Ключевые вызовы электротехнического проектирования современных электростанций: комплексный обзор

Эволюция требований к электрическим системам электростанций

Электростанция, станция питания и электростанция генерации — все распространенные названия, используемые электростанциями. Электростанции необходимы для современной повседневной жизни. Не было бы телевидения, интернета, электричества и света. Генерация энергии существует с конца 1800-х, когда вода из озера использовалась для питания динамо Siemens. Электричество обеспечивало питание для света, отопления, производило горячую воду, работало лифтом, а также трудосберегающими устройствами и фермерскими зданиями.

До недавнего времени главная цель электрических систем была гарантировать бесперебойную работу освещения объекта, процессов и экологических систем. Эта очень простая модель была получена в начале двадцатого века, когда потребление энергии было в основном от линейных нагрузок. В последние годы нелинейные нагрузки, такие как двигатели переменной скорости, программируемые логические контроллеры и другое электрооборудование стали нормой.

По сравнению с линейными нагрузками, эти нелинейные нагрузки намного более чувствительны к перенапряжениям, снижениям напряжения и другим нарушениям, которые всегда существовали на линии питания коммунальных услуг. Такие рутинные нарушения могут вызывать проблемы, варьирующиеся от незначительных неисправностей оборудования до дорогостоящих системных отключений и повреждений оборудования. Кроме того, нелинейные устройства могут создавать свои собственные нарушения качества энергии, которые могут вызывать проблемы в других частях объекта станции и могут возвращаться обратно в систему распределения коммунальных услуг.

Увеличенная зависимость от нелинейных нагрузок добавила новые цели к электротехническому системному дизайну. Пока гарантированная подача энергии остается критичной, вопросы надежности и качества энергии становятся первостепенными, и требования к емкости увеличились. Кроме того, необходимость продолжает контролировать использование энергии и затраты для сохранения конкурентоспособности. Лицом к этим вызовам электроинженеры должны оценивать риск переживания проблем надежности и качества энергии и оценивать экономическое воздействие проблем и внедрять стоимоэффективную программу управления рисками.

Надежное электроснабжение

Надежное электроснабжение — это то, что доставляет электричество достаточно для обслуживания нагрузки объекта на уровне качества энергии, желаемом, и которое предоставляет достаточно энергии во время ограничения или других аварийных условий для обеспечения безопасности персонала и защиты критичных процессов и процессного оборудования.

Электротехнический дизайн электростанции, который может предвидеть требования нагрузки, требуемые объектом, редко близок к идеалу. Необходимо для инженеров станции провести профиль нагрузки объекта. Профиль предоставит команде управления тщательным пониманием того, как электрическое потребление объекта варьируется за желаемый временной интервал. Один метод для идентификации образа электрической нагрузки услуги — провести анализ через диаграммы спроса. Или альтернативно использовать измерительные системы для передачи данных с информацией во время пиковых времен использования. Инструментация необходима для непрерывного мониторинга электрических систем и информирования операторов об их производительности и эффективности.

Качество энергии (Power Quality)

В терминах качества энергии, обычная коммунальная услуга не 100% надежна. Для некоторых коммунальных клиентов, готовых платить премию, электроснабжение может быть сделано ближе к 100% надежному. Даже на этом более высоком уровне надежности может быть необходимо для некоторых пользователей предоставлять внутренние системы кондиционирования энергии.

Несмотря на использование диагностики и превентивных мер инженерами станции, неожиданные отключения и другие неисправности случаются. В таких ситуациях, хорошо управляемая станционная электрическая система предоставляет аварийное питание, по крайней мере достаточно для допуска отключения оборудования.

Резервное питание может быть поставлено вспомогательными генераторами или устройством, известным как бесперебойный источник питания (ИБП/UPS). В растущем числе станций может быть экономически целесообразно предоставлять на месте генерацию энергии через когенерационную систему. Когенерационные системы используют отходы или закупленное топливо для генерации энергии и восстановления отходного тепла.

Источники проблем качества энергии

Даже сегодня коммунальные услуги используют передовое железо и ПО на своих подстанциях и в своих системах распределения, нарушения качества энергии случаются. Эти могут результатом из:

• Неисправностей передачи
• Неисправностей коммутации системы распределения
• Ударов молнии
• Одновременной работы оборудования

Во многих случаях нарушения могут быть прослежены к проблемам проводки и заземления внутри самой станции. Общие нарушения — отключения, пониженное напряжение, перенапряжение, спайки, провалы, скачки или шумы. Эти нарушения могут варьироваться в продолжительности от устойчивых отключений, длящихся несколько часов, до скачков, длящихся только несколько микросекунд, и неразличимых для инженеров станции.

Старые электрооборудования, такие как двигатели, соленоиды и электромеханические контролы, в основном не подвержены нарушениям короткой продолжительности. Однако твердотельное электронное оборудование гораздо более восприимчиво к широкому спектру нарушений. Эта уязвимость исходит от способа, которым электронное устройство потребляет переменный ток (AC), поставляемый ему. Электронные устройства, неспособные конвертировать AC мощность в постоянный ток (DC), могут иметь проблемы, включая:

• Прерывание устройства
• Ошибки данных
• Потерю памяти
• И даже отключения

В худшем случае сценария некоторые устройства могут понести ущерб.

Соображения для исправления проблем качества энергии

Существует несколько типов средств, доступных для защиты твердотельного, чувствительного к энергии оборудования от нарушений энергии; большинство простые и недорогие. Кроме того, нарушения могут быть предотвращены полностью путем кондиционирования электроснабжения для выравнивания формы синусоидальной волны (Детали здесь). Поскольку оборудование кондиционирования энергии дорогое, оно лучше подходит только для тех приложений, требующих высшего уровня качества энергии.

• Проводка и заземление
  Примерно 80% проблем качества энергии на коммерческих и промышленных объектах могут быть прослежены к проблемам с неправильным заземлением, неадекватной проводке, ослабленным соединениям и накоплению пыли и грязи от плохих практик обслуживания. Важность хорошего, низкоомного заземления не может быть переоценена, особенно так как твердотельные системы зависят от заземления для референса для работы и для рассеивания случайной мощности, которая могла вызвать повреждение, если оставлена на цепи. Это низкозатратная превентивная мера для проблем качества энергии.
• Выделенные цепи
  Большинство нарушений энергии в форме шумов генерируются внутри самой станции. В результате, эффективный метод защиты критичного или высокочувствительного оборудования — разместить оборудование на своей собственной изолированной цепи для защиты от нарушений энергии, вызванных другим оборудованием вблизи.
• Подавитель спайков (Spike Suppressor)
  Подавители спайков снижают амплитуду напряженных спайков к безопасным уровням и могут устранить многие внезапные изменения напряжения. Они самые простые и наименее дорогие защитные устройства; однако их способность зависит от качества приобретенного подавителя.
• Изоляционные трансформаторы
  Изоляционные трансформаторы фильтруют электрические шумы и искажения от другого на-объектного оборудования или входящей энергии. Они не могут, однако, защищать от других типов нарушений, таких как спайки и скачки.
• Стабилизаторы напряжения (Voltage Regulators)
  Стабилизаторы напряжения поддерживают относительно постоянное напряжение защищая от скачков и провалов через механические или электрические средства. Этот вариант дороже перечисленных выше, но находится в середине спектра затрат для устройств улучшения энергии.
• Бесперебойный источник питания (UPS)
  ИБП защищает от кратковременных перебоев питания и внешних нарушений энергии. Системы ИБП обычно состоят из выпрямителя/заряда, банка аккумуляторов, статического инвертора и автоматического или ручного байпас-переключателя. Он предлагает защиту от всех проблем качества энергии, включая мгновенные отключения. Защита от устойчивых отключений ограничена размером банка аккумуляторов. ИБП не защищает от переходных процессов, провалов, вздутий или других аномалий.

Понимание этих вызовов и внедрение соответствующих решений критически важно для обеспечения надежного и качественного электроснабжения современных электростанций.