnego ograniczenia ulotu.
Aby wyeliminować ujemne skutki ulotu, stosuje się następujące minimalne przekroje przewodów:
o dla napięcia 110 kV — 95 mm2;
o dla napięcia 220 kV — 350 mm2;
o dla napięcia 400 kV — przewody wiązkowe.

Przy napięciach znamionowych o wartości mniejszej niż 110 kV ulot nie odgrywa większej roli.
Zjawisko ulotu można łatwo zaobserwować w nocy, zwłaszcza przy dużej wilgotności powietrza. Objawia się ono świetlistą aureolą wokół przewodów w połączeniu z wyraźnie słyszalnymi trzaskami i brzęczeniem.
Szyny sztywne dobiera się z uwzględnieniem:
· obciążalności cieplnej długotrwałej;
· obciążalności cieplnej zwarciowej;
· dynamicznego działania prądu zwarciowego;
· ulotu.

4.3. Obwody prądu przemiennego.

Aby zapewnić prawidłową pracę stacji elektroenergetycznych i ciągłość dostawy energii, należy zadbać o niezawodność zasilania urządzeń pomocniczych i obwodów wtórnych stacji (obwody sterowania, zabezpieczeń i sygnalizacji). Wymienione obwody i urządzenia mogą być zasilane prądem przemiennym lub stałym.

Prądem przemiennym są zasilane przede wszystkim:
· obwody oświetlenia stacji;
· obwody ogrzewania stacji;
· napędy przełączników zaczepów transformatorów;
· prostowniki do zasilania obwodów prądu stałego i ładowania baterii akumulatorów;
· sprężarki – w przypadku stosowania aparatów o napędzie pneumatycznym (sprężone powietrze);
· napędy silnikowe łączników;
· obwody łączności;
· inne urządzenia, np. wentylatory.

Ponieważ urządzenia te są zasilane niskim napięciem, to najczęściej konieczne jest zainstalowanie specjalnych transformatorów i rozdzielnic potrzeb własnych. Zapotrzebowanie mocy na potrzeby własne, w zależności od rozmiarów stacji i rodzaju aparatów, wynosi od kilkunastu do kilkuset kilowatów.
W stacjach transformatorowych na niskie napięcie zasilanie potrzeb własnych może być bezpośrednie (z szyn rozdzielnic nn). Stacje średniego napięcia mają najczęściej jeden transformator potrzeb własnych, natomiast stacje wyższego napięcia – dwa.
Sposób przyłączenia transformatorów potrzeb własnych zależy od tego, czy stacja ma baterię akumulatorów. Jeżeli bateria akumulatorów jest zainstalowana, to transformatory potrzeb własnych przyłącza się do szyn zbiorczych średniego napięcia. Jeżeli brak jest baterii akumulatorów,
to transformatory potrzeb własnych przyłącza się bezpośrednio do dolnej strony transformatorów głównych, co umożliwia zasilanie koniecznych urządzeń i obwodów nawet w czasie wyłączenia szyn zbiorczych średniego napięcia.
W stacjach o napięciu 220/110 kV lub 400/110 kV transformatory potrzeb własnych przyłącza się często do uzwojenia dodatkowego (1030 kV) autotransformatora. Ponieważ w tym miejscu występuje z reguły duża wartość mocy zwarciowej, przyłącza się transformatory albo bezpośrednio, albo przez dławik zwarciowy umożliwiający zmniejszenie mocy wyłączalnej wyłącznika (ten ostatni sposób jest obecnie zaniechany).
Rozdzielnice potrzeb własnych mają z reguły szyny sekcjonowane,
a w szczególnie ważnych stacjach (głównie o napięciu 220 i 400 kV) stosuje się również trzy transformatory do ich zasilania (jeden w rezerwie jawnej). Rezerwa jawna polega na utrzymywaniu pod napięciem dodatkowego urządzenia (transformatora), które włącza się pod obciążenie w razie awarii któregoś z urządzeń pracujących. Drugim rodzajem rezerwy jest rezerwa utajona, przez którą rozumie się moc, którą można obciążyć pracujące urządzenia (przedtem niedociążone).
Dla zwiększenia pewności zasilania rozdzielni potrzeb własnych wykorzystuje się nieraz niezależną sieć miejską lub przemysłową średniego napięcia. Ponadto zasilanie rezerwowe może stanowić również prądnica napędzana silnikiem spalinowym. Obwody zasilające szyny rozdzielnic potrzeb własnych są ze sobą związane automatyką SZR (samoczynne załączenie rezerwy) w celu zapewnienia ciągłości zasilania.
Odbiorniki są zasilane z rozdzielni potrzeb własnych w różny sposób. Silniki napędu łączników są zasilane zazwyczaj pierścieniowo.
W rozdzielnicach napowietrznych kable dochodzą wówczas do poszczególnych szaf kablowych umieszczonych w pobliżu łączników. Oświetlenie jest zasilane najczęściej z osobnej podrozdzielnicy. Każdą lampę zabezpiecza się oddzielnym bezpiecznikiem. Część lamp mająca zasilanie
z baterii akumulatorów stanowi oświetlenie awaryjne.
Zarówno napędy łączników, jak i oświetlenie są zasilane dwiema liniami (jeśli rozdzielnica jest sekcjonowana, to z osobnych sekcji).
Większość pozostałych odbiorników ma swoje osobne podrozdzielnice zasilane liniami pojedynczymi.
4.4. Obwody prądu stałego.

Prądem stałym są zasilane w stacjach następujące urządzenia i obwody:
· zabezpieczenia;
· sterowania i sygnalizacji;
· automatyki;
· oświetlenia awaryjnego;
· łączności.

Urządzenia te zasila się z rozdzielnicy potrzeb własnych prądu stałego. Jako źródła napięcia służą baterie akumulatorów oraz prostowniki zasilane z rozdzielnicy potrzeb własnych prądu przemiennego. Rozdzielnice prądu stałego pracują z reguły na napięciu 230 V lub 110 V (ewentualnie 24 V dla potrzeb łączności). W mniejszych stacjach instaluje się jedną baterię akumulatorów, a w większych — dwie (jedna stanowi wówczas rezerwę).
Ze względu na ważność odbiorów zasilanych z tych rozdzielnic stosuje się współpracę baterii akumulatorów i prostowników w celu zapewnienia bezprzerwowego zasilania i ciągłego doładowywania akumulatorów.
W bateriach akumulatorowych stosuje się dwa rodzaje akumulatorów: kwasowe (ołowiowe) i zasadowe (kadmowo-niklowe). Częściej jednak akumulatory kwasowe, ze względu na wiele ich zalet: dużą sprawność, małą zmienność napięcia w czasie, niewielki koszt oraz fakt, że przyspieszone ładowanie może się odbywać na napięciu niewiele wyższym lub równym napięciu pracy. Wymagają one jednak starannej i stałej obsługi i dlatego niekiedy (stacje bez obsługi, baterie przewoźne) jest celowe zastosowanie akumulatorów kadmowo-niklowych. Akumulatory te są, bowiem mniej wrażliwe na wyładowania i uszkodzenia mechaniczne.
W rozdzielniach prądu stałego stosuje się prawie wyłącznie pojedynczy układ szyn, który w większych stacjach może być sekcjonowany.
Pomieszczenia, w których umieszcza się akumulatory, tzw. akumulatornie, powinny spełniać specjalne wymagania. Ze względu na wydzielające się gazy, lżejsze i cięższe od powietrza, w pomieszczeniach akumulatorni powinna być zapewniona dostateczna wentylacja naturalna (grawitacyjna) lub sztuczna (wyciągi) zarówno w górnej, jak i w dolnej części pomieszczenia. Strop pomieszczenia powinien być równy, bez wystających belek konstrukcyjnych, aby uniemożliwić gromadzenie się w załomach wybuchowego wodoru. Przez pomieszczenia te nie mogą przechodzić inne instalacje oprócz tych, które są konieczne do pracy akumulatorni. Same akumulatory ustawia się rzędami (najczęściej piętrowo) na drewnianych stojakach nasyconych substancjami kwasoodpornymi. Instalacja elektryczna powinna mieć osprzęt wodo- i kwasoodporny. Przewody o biegunowości dodatniej są malowane na czerwono, a o ujemnej – na jasnoniebiesko. Plan pomieszczeń akumulatorni jest pokazany na rysunku 7.



Rysunek 7. Plan pomieszczeń akumulatorni.

4.5. Obwody pomocnicze i nastawnie.

Obwody pomocnicze, zwane również wtórnymi, stanowią w stacjach odpowiednik układu nerwowego w żywym organizmie. Służą one do wykonywania pomiarów, sygnalizacji i sterowania pracą obwodów głównych oraz zabezpieczają je przed uszkodzeniem. Obwody wtórne zbiegają się
w centralnym punkcie stacji – w nastawni. Z wyjątkiem małych stacji wnętrzowych na średnie napięcie, wszystkie pozostałe stacje mają większe lub mniejsze pomieszczenia nastawni. W większych stacjach utrzymuje się
w nastawni stalą obsługę dyżurną.
Zasadniczymi elementami nastawni są:
· tablice sterowniczo-pomiarowe;
· pulpit dyspozytorski;
· tablice i szafy z aparaturą zabezpieczającą i licznikami.

Tablice sterowniczo-pomiarowe znajdują się na wprost stanowiska osoby dyżurującej i w zależności od ich liczby są ustawione w jednym szeregu,
w kształcie litery L lub podkowy. Tworzą one ciąg szaf o budowie podobnej do rozdzielnic niskiego napięcia. Na ich stronie frontowej, w górnej części są umieszczone mierniki, a w dolnej — listewkowy schemat układu obwodów głównych stacji, tzw. schemat synoptyczny. Na tym schemacie, w miejscach odpowiadających lokalizacji łączników, są umieszczone wskaźniki położenia i sterowniki kwitujące.
Obecnie, w dobie coraz bardziej powszechnego wprowadzania przekaźników elektronicznych, stosuje się w najnowszych konstrukcjach nastawni panelowy system tablic przekaźnikowych. Są one budowane
w formie szaf z szufladami. Każda wysuwana szuflada mieści w sobie kompletny zestaw elektronicznych przekaźników, tworzący jakieś zabezpieczenie. Po wysunięciu szuflady ma się szybki i wygodny dostęp do każdego przekaźnika i przewodów łączących. System ten jest praktyczny, estetyczny i najważniejsze – daje duże oszczędności powierzchni zajmowanej przez tablice przekaźnikowe.
Pulpit dyspozytorski osoby dyżurującej jest umieszczony w środkowej części pomieszczenia w taki sposób, aby były widoczne frontowe części tablic sterowniczo-pomiarowych. Z zasady jest umieszczona w nim łącznica telefoniczna. Stosuje się również rozwiązania, w których część elementów sterowniczo-pomiarowych znajduje się na tablicach, a część na pulpicie (głównie obwody sygnalizacji), albo funkcję tablic przejmuje w całości pulpit dyspozytorski.

5. Stacje przekształtnikowe.

Oddzielny rodzaj stacji elektroenergetycznych stanowią stacje sprzęgające dwa systemy o różnych napięciach i częstotliwościach. Są one wyposażone
w przekształtniki prądu przemiennego, które przenoszą moc z jednego systemu prądu przemiennego do drugiego.



Rysunek 8. Schemat stacji sprzęgającej dwa systemy o różnej częstotliwości. 1 – przekształtnik tyrystorowy, 2 – dławik, A,B – systemy elektroenergetyczne.

Na rysunku nr 8. przedstawiono schemat obwodu głównego pośredniego przemiennika częstotliwości, sprzęgającego dwie sieci elektroenergetyczne
o różnych częstotliwościach. Jest to stacja złożona z dwóch przekształtników tyrystorowych z pośredniczącym obwodem prądu stałego zawierającym dławił o dużej indukcyjności. Dławik odgrywa role dynamicznego źródła prądu. Jego podstawowym zadaniem jest wyrównywanie mocy chwilowych między obu przekształtnikami. Elementem magazynującym energię, zamiast dławika, może być układ dławik – kondensator.

Literatura:
W. Kotlarski, J. Grad – „Aparaty i urządzenia elektryczne”.