Elektrisch onderstation: componenten, typen, ontwerp en toepassingen

Eenelektrisch onderstationis een van die onderdelen van het energiesysteem die de meeste mensen zelden opmerken, maar bijna elk betrouwbaar elektriciteitsnetwerk is ervan afhankelijk. Elektriciteit moet verschillende spanningsniveaus doorlopen voordat het huizen, fabrieken, commerciële gebouwen, datacenters of duurzame energieprojecten bereikt. Onderstations maken dat mogelijk.

Afhankelijk van de toepassing kan een elektrisch onderstation de spanning transformeren, circuits schakelen, apparatuur beschermen, de elektrische omstandigheden bewaken en bepalen hoe de stroom door het elektriciteitsnet beweegt. In een groot transmissienetwerk kan een onderstation een groot gebied bestrijken en hoogspanningstransformatoren, stroomonderbrekers, stroomrails, beveiligingssystemen en andere apparatuur bevatten. Een kleiner distributiestation kan veel compacter zijn.

Voor nutsbedrijven, EPC-aannemers, industriële faciliteiten, ontwikkelaars van hernieuwbare energie en andere energieprojecten draait het ontwerp van onderstations zelden om één apparaat. De transformator, schakelapparatuur, beveiligingssysteem, aardingssysteem en besturingsapparatuur moeten allemaal samenwerken.

Eenelektrisch onderstationis een faciliteit waar elektriciteit wordt getransformeerd, geschakeld, gecontroleerd, beschermd of gedistribueerd.

Het basisidee is vrij eenvoudig. Elektriciteit die in een elektriciteitscentrale wordt opgewekt, moet doorgaans naar een hogere spanning worden gebracht voordat deze lange afstanden kan afleggen. Een transformator op een elektriciteitscentrale verhoogt de spanning, vermindert de stroom en helpt zo de transmissieverliezen te beperken.

Naarmate elektriciteit dichter bij de eindgebruiker komt, verlagen onderstations de spanning geleidelijk tot niveaus die geschikt zijn voor regionale distributie en eindverbruik.

Een typisch stroompad ziet er ongeveer zo uit:

Energieopwekking → Step-Up Transformer → Transmissieonderstation → Distributieonderstation → Consumenten

De werkelijke spanningsniveaus variëren van het ene elektriciteitsnet tot het andere. Transmissie-onderstations kunnen werken op110 kV, 220 kV, 330 kV, 500 kV, 765 kV, of hoger. Distributienetwerken maken vaak gebruik van middenspanningsniveaus-, zoals10 kV, 11 kV, 20 kV of 35 kV.

Dus hoewel spanningstransformatie een belangrijk onderdeel is van wat een onderstation doet, is dit zeker niet het hele verhaal.

Een elektrisch onderstation heeft verschillende taken en deze zijn nauw met elkaar verbonden.

Functie	Beschrijving
Transformatie van spanning	Verhoogt of verlaagt de spanning voor transmissie en distributie
Schakelen	Verbindt of ontkoppelt circuits en apparatuur
Bescherming	Detecteert fouten en isoleert beschadigde secties
Controle en monitoring	Meet elektrische parameters en beheert de stroomstroom

Met andere woorden: een elektrisch onderstation is niet zomaar een plaats waar een transformator is geïnstalleerd. Het is een belangrijk controle- en beveiligingspunt binnen het elektriciteitsnet.

De apparatuur in een onderstation is afhankelijk van het spanningsniveau, de capaciteit, de locatie en het doel. Toch zijn een aantal belangrijke componenten in veel installaties hetzelfde.

Detransformatoris meestal een van de grootste apparaten in eenonderstation.

Zijn belangrijkste taak is om de spanning van het ene niveau naar het andere te veranderen en tegelijkertijd de elektrische energie efficiënt over te dragen. Een transmissiestation zou bijvoorbeeld 220 kV kunnen verlagen tot 110 kV, terwijl een distributiestation de middenspanning zou kunnen verlagen tot een lagere gebruiksspanning.

Grote olie-ondergedompelde transformatoren worden veel gebruikt voor onderstations met hoge- capaciteit, omdat ze grote vermogens aankunnen en effectieve koeling bieden.

Afhankelijk van het project kan een transformator eenaan-laadtapwisselaar (OLTC), uit-circuittapwisselaar, ONAN- of ONAF-koeling, Buchholz-estafette, drukontlastingsapparaat, olie- en wikkeltemperatuurindicatoren, conservatortank en online bewakingsapparatuur.

Hernieuwbare energieprojecten hebben hun eigen vereisten.Zonneboerderijen, windparkenen energieopslagsystemen op batterijen kunnen gebruikengenerator step-up-transformatoren, collectortransformatoren of speciaal ontworpen transformatoren voor aansluiting op het elektriciteitsnet.

A stroomonderbrekervoert stroom tijdens normaal bedrijf en onderbreekt het circuit indien nodig.

Als er een fout optreedt, detecteert het beveiligingsrelais de abnormale toestand en stuurt een uitschakelsignaal naar de stroomonderbreker. De onderbreker opent vervolgens het circuit en helpt voorkomen dat de fout zich verspreidt.

Hoogspanningssubstations kunnen gebruikmaken van SF₆-stroomonderbrekers of nieuwere technologieën die zijn ontworpen met een lagere impact op het milieu. Vacuümstroomonderbrekers komen veel voor in midden-spanningstoepassingen.

De juiste keuze hangt af van het spanningsniveau, de foutstroom, het onderbrekingsvermogen, de bedrijfsomstandigheden en de projectvereisten.

Scheidingsschakelaars, vaak isolatoren genoemd, worden voornamelijk gebruikt om elektrische isolatie te bieden tijdens onderhoud.

Ze zijn normaal gesproken niet bedoeld om grote foutstromen te onderbreken. In plaats daarvan worden ze in werking gesteld nadat het betreffende circuit is uitgeschakeld-, waardoor onderhoudspersoneel kan werken aan apparatuur met een duidelijk fysiek isolatiepunt.

Dit is een belangrijk onderscheid:stroomonderbrekers onderbreken de stroom, terwijl scheiders voor isolatie zorgen.

Busbars zijn geleidende verbindingen die inkomende en uitgaande circuits binnen het onderstation met elkaar verbinden.

Verschillende projecten kunnen gebruikenenkele busbar, dubbele busbar, ringbus, stroomonderbreker-en-een-halveof andere regelingen. Er is niet één configuratie die overal het beste werkt.

De railopstelling heeft invloed op de betrouwbaarheid, onderhoudsflexibiliteit, foutisolatie en projectkosten. Kritieke onderstations kunnen ingewikkeldere opstellingen gebruiken omdat ze meer flexibiliteit bieden tijdens onderhoud of apparatuurstoringen.

A stroomtransformator (CT)zet een hoge primaire stroom om in een lagere, gestandaardiseerde secundaire stroom die veilig kan worden gemeten door beveiligings- en meetapparatuur.

CT's worden vaak gebruikt voor overstroombeveiliging, aardfoutbeveiliging-, differentiële beveiliging, energiemeting en algemene stroombewaking.

Het is belangrijk dat de CT-ratio en nauwkeurigheid goed zijn. Vooral beschermings-CT's moeten goed presteren tijdens hoge foutstromen, dus nauwkeurigheidsklasse, belasting, verzadigingskarakteristieken en beschermingsvereisten moeten allemaal in overweging worden genomen.

Spanningstransformatoren (VT's), ook wel potentiële transformatoren (PT's) genoemd, verlagen hoge systeemspanningen naar veiligere niveaus voor metingen en bescherming.

Ze leveren spanningssignalen aan meters, relais, besturingsapparatuur en bewakingssystemen zonder deze laag-circuits rechtstreeks op het hoog-hoogspanningssysteem aan te sluiten.

Voedingssystemen kunnen te maken krijgen met voorbijgaande overspanningen, veroorzaakt door blikseminslagen en schakelhandelingen.

Overspanningsafleidershelp transformatoren, schakelapparatuur, kabels en andere apparatuur te beschermen door deze spanningspieken te beperken en een pad te bieden voor piekenergie naar aarde.

Hun selectie hangt af van de systeemspanning, aardingsomstandigheden, tijdelijke overspanning en isolatiecoördinatie. Het is een relatief klein onderdeel vergeleken met een stroomtransformator, maar zijn rol is zeker niet gering.

Beveiligingsrelais vormen in wezen het besluitvorming-deel van het beveiligingssysteem van onderstations.

Ze bewaken stroom, spanning, frequentie, faserelaties en andere elektrische parameters. Wanneer ze een abnormale toestand vaststellen, kunnen ze een uitschakelsignaal naar de betreffende stroomonderbreker sturen.

Gemeenschappelijke beschermingsfuncties omvattenoverstroom, aardfout, differentieel, overspanning, onderspanning, overfrequentie, onderfrequentie en afstandsbeveiliging.

Moderne numerieke relais kunnen verschillende beveiligingsfuncties combineren met metingen, gebeurtenisregistratie, communicatie en bewaking op afstand. Dit heeft onderstationbeveiligingssystemen aanzienlijk capabeler gemaakt dan oudere elektromechanische ontwerpen.

Een betrouwbaar aardingssysteem is essentieel voor zowel de bescherming van apparatuur als de veiligheid van het personeel.

Het aardingssysteem biedt een gecontroleerd pad voor foutstroom en helpt de aanraak- en stapspanningen binnen aanvaardbare grenzen te houden. Een typisch aardingsnet voor onderstations wordt gebruiktbegraven geleidersEnaardelektrodenverbonden met transformatortanks, apparatuurframes, staalconstructies en andere geleidende onderdelen.

Het aardingsontwerp is afhankelijk van factoren zoals bodemweerstand, beschikbare foutstroom, fout-opruimtijd, rasterafmetingen en toepasselijke veiligheidseisen.

Er zijn verschillende manieren om een elektrisch onderstation te classificeren. De meest gebruikelijke benaderingen zijn gebaseerd op de functie, het spanningsniveau, de installatieomgeving of de toepassing.

A onderstation-opvoerenverhoogt de door een productie-installatie geproduceerde spanning naar een hogere transmissiespanning.

Een generator kan elektriciteit produceren op een relatief lage spanning vergeleken met het transmissienetwerk. De generator-step-transformator verhoogt die spanning voordat elektriciteit het transmissiesysteem binnenkomt.

Een hogere transmissiespanning betekent een lagere stroom bij hetzelfde vermogensniveau, waardoor verliezen in transmissielijnen worden verminderd.

Een lager-substation doet het tegenovergestelde.

Het reduceert een hoge transmissiespanning naar een lagere spanning voor regionale of lokale distributie. Een transmissielijn van 220 kV kan bijvoorbeeld een onderstation voeden waar de spanning wordt verlaagd tot 110 kV of 35 kV.

Van daaruit kan extra distributieapparatuur de spanning verder verlagen voordat de elektriciteit de consument bereikt.

A distributie onderstationbevindt zich doorgaans dichter bij de elektrische belasting.

Het reduceert het midden-spanningsvermogen naar een lagere distributiespanning en levert verschillende uitgaande circuits. Distributiesubstations kunnen woongemeenschappen, commerciële ontwikkelingen, fabrieken, infrastructuurprojecten en andere belastingen bedienen.

Hun ontwerp is vaak compacter dan dat van een groot transmissiestation, hoewel de benodigde capaciteit nog steeds aanzienlijk kan zijn.

Een schakelonderstation voert voornamelijk schakel- en beveiligingsfuncties uit in plaats van grote spanningstransformaties.

Het kan verschillende transmissie- of distributiecircuits met elkaar verbinden, een netwerk in secties verdelen en de operationele flexibiliteit verbeteren. Op sommige locaties worden schakelstations gebruikt om de betrouwbaarheid te verbeteren zonder grote stroomtransformatoren te installeren.

Een industrieel onderstation levert elektriciteit aan grote industriële faciliteiten zoals fabrieken, mijnen, staalfabrieken, chemische fabrieken en verwerkingsfaciliteiten.

Deze projecten stellen vaak hoge eisen aan betrouwbaarheid en stroomkwaliteit. Hoge startstromen, grote motoren,harmonischen, gevoelige apparatuur en continue productieprocessen kunnen allemaal het ontwerp van onderstations beïnvloeden.

Datacenters zijn een ander goed voorbeeld. Hun elektrische systemen vereisen mogelijk redundante transformatoren, hoogwaardige bescherming-, harmonisch beheer en zorgvuldig gecoördineerde back-upstroomsystemen.

Grote fotovoltaïsche zonne-energiecentrales, windparken en batterij-energieopslagsystemen vereisen over het algemeen een speciale elektrische infrastructuur voor aansluiting op het elektriciteitsnet.

Een onderstation voor hernieuwbare energie kan collectortransformatoren, middenspanningsschakelaars, stroomtransformatoren, beveiligingssystemen, meters, blindvermogencompensatie en netaansluitingsapparatuur omvatten.

Bij het ontwerp van de transformator moet rekening worden gehouden met het opwekkingsprofiel van het project, de netwerk-vereisten, harmonischen, omgevingsomstandigheden en bedrijfsomstandigheden.

Substations kunnen ook worden geclassificeerd op basis van waar de apparatuur is geïnstalleerd.

Buitenstations worden veel gebruiktmidden- en hoog-toepassingen voor spanning.

Grote apparatuur wordt buiten geïnstalleerd op betonnen funderingen of staalconstructies. Deze opstelling biedt voldoende ruimte voor grote transformatoren, stroomonderbrekers, rails en hoogspanningsverbindingen.

Buitenstations zijn vaak een praktische keuze voor grote transmissie- en distributieprojecten, vooral als er voldoende grond beschikbaar is.

In een binnenstation wordt de belangrijkste apparatuur geïnstalleerd in een speciaal gebouw of behuizing.

Deze aanpak kan nuttig zijn wanneer het land beperkt is of wanneer apparatuur extra bescherming nodig heeft tegen stof, vocht, vervuiling of ongeautoriseerde toegang.

Stedelijke onderstations, industriële faciliteiten en projecten met strikte ruimtebeperkingen kunnen gebruik maken van binnenschakelapparatuur en droge-transformatoren om een compactere installatie te creëren.

Hoog-hoogspanningssubstations worden gewoonlijk onderverdeeld in:lucht-geïsoleerde onderstations (AIS)Engas-geïsoleerde onderstations (GIS).

AIS gebruikt atmosferische lucht als het belangrijkste isolatiemedium tussen onder spanning staande componenten. Het vergt over het algemeen meer ruimte, maar de apparatuur is relatief toegankelijk voor visuele inspectie en onderhoud.

GIS plaatst hoog-componenten in afgesloten metalen behuizingen met behulp van een isolatiegas of een alternatief isolatiemedium. Het resultaat kan een veel kleinere voetafdruk zijn, wat vooral handig is in steden, industriële gebieden, ondergrondse installaties en andere locaties met beperkte ruimte-.

Functie	AIS	GIS
Isolatie medium	Lucht	Isolerend gas/medium
Voetafdruk	Groter	Compacter
Initiële kosten	Over het algemeen lager	Over het algemeen hoger
Installatie ruimte	Vereist meer grond	Geschikt voor beperkte locaties
Toegang voor onderhoud	Relatief eenvoudig	Meer gespecialiseerd
Typische toepassingen	Nuts- en open- onderstations	Stedelijke, industriële en ruimte-beperkte onderstations

Er is geen universele winnaar tussen AIS en GIS. De keuze komt meestal neer op de beschikbare grond, het projectbudget, het spanningsniveau, de omgevingsomstandigheden, de onderhoudsstrategie en de vereiste voetafdruk.

Het ontwerpen van eenelektrisch onderstationbegint met het begrijpen van het elektrische systeem dat het moet bedienen.

Ingenieurs kijken eerst naar de verwachte belasting, spanningsniveaus, foutniveaus, betrouwbaarheidseisen, toekomstige uitbreiding en netaansluitpunt. Deze factoren bepalen vrijwel elke latere ontwerpbeslissing.

Transformator capaciteitis een van de eerste belangrijke overwegingen. De transformator moet de verwachte belasting aankunnen zonder onnodig te groot te zijn. Tegelijkertijd is het vaak noodzakelijk om rekening te houden met toekomstige groei.

Continu gebruik bij overmatige belasting kan de wikkelings- en olietemperaturen verhogen, de veroudering van de isolatie versnellen en de levensduur van de transformator verkorten.

Kortsluiting-omstandighedenhebben ook zorgvuldige aandacht nodig. Stroomonderbrekers, stroomrails, transformatoren, CT's, kabels en andere belangrijke componenten moeten geschikt zijn tegen kortsluiting- en kunnen onderbreken.

Coördinatie van de beschermingis een ander belangrijk vraagstuk. Een goed beveiligingssysteem moet een storing snel isoleren en onnodige verplaatsingen van gezonde apparatuur vermijden. Het klinkt eenvoudig, maar voor een goede coördinatie kan gedetailleerd systeemonderzoek nodig zijn.

Defysieke indelingis ook van belang. Elektrische afstanden, toegang voor onderhoud, kabelgeleiding, brandbeveiliging, afvoer, ventilatie, lawaai, transport van apparatuur en toekomstige uitbreidingen moeten allemaal in overweging worden genomen voordat de bouw begint.

Voor grotere projecten omvat het ontwerp van onderstations doorgaans elektrische studies, apparatuurspecificaties, beschermings- en controleontwerp, civiele techniek, aardingsontwerp, gedetailleerd lay-outwerk en inbedrijfstelling.

Voor nutsbedrijven en EPC-aannemers: kies het juisteonderstation transformatoris een van de belangrijkste onderdelen van het project.

De specificatie van de transformator omvat normaal gesproken het nominale vermogen, de primaire en secundaire spanning, frequentie, vectorgroep, impedantie, aftakkingsbereik, isolatieniveau, verliezen, temperatuurstijging, koelmethode en toepasselijke normen.

Voor een in olie-ondergedompelde stroomtransformator: de specificatiekan ook betrekking hebben op transformatorolie, conservatoropstelling, koelapparatuur, bussen, kraanwisselaar, bewakingsapparatuur en andere accessoires.

Voor binneninstallaties: adroge-type transformatorkan een praktische optie zijn waar brandveiligheid, installatie binnenshuis, omgevingsomstandigheden of onderhoudsvereisten dit passend maken.

De selectie van transformatoren mag niet alleen gebaseerd zijn op de MVA- of kVA-waarde. De werkomgeving is nogal belangrijk.

Omgevingstemperatuur, installatiehoogte, belastingsprofiel, harmonischen, kenmerken van de opwekking van hernieuwbare energie, verwachte overbelastingsomstandigheden en netvereisten kunnen allemaal van invloed zijn op het ontwerp van de transformator.

Voor een duurzaam energieproject kan de transformator bijvoorbeeld een heel ander bedrijfsprofiel ervaren dan een conventionele industriële transformator. Hetzelfde basisprincipe voor spanningstransformatie is van toepassing, maar de ontwerpdetails kunnen behoorlijk verschillen.

Onderstationapparatuur wordt normaal gesproken ontworpen, vervaardigd en getest volgens relevante internationale, nationale en project-specifieke normen.

Voor stroomtransformatoren,IEC 60076is een van de belangrijkste internationale standaarden. Afhankelijk van de projectlocatie en de eisen van de klant kunnen ook IEEE- en ANSI-normen van toepassing zijn.

Schakelapparatuur, stroomonderbrekers, instrumenttransformatoren, beveiligingsapparatuur en andere onderstationcomponenten hebben hun eigen toepasselijke normen.

Voor internationale projecten is het een goed idee om de vereiste normen vroeg in het aanbestedingsproces te bevestigen. Anders kan het zijn dat apparatuur die er op papier technisch geschikt uitziet, later aanvullende tests, documentatie of ontwerpwijzigingen nodig heeft.

Een onderstationprobleem blijft zelden geïsoleerd.

Een transformatorfout, railfout, beveiligingsstoring of stroomonderbrekerstoring kan de stroom naar een veel groter gebied onderbreken. Voor industriële installaties en datacentra kan zelfs een relatief korte storing ernstige operationele en financiële gevolgen hebben.

Dat is de reden dat kritieke onderstations vaak gebruikmaken van redundante transformatoren, gesegmenteerde rails, back-upbescherming, onafhankelijke besturingsvoedingen en meerdere bewakingslagen.

Ook het monitoren van de toestand van transformatoren wordt steeds belangrijker.Olie testen, Analyse van opgeloste gassen (DGA)Temperatuurmonitoring, bushingmonitoring en online monitoring van gedeeltelijke ontlading kunnen helpen bij het identificeren van zich ontwikkelende problemen voordat deze uitmonden in grote storingen.

Het is vaak veel eenvoudiger en veel goedkoper om met een vroege waarschuwing om te gaan dan met een onverwachte transformatorstoring.

De rol van deelektrisch onderstationverandert naarmate de energiesector meer gedecentraliseerd en digitaler wordt.

Zonne-energiecentrales, windmolenparken, batterij-energieopslagsystemen, infrastructuur voor elektrische voertuigen, datacenters en grote industriële belastingen creëren nieuwe eisen aan het elektriciteitsnet.

Tegelijkertijd maken moderne onderstations gebruik van intelligente elektronische apparaten, communicatienetwerken, bewaking op afstand, geautomatiseerde controle en digitale beveiligingssystemen. Operators kunnen veel meer informatie verkrijgen over de staat van de apparatuur en de netwerkprestaties dan in het verleden.

Hernieuwbare energieprojecten zijn bijzonder interessant omdat energiestromen niet langer altijd voorspelbaar of één-richting zijn. Een onderstation moet mogelijk de hele dag door te maken krijgen met veranderende opwekkingsniveaus, vereisten voor reactief vermogen, harmonischen en netwerkvereisten.

Dit maakt de prestaties van transformatoren, beveiligingscoördinatie, stroomkwaliteit en systeemmonitoring steeds belangrijker.

Eenelektrisch onderstationis een cruciaal onderdeel van het energiesysteem. Het verandert de spanning, regelt de energiestroom, beschermt elektrische apparatuur, isoleert fouten en zorgt voor de monitoring die nodig is om het elektriciteitsnet betrouwbaar te laten werken.

De transformator is misschien wel het meest zichtbare en dure onderdeel, maar het is slechts een onderdeel van het systeem.Vermogenstransformatoren, schakelapparatuur, stroomonderbrekers, beveiligingsrelais, CT's, VT's, rails, overspanningsafleiders, aardingssystemen en besturingsapparatuurmoeten allemaal samenwerken.

Voor nutsbedrijven, EPC-aannemers, industriële faciliteiten, ontwikkelaars van hernieuwbare energie en andere energieprojecten begint een goed onderstationontwerp met het begrijpen van de werkelijke bedrijfsomstandigheden in plaats van simpelweg apparatuur uit een standaardcatalogus te kiezen.

Naarmate de vraag naar elektriciteit blijft groeien, de uitbreiding van hernieuwbare energie en batterijopslag versnelt, en belastingen met een hoge- dichtheid, zoals AI-datacenters, meer druk op het elektriciteitsnet leggen, zal de behoefte aan betrouwbare onderstations alleen maar belangrijker worden.

Voor transformatorfabrikanten zoalsYawei-transformatorbetekent dit het ontwikkelen van oplossingen die zich kunnen aanpassen aan verschillende spanningsniveaus, capaciteiten, installatieomgevingen en projectvereisten. Of de toepassing nu een transmissieonderstation, distributieonderstation, duurzaam energieproject, industriële faciliteit of andere energie-infrastructuur is, de transformator blijft een centraal onderdeel van een betrouwbaar elektrisch systeem.

Neem nu contact op

Vraag: Hoe snel kunt u de transformator leveren?

A: Het hangt af van de hoeveelheid en capaciteit van de transformator, normaal gesproken binnen een maand na de door de koper bevestigde datumtekening.

Vraag: Hoe lang kunt u de kwaliteitsgarantie bieden?

A: 24 maanden sinds de datum waarop de transformator in werking trad.

Vraag: Welke betaalmethode accepteert u?

A: Bij voorkeur T/T (overboeking), L/C beide geaccepteerd.