Cos'è una sottostazione elettrica? Cabine elettriche e quadri

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-09 14:12

Gli ingegneri elettrici sanno cosa sono le centrali elettriche e le sottostazioni, a cosa servono e come funzionano. Sanno come calcolare la loro potenza e tutti i parametri necessari, come il numero di spire, la sezione del filo e le dimensioni del circuito magnetico. Questo viene insegnato agli studenti delle università tecniche e delle scuole tecniche. Le persone con un background di arti liberali ritengono che le strutture, spesso isolate sotto forma di case senza finestre (gli amanti dei graffiti adorano dipingerle), siano necessarie per fornire energia alle case e alle imprese, e non dovrebbero essere penetrate, spaventosi emblemi nella forma di teschi e fulmini parlano eloquentemente di questo attaccato a oggetti pericolosi. Forse molti non hanno bisogno di saperne di più, ma le informazioni non sono mai superflue.

Un po' di fisica

L'elettricità è una merce per cui devi pagare, ed è un peccato se viene sprecata. E questo, come in ogni produzione, è inevitabile, il compito è solo quello di ridurre le perdite inutili. L'energia è uguale alla potenza moltiplicata per il tempo, quindi in ulteriori ragionamenti possiamo operare con questo concetto, quindicome il tempo scorre costantemente, ed è impossibile tornare indietro, come dice la canzone. La potenza elettrica, approssimativamente, senza tener conto dei carichi reattivi, è uguale al prodotto della tensione e della corrente. Se lo consideriamo più in dettaglio, il coseno phi entrerà nella formula, che determina il rapporto tra l'energia consumata e la sua componente utile, chiamata attiva. Ma questo importante indicatore non è direttamente correlato alla domanda sul perché sia necessaria una sottostazione. L'energia elettrica dipende quindi dai due principali contributori alle leggi di Ohm e Joule-Lenz, tensione e corrente. Piccola corrente e alta tensione possono produrre la stessa potenza di viceversa, alta corrente e bassa tensione. Sembrerebbe, qual è la differenza? Ed è, e molto grande.

Riscaldare l'aria? Fuoco

Quindi, se usi la formula della potenza attiva, ottieni quanto segue:

P=U x I, dove:

U è la tensione misurata in Volt;

I è la corrente misurata in Amp;P è la potenza misurata in Watt o Volt -Amp.

Ma c'è un' altra formula che descrive la già citata legge di Joule-Lenz, secondo la quale la potenza termica rilasciata durante il passaggio della corrente è uguale al quadrato della sua grandezza, moltiplicata per la resistenza del conduttore. Riscaldare l'aria intorno alla linea elettrica significa sprecare energia. Teoricamente, queste perdite possono essere ridotte in due modi. Il primo comporta una diminuzione della resistenza, cioè un ispessimento dei fili. Maggiore è la sezione trasversale, minore è la resistenza eviceversa. Ma non voglio nemmeno sprecare metallo invano, è costoso, il rame dopotutto. Inoltre, il doppio consumo del materiale conduttore comporterà non solo un aumento dei costi, ma anche un peso, che, a sua volta, comporterà un aumento della complessità dell'installazione di linee di grattacieli. E i supporti saranno richiesti più potenti. E le perdite saranno solo dimezzate.

Decisione

Per ridurre il riscaldamento dei fili durante la trasmissione di potenza, è necessario ridurre la quantità di corrente che passa. Questo è abbastanza chiaro, perché dimezzarlo porterà a una riduzione di quattro volte delle perdite. E se dieci volte? La dipendenza è quadratica, il che significa che le perdite saranno cento volte inferiori! Ma la potenza deve essere la stessa "oscillante", che è necessaria all'insieme dei consumatori che la aspettano all' altro capo della linea di trasmissione, a volte a centinaia di chilometri dalla centrale. La conclusione stessa suggerisce che è necessario aumentare la tensione della stessa quantità di corrente ridotta. La cabina di trasformazione all'inizio della linea di trasmissione è progettata proprio per questo. I fili escono da esso sotto una tensione molto alta, misurata in decine di kilovolt. Per tutta la distanza che separa la centrale termoelettrica, idroelettrica o nucleare dalla località in cui è indirizzata, l'energia viaggia con una piccola (relativamente) corrente. Il consumatore, invece, ha bisogno di ricevere energia con i parametri standard indicati, che nel nostro paese corrispondono a 220 volt (o 380 V interfase). Ora non abbiamo bisogno di uno step-up, come all'ingresso di una linea elettrica, ma di una sottostazione step-down. L'energia elettrica viene fornita ai dispositivi di distribuzione in modo che le luci siano accese nelle case ei rotori delle macchine giravano nelle fabbriche.

Cosa c'è nella cabina?

Da quanto sopra, è chiaro che la parte più importante in una sottostazione è un trasformatore, e solitamente trifase. Potrebbero essercene diversi. Ad esempio, un trasformatore trifase può essere sostituito da tre monofase. Un numero maggiore potrebbe essere dovuto all'elevato consumo energetico. Il design di questo dispositivo è diverso, ma ha comunque dimensioni impressionanti. Più potenza viene data al consumatore, più seria appare la struttura. Il dispositivo di una sottostazione elettrica, tuttavia, è più complesso e include più di un semplice trasformatore. Esistono anche apparecchiature progettate per la commutazione e la protezione di un'unità costosa e molto spesso per il suo raffreddamento. La parte elettrica delle stazioni e sottostazioni contiene anche quadri dotati di apparecchiature di controllo e misura.

Trasformatore

Il compito principale di questa struttura è quello di veicolare energia al consumatore. Prima dell'invio, la tensione deve essere aumentata e, dopo averla ricevuta, ridotta al livello standard.

Con tutto il fatto che il circuito di una sottostazione elettrica comprende molti elementi, quello principale è pur sempre un trasformatore. Non vi è alcuna differenza fondamentale tra il dispositivo di questo prodotto in un alimentatore convenzionale di un elettrodomestico e i modelli industriali ad alta potenza. Il trasformatore è costituito da avvolgimenti (primario e secondario) e da un circuito magnetico costituito da un ferromagnete, ovvero un materiale (metallo) che amplifica il campo magnetico. Calcolodi questo dispositivo è un compito educativo abbastanza standard per uno studente di un'università tecnica. La principale differenza tra il trasformatore della sottostazione e le sue controparti meno potenti, che è evidente, oltre alle dimensioni, è la presenza di un sistema di raffreddamento, che è un insieme di oleodotti che circondano gli avvolgimenti riscaldati. La progettazione delle cabine elettriche, tuttavia, non è un compito facile, poiché devono essere presi in considerazione molti fattori, che vanno dalle condizioni climatiche alla natura del carico.

Potenza di trazione

Non sono solo le case e le aziende a consumare elettricità. Qui è tutto chiaro, è necessario applicare 220 volt CA rispetto al bus neutro o 380 V tra le fasi a una frequenza di 50 Hertz. Ma c'è anche il trasporto elettrico urbano. Tram e filobus richiedono una tensione non alternata, ma costante. E diverso. Dovrebbero esserci 750 Volt sul filo di contatto del tram (rispetto al suolo, cioè i binari), e il filobus ha bisogno di zero su un conduttore e 600 Volt CC sull' altro, i protettori delle ruote in gomma sono isolanti. Ciò significa che è necessaria una sottostazione separata molto potente. L'energia elettrica viene convertita su di essa, cioè rettificata. La sua potenza è molto grande, la corrente nel circuito è misurata in migliaia di ampere. Tale dispositivo è chiamato dispositivo draft.

Protezione sottostazione

Sia il trasformatore che il potente raddrizzatore (nel caso di alimentatori a trazione) sono costosi. Se c'èuna situazione di emergenza, ovvero un cortocircuito, comparirà una corrente nel circuito dell'avvolgimento secondario (e, di conseguenza, nel primario). Ciò significa che la sezione dei conduttori non viene calcolata. La sottostazione di trasformazione elettrica inizierà a riscaldarsi a causa della generazione di calore resistivo. Se un tale scenario non è previsto, a causa di un cortocircuito in una qualsiasi delle linee periferiche, il filo dell'avvolgimento si scioglierà o brucerà. Per evitare che ciò accada, vengono utilizzati vari metodi. Si tratta di protezioni differenziali, gas e sovracorrente.

Differenziale confronta i valori di corrente nel circuito e nell'avvolgimento secondario. La protezione del gas si attiva quando nell'aria compaiono prodotti della combustione di isolamento, olio, ecc. La protezione di corrente spegne il trasformatore quando la corrente supera il valore massimo impostato.

La cabina di trasformazione dovrebbe spegnersi automaticamente anche in caso di fulmine.

Tipi di sottostazioni

Sono diversi per potenza, scopo e dispositivo. Quelli che servono solo ad aumentare o diminuire la tensione sono chiamati trasformatori. Se è necessaria anche una modifica di altri parametri (rettifica o stabilizzazione della frequenza), la sottostazione viene chiamata sottostazione di trasformazione.

Secondo il loro progetto architettonico, le sottostazioni possono essere collegate, integrate (adiacenti alla struttura principale), intrashop (situate all'interno della struttura produttiva) o rappresentare un edificio ausiliario separato. In alcuni casi, quando non è richiesta un'elevata potenza (quando si organizza l'alimentazionepiccoli insediamenti), viene utilizzata la struttura a palo delle sottostazioni. A volte vengono utilizzate torri di trasmissione di potenza per posizionare il trasformatore, su cui è montata tutta l'attrezzatura necessaria (fusibili, scaricatori, sezionatori, ecc.).

Le reti e le sottostazioni elettriche sono classificate per tensione (fino a 1000 kV o più, ovvero alta tensione) e potenza (ad esempio, da 150 VA a 16 mila kVA).

Secondo il segno schematico della connessione esterna, le sottostazioni sono suddivise in nodale, vicolo cieco, passante e diramazione.

All'interno della cella

Lo spazio all'interno della sottostazione, in cui si trovano i trasformatori, le sbarre e le apparecchiature che assicurano il funzionamento dell'intero dispositivo, è chiamato camera. Può essere recintato o chiuso. La differenza tra i modi per alienarlo dallo spazio circostante è piccola. La camera chiusa è una stanza completamente isolata e quella recintata si trova dietro pareti non solide (a rete o a traliccio). Sono realizzati, di regola, da imprese industriali secondo progetti standard. La manutenzione dei sistemi di alimentazione viene eseguita da personale addestrato con autorizzazione e le qualifiche necessarie, confermate da un documento ufficiale sull'autorizzazione a lavorare su linee ad alta tensione. La supervisione operativa del funzionamento della cabina è svolta da un elettricista o ingegnere di potenza in servizio, situato in prossimità del quadro principale, che può essere posizionato a distanza dalla cabina.

Distribuzione

C'è un' altra importante funzione svolta dalla sottostazione elettrica. L'energia elettrica è distribuita traconsumatori secondo i loro standard e, inoltre, il carico delle tre fasi dovrebbe essere il più uniforme possibile. Affinché questo compito venga risolto con successo, ci sono dispositivi di distribuzione. Il quadro funziona alla stessa tensione e contiene dispositivi che eseguono la commutazione e proteggono le linee dal sovraccarico. Il quadro è collegato al trasformatore tramite fusibili e interruttori (unipolari, uno per ogni fase). I dispositivi di distribuzione in base alla posizione sono divisi in aperti (situati all'aperto) e chiusi (situati all'interno).

Sicurezza

Tutti i lavori eseguiti nella cabina elettrica sono classificati come particolarmente rischiosi, pertanto sono necessarie misure di emergenza per garantire la sicurezza sul lavoro. Fondamentalmente, le riparazioni e le manutenzioni vengono eseguite con un blackout totale o parziale. Dopo che la tensione è stata scollegata (gli elettricisti dicono "rimosso"), a condizione che siano rispettate tutte le tolleranze necessarie, le barre che trasportano corrente vengono collegate a terra per prevenire l'attivazione accidentale. I segnali di avvertimento "Le persone stanno lavorando" e "Non accendere!" Sono destinati anche a questo. Il personale addetto alle cabine di alta tensione viene sistematicamente formato e periodicamente vengono monitorate le competenze e le conoscenze acquisite. La tolleranza n. 4 dà il diritto di eseguire lavori su impianti elettrici superiori a 1 kV.