При проектировании электрических подстанций инженеры-проектировщики сталкиваются с важным выбором между двумя основными типами изоляции: воздушной (AIS) и газовой (GIS). Каждый из этих типов имеет свои особенности, преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать в зависимости от конкретных условий и требований.
В России воздушные подстанции (AIS) называются "открытые трансформаторные подстанции" или "воздушные изолированные подстанции", а газоизолированные подстанции (GIS) часто называются "комплектные газоизолированные трансформаторные подстанции" или "элегазовые подстанции". Эти термины используются для обозначения типов подстанций в зависимости от их конструкции и изоляционных материалов.
Воздушные (AIS) подстанции
Воздушная подстанция (AIS, Air-Insulated Substation) представляет собой ключевое звено в системе передачи и распределения электроэнергии.
Электроэнергия поступает на подстанцию через воздушные линии электропередачи. Трансформаторы подстанции преобразуют напряжение в зависимости от нужд электрической сети.
Преобразованная электроэнергия распределяется по разным цепям через шины и выключатели нагрузки. Каждая цепь может быть отключена или включена с помощью разъединителей и выключателей.
В случае возникновения аварийных ситуаций, таких как короткие замыкания, срабатывают защитные устройства, такие как автоматические выключатели и предохранители, которые мгновенно отключают поврежденные участки сети.
Устройство и принцип работы воздушных изолированных подстанций: Оборудование трансформаторных подстанций, как устроены подстанции
Основной особенностью этого типа подстанции является использование атмосферного воздуха в качестве изоляционного материала для электрических компонентов. В связи с этим оборудование подстанции размещается на открытом воздухе, что накладывает определенные требования к конструкции и размещению.
Поскольку в AIS подстанциях используется воздушная изоляция, расстояния между проводниками и оборудованием должны быть достаточными для предотвращения пробоев и коротких замыканий. Это требует значительных площадей земли, что ограничивает использование AIS в условиях плотной застройки.
Компоненты подстанции, такие как шины и разъединители, размещаются на специальных опорах, которые обеспечивают необходимый уровень изоляции и безопасность. Опоры должны быть прочными и устойчивыми к внешним воздействиям, включая ветер и сейсмическую активность.
Поскольку оборудование находится на открытом воздухе, оно подвержено воздействию климатических условий, таких как дождь, снег, мороз и солнечная радиация. Это требует использования материалов и конструкций, устойчивых к коррозии и механическим повреждениям.
Воздушные подстанции остаются важным элементом электрических сетей благодаря своей простой конструкции, доступности и надежности. Однако их использование требует наличия значительных земельных ресурсов и учета климатических особенностей региона.
Выбор в пользу AIS подстанций часто оправдан в условиях, где пространство не ограничено, а обслуживание должно быть максимально простым и экономичным.
Газоизолированные (GIS) подстанции
Газоизолированная подстанция (GIS, Gas-Insulated Substation) представляет собой современный тип подстанции, в которой все основные компоненты заключены в герметичные металлические корпуса, заполненные элегазом (SF6) или его смесью с другими газами.
Этот газ обладает высокими диэлектрическими свойствами и используется для изоляции и гашения дуги. Компактность и высокая надежность GIS делают их предпочтительными в условиях ограниченного пространства и повышенных требований к безопасности.
Как и в воздушных подстанциях, трансформаторы в GIS предназначены для преобразования напряжения. Они могут быть как внешними, размещенными вне корпуса GIS, так и внутренними, интегрированными в общую систему подстанции.
Элегазовые выключатели размыкают и замыкают цепи в нормальных и аварийных режимах работы. Выключатели заключены в герметичные корпуса, заполненные элегазом, который эффективно гасит дугу при размыкании цепи.
Разъединители обеспечивают безопасное отключение оборудования от сети для его обслуживания. В GIS разъединители также заключены в герметичные корпуса и защищены элегазом.
Шины в GIS подстанциях выполнены в виде герметичных труб, внутри которых находится проводящий материал. Эти трубы также заполнены элегазом, что обеспечивает высокую степень изоляции и безопасность.
В GIS подстанциях изоляторы используются внутри герметичных корпусов для поддержки и изоляции проводников. Они изготавливаются из высококачественных материалов, таких как керамика или полимеры.
GIS подстанции оснащены разнообразными датчиками и приборами для контроля параметров работы, таких как давление газа, температура и состояние оборудования. Эти инструменты помогают в своевременном обнаружении неисправностей и предотвращении аварий.
GIS подстанции отличаются высокой степенью компактности и модульности. Вся система представлена в виде модулей, которые могут быть легко транспортированы и установлены.
Это делает GIS идеальным решением для установки в условиях ограниченного пространства, например, в городских районах или на промышленных объектах.
Все компоненты GIS подстанции заключены в герметичные металлические корпуса, заполненные элегазом. Это обеспечивает высокую степень защиты от внешних воздействий, таких как влага, пыль и химические вещества, а также от климатических условий.
Благодаря использованию элегаза, который имеет в 2-3 раза большую диэлектрическую прочность по сравнению с воздухом, все компоненты могут быть размещены на минимальных расстояниях друг от друга. Это позволяет существенно уменьшить размеры подстанции.
GIS подстанции имеют модульную структуру, что упрощает монтаж, обслуживание и модернизацию. Модули могут быть легко заменены или обновлены без необходимости полной замены всей системы.
Факторы, которые следует учитывать при выборе типа подстанции
Рассмотрим основные факторы, которые следует учитывать при выборе типа подстанции.
1. Занимаемая площадь
Одним из основных факторов при выборе между AIS и GIS является занимаемая площадь. Воздушные подстанции требуют значительно большего пространства, так как оборудование должно располагаться на открытой территории.
Это делает AIS менее привлекательным вариантом в условиях ограниченного пространства, например, в городах или промышленных зонах. В таких случаях предпочтение отдается GIS, которая позволяет существенно уменьшить занимаемую площадь благодаря компактности оборудования.
2. Эксплуатационные условия
AIS подстанции имеют преимущество в условиях умеренного климата, где можно эффективно использовать воздушное охлаждение. В то время как GIS, из-за использования элегаза (SF6) в качестве изолирующей среды, лучше подходит для экстремальных климатических условий.
GIS обладает высокой стойкостью к внешним загрязнителям и климатическим воздействиям, что делает ее предпочтительным выбором в регионах с тяжелыми условиями эксплуатации.
3. Срок службы и обслуживание
AIS подстанции характеризуются более простой конструкцией и доступностью для обслуживания. Техническое обслуживание AIS обычно проще и дешевле, так как к оборудованию легко получить доступ.
GIS подстанции, хотя и требуют меньше обслуживания, чем AIS, нуждаются в высокой квалификации обслуживающего персонала и специальных инструментов, что может увеличить затраты на эксплуатацию.
4. Экологические аспекты
Экологическое воздействие – еще один важный фактор. GIS использует элегаз, который является сильным парниковым газом. Поэтому при выборе GIS важно учитывать возможность утечек газа и их влияние на окружающую среду.
С другой стороны, AIS подстанции практически не имеют аналогичного воздействия на климат, что делает их более экологически безопасными.
5. Экономические аспекты
Стоимость строительства и эксплуатации также играет ключевую роль. AIS подстанции, как правило, дешевле в строительстве, однако требуют больших затрат на землю.
GIS, хотя и дороже, позволяет экономить на стоимости земли и может быть более выгодной в долгосрочной перспективе из-за меньших эксплуатационных затрат.
6. Безопасность и надежность
GIS подстанции обычно более безопасны, так как все оборудование герметично заключено в металлические оболочки, что снижает риск аварий и воздействие внешних факторов. Это особенно важно в условиях повышенных требований к безопасности, например, на промышленных объектах.
AIS подстанции, напротив, более уязвимы к атмосферным разрядам и механическим повреждениям.
Относительно недавно начала внедряться новая технология от Siemens Energy, использующая изоляцию из “чистого воздуха” вместо элегаза, что снижает воздействие на окружающую среду. Подробно об этом смотрите здесь: Чистый воздух для изоляции в комплектных распределительных устройствах
Выбор между AIS и GIS подстанциями зависит от множества факторов, включая доступное пространство, климатические условия, требования к безопасности и экономические соображения. В каждом конкретном случае необходимо тщательно анализировать все эти аспекты, чтобы выбрать наиболее подходящий тип подстанции, который будет соответствовать требованиям проекта и обеспечивать надежную работу на протяжении долгих лет.
Андрей Повный