Как проектировать подстанции, подходящие для городских электрических сетей?

Ключевые ограничения при проектировании городских подстанций: место, безопасность и эстетика

Преодоление ограничений по площади в условиях высокой застройки

Для городских подстанций пространство всегда ограничено, особенно когда цены на землю в крупных городах, согласно последним данным Института городских земель (Urban Land Institute), могут превышать девять миллионов долларов за акр. Газоизолированное распределительное устройство (GIS) сокращает потребность в площади примерно на две трети по сравнению с традиционными воздушными системами изоляции, что делает его практически обязательным решением для размещения энергетической инфраструктуры в густонаселённых районах. Модульный подход позволяет инженерам устанавливать трансформаторы и другое оборудование вертикально, а не располагать их горизонтально. Предварительно собранные блоки подстанций значительно ускоряют монтаж в стеснённых условиях — например, в подземных технических помещениях или узких переулках между зданиями. Рациональное размещение всего оборудования обеспечивает достаточное пространство вокруг каждого элемента для проведения технического обслуживания, при этом эксплуатация подстанции остаётся бесперебойной изо дня в день.

Обеспечение безопасности за счёт оптимизированного заземления и контроля напряжений шага и прикосновения

Правильные системы заземления ограничивают напряжения шага и прикосновения ниже 5 В во время аварийных ситуаций в соответствии со стандартом IEEE 80-2013. Многоуровневый подход включает:

• Глубокие забиваемые электроды, достигающие слоёв грунта с низким удельным сопротивлением
• Уравнивание потенциалов всех металлических конструкций
• Поверхностное покрытие из дроблёного камня (глубиной 0,15 м) для повышения сопротивления контакта

Непрерывный контроль целостности заземляющей сетки предотвращает отказы из-за коррозии — которые вызывают 17 % отключений подстанций (EPRI, 2023 г.). Интегрированные системы защиты снижают риски дугового разряда на 92 % в закрытых городских установках, как подтверждено в Отчёте по электробезопасности за 2024 год.

Соблюдение муниципальных требований к визуальной интеграции и снижению уровня шума

В городах установлены нормативы на уровень шума подстанций ниже 55 дБ(А) на границах участков, что соответствует руководящим принципам ВОЗ. Это достигается за счёт:

• Трансформаторов с низким уровнем шума (<65 дБ) в звукоизолирующих кожухах
• Акустических барьеров на основе композитных материалов
• Стратегического проектирования систем вентиляции для предотвращения резонанса или усиления шума

Эстетическая интеграция включает зелёные стены, архитектурную облицовку, соответствующую окружающим зданиям, и прокладку высоковольтных линий под землёй. Подстанция Riverbank в Чикаго является примером успешного визуального смягчения — её вентиляционные конструкции одновременно выполняют функции художественных объектов для общественного пользования, сохраняя при этом резервирование по схеме N+1.

ГИС против ОРУ: выбор оптимальной технологии подстанции для городских площадок

Почему газовая изоляционная коммутационная аппаратура (ГИС) доминирует в проектировании компактных подстанций

Газоизолированные распределительные устройства (GIS) особенно эффективны в перенаселённых городских районах, где стоимость земли превышает девять миллионов долларов за акр. Компактная конструкция с герметичными камерами, заполненными газом SF6, занимает примерно на семьдесят процентов меньше места по сравнению с воздушными распределительными устройствами (AIS), что имеет решающее значение, когда подстанции необходимо разместить на площадях, составляющих лишь тридцать процентов от стандартных размеров, принятых ранее. Ещё одно важное преимущество: GIS не подвержены влиянию пыли в воздухе или соли, поступающей с близлежащих побережий, поэтому отказы происходят примерно на сорок процентов реже в местах рядом с промышленными предприятиями или вдоль береговой линии. Что касается технического обслуживания, такие системы могут эксплуатироваться более десяти лет между плановыми проверками — в три раза дольше, чем обычное оборудование AIS. Это позволяет сэкономить в долгосрочной перспективе около 2,1 миллиона долларов, несмотря на то, что первоначальная стоимость таких систем на двадцать–тридцать процентов выше. Благодаря всем этим преимуществам большинство инженеров в первую очередь выбирают GIS при проектировании энергосистем для крупных городов, узлов метрополитена и больниц, где надёжность просто не может быть поставлена под сомнение.

Когда комплектные распределительные устройства с воздушной изоляцией (AIS) остаются жизнеспособными для модернизации городских сетей

Воздушные комплектные распределительные устройства (КРУ) по-прежнему находят применение в реальных условиях эксплуатации при работе со старыми городскими электросетями, где существующая инфраструктура упрощает подключение оборудования. При модернизации старых подстанций, функционирующих уже более 100 лет, особенно в диапазоне напряжений 11–33 кВ, установка оборудования воздушных КРУ обходится примерно на 40 % дешевле по сравнению с модернизацией газоизолированных КРУ (ГИС), согласно недавним исследованиям по модернизации электросетей, проведённым в прошлом году. Поскольку воздушные КРУ размещаются на открытом воздухе, инженеры могут последовательно заменять отдельные компоненты без полного отключения подстанции — это особенно важно в регионах, где энергоснабжающим компаниям разрешено отключать электроснабжение лишь на короткие промежутки времени, например, не более четырёх часов за раз. Безусловно, ГИС обеспечивают лучшую защиту от неблагоприятных погодных условий, однако воздушные КРУ вполне надёжно функционируют в местах, где постоянное воздействие пыли и грязи не представляет серьёзной проблемы, при условии регулярного технического обслуживания и поддержания чистоты оборудования. Кроме того, при организации временного электроснабжения в ходе перехода между различными этапами работ более простая конструкция компонентов воздушных КРУ позволяет бригадам восстанавливать электроснабжение примерно на две трети быстрее по сравнению с использованием решений на базе ГИС.

Оптимизация электрической и тепловой компоновки для городских подстанций

Интеграция подземных кабелей, подавление ЭМП и согласованное заземление

Все больше и больше городских электроподстанций сегодня переходят на подземную прокладку кабелей, поскольку для воздушных линий просто не остается достаточного места, а кроме того, никому не нужны эти некрасивые опоры, загромождающие городские пейзажи. Однако здесь кроется проблема: прокладка всех этих кабелей под землей может вызвать серьезные проблемы электромагнитных помех, нарушающих работу чувствительных систем управления и оборудования связи. Чтобы решить эту проблему, инженерам необходимо использовать специальные экранированные кабели, обеспечить правильный баланс фаз при их прокладке, а также физически развести кабели передачи данных и силовые кабели. Еще один абсолютно критически важный аспект — правильное выполнение заземления. Все металлические элементы подстанции — включая оболочки кабелей, трубопроводные сети и даже стальной каркас самой подстанции — должны быть соединены в единую систему заземления. Такая конфигурация позволяет безопасно отводить токи аварийных замыканий и соответствует строгим требованиям стандартов IEEE 80-2013 в части напряжений прикосновения и шагового напряжения.

Стратегии теплового управления для подстанций, расположенных в закрытых помещениях или в подвальных помещениях

Тепловой контроль является обязательным требованием для подстанций, размещённых в условиях ограниченного пространства, в закрытых помещениях или ниже уровня земли — там, где накопление тепла ускоряет деградацию изоляции и сокращает срок службы оборудования. Эффективные стратегии включают:

• Пассивные решения: теплоотводящие облицовки стен, интеграция материалов с высокой тепловой ёмкостью и оптимизация путей воздушного потока с помощью моделирования вычислительной гидродинамики (CFD)
• Активное охлаждение: системы принудительной вентиляции для оборудования среднего напряжения; трансформаторы с жидкостным охлаждением для зон с высокой нагрузкой
  Проактивный тепловой мониторинг — с использованием встроенных IoT-датчиков и обнаружения аномалий на основе ИИ — предотвращает образование «горячих точек» и увеличивает срок службы активов до 50 % по сравнению с неуправляемыми условиями.

Подготовка городских подстанций к будущему: масштабируемость, интеллектуальность и готовность к интеграции возобновляемых источников энергии

Городские электросети должны успевать за растущим спросом со стороны электромобилей, локального производства энергии и вызовов, связанных с изменением климата. Современные проекты подстанций теперь предусматривают модульные компоненты, позволяющие коммунальным службам постепенно наращивать мощность вместо того, чтобы строить всё сразу. Это упрощает подключение станций зарядки электромобилей (EV), небольших локальных энергосетей или вновь осваиваемых районов без серьёзных перерывов в работе. Также внедряются интеллектуальные технологии: искусственный интеллект и датчики, подключённые к интернету, помогают прогнозировать возможные отказы оборудования, балансировать нагрузку на электросети в реальном времени и быстро локализовать неисправности, сокращая продолжительность отключений. Для возобновляемых источников энергии, таких как ветровые и солнечные электростанции, применяются специальные конфигурации, позволяющие компенсировать их непредсказуемость и поддерживать стабильное напряжение даже при двунаправленном потоке электроэнергии по сети. Такие адаптации позволяют минимизировать потери чистой энергии при её избыточном производстве. В перспективе города, инвестирующие в масштабируемую инфраструктуру, интеллектуальные системы мониторинга и гибкость в интеграции «зелёной» энергии, заложат более прочный фундамент для своих электрических сетей.

Часто задаваемые вопросы

Какое основное преимущество использования газоизолированного распределительного устройства (GIS) в городских подстанциях?

GIS требует на 70 % меньше места по сравнению с воздушно-изолированным распределительным устройством (AIS), что делает его идеальным решением для плотно застроенных городских территорий.

Как городские подстанции обеспечивают безопасность?

Путём оптимизации систем заземления, уравнивания потенциалов и непрерывного мониторинга для предотвращения отказов, а также применения интегрированных систем защиты для снижения рисков дугового разряда.

Какие стратегии применяются для теплового управления на подстанциях?

Стратегии включают пассивные решения, такие как интеграция тепловой массы, активные системы охлаждения, а также проактивный тепловой мониторинг с использованием IoT-датчиков.