Здесь будут рассмотрены сети Парижа, Лондона и Нью-Йорка.
Электроснабжение Парижа и его пригородов.
Краткая историческая справка. Обращение к истории позволяет выявить те решения, которые считались лучшими в прошлом, принимая во внимание не только состояние техники на тот момент, но и соответствующие условия; сооружение сетей в новых или развивающихся городах не должно осуществляться детальным копированием как для современных, так и для устаревших структур сетей.
распределение электроэнергии для освещения началось в 1887 г.
До 1907 г. распределение электроэнергии в Париже осуществлялось семью распределительными сетями, каждая из них питала свой «сектор» Парижа; отсюда и пошло распространенное сейчас выражение «подключиться к сети». Из этих сетей:
три были сетями постоянного напряжения 110 В с двумя «мостами»;
две были сетями постоянного напряжения 110 В с четырьмя «мостами»;
две были сетями переменного напряжения (частотой 40 и 42 Гц соответственно).
В то же время пригородные сети были двух- и трехфазными сетями переменного напряжения частотой 25, 40, 42, 50 или 53 Гц.
Семь секторов Парижа были объединены в 1907 г. в один; реорганизация сетей привела к тому, что стали различать три зоны:
центр города и правый берег Сены, питаемые постоянным напряжением;
северо-восток города, питаемый двухфазным напряжением 12,5 кВ и частотой 42 Гц (позднее здесь появились сети НН напряжением 115 В);
запад города и левый берег Сены, питаемые однофазным напряжением 3 кВ через подстанции 3 кВ/115 В, установленные в каждом здании.
Однако производство электроэнергии сконцентрировано на двух станциях, находящихся за пределами Парижа (в Сент-Уэне и Исси).
К 1920 г; началась прокладка кабелей 60 кВ для питания внутренних подстанций Парижа от периферийных станций, число которых вскоре достигло восьми. В 1931 г. впервые было осуществлено питание Парижа на напряжении 220 кВ от ГЭС, расположенных в Центральном массиве. Подобные линии были сооружены в последующие годы.
Другое значение французского слова «secteur» означает «сеть». — Прим. пер.
Нагрузки. Потребители СН и НН в Париже имели в 1973 г. установленную мощность порядка 1500 МВт, в то время как его пригороды потребляли мощность более 3000 МВт; иными словами, Париж и его пригороды потребляли около 5000 МВт. Прогнозы на конец XX в. намечают потребление электроэнергии этими районами приблизительно 25000 МВт.
Установлено, что в центре города плотность нагрузки очень велика (20—30 МВт/км2), нb она изменяется во времени относительно медленно (менее 5% в год). Напротив, на периферии наблюдается рост нагрузок как на единицу площади (новые города), так и по плотности.
Структура питающих и распределительных сетей в этом районе должна быть выбрана таким образом, чтобы ее эволюция была возможна при соблюдении до некоторой степени противоречивых условий:
давать возможность передавать и распределять будущие нагрузки благодаря изменяющейся структуре, которая позволяет распределить во времени ее последовательные усиления;
соблюдать ограничения, накладываемые по условиям охраны окружающей среды, и, в частности, использовать ограниченные площади как для линий (коридоры), так и для подстанций.
Источники питания. Могут быть двух типов: местные ТЭС и связи с общей системой.
Более старые ТЭС расположены ближе к центру, а новые — удалены и распределены вдоль Сены (от Монтро до Манта) и ее притоков. Охлаждающая способность вод этих рек уже исчерпана, и поэтому будущие станции, будут далее сооружаться вдоль берегов Ла-Манша (в Гавре, где уже работают две станции, в Палюэле, Г равелине и т. д.). Системообразующие связи создают энергосистему с большими подстанциями, распределенными вокруг Парижа; на эти подстанции работает большинство ТЭС данного региона. Подстанции Парижа соединены между собой (рис; 3.41):
кольцом 400 кВ, образованным двухцепной линией, т. е. состоящим или из двух цепей линии, или из двух параллельных линий в зависимости от возможностей их размещения;
кольцом 225 кВ, образованным также двумя цепями; это кольцо расположено вблизи первого или даже внутри него.
Рис. 3 41. Общее питание Парижского района в 1972 г.
Эти подстанции обеспечивают питание Парижского района с помощью сети 225 кВ, которая заменила старую сеть 63 кВ, служащую только в качестве местной сети. Число подстанций «двойного кольца» достигло теперь шести и не должно существенно меняться в будущем (возможно, оно увеличится до восьми). Это предполагает такое развитие каждой из подстанций, которое приведет к разделению сети на составные части с целью ограничения мощности к. з. на установках 225 кВ.
Подвод линий 400 и 225 кВ, питающих двойное кольцо от объединенной энергосистемы Э де Ф, затруднителен из-за габаритов установок и проблем охраны окружающей среды. Для прохода этих линий (а также тех линий, которые входят в состав кольца и проникают в Париж) предусматриваются коридоры, ограничивающие ущерб, приносимый окружающей среде.
Рис. 3.42. Принципиальная схема питающих сетей Парижского района:
А — подстанция, питающаяся от двойного кольца напряжением 400 кВ; В — подстанция 225 кВ; С — подстанция 225/20 кВ с одним трансформатором в Париже; D — подстанция с более сложной структурой (в ближайших пригородах Парижа); Е и F — подстанции, питающие периферийную зону (радиусом от 10 до 20 км) с меньшей плотностью населения от сетей 63,225/20 и 63/20 кВ Примечание. Структура подстанций на схеме не представлена; подстанции А и В питают центральную зону
Официальное признание этих коридоров и поиск площадок для сооружения или расширения подстанций 400 кВ (или еще более высокого напряжения в будущем) также вызывает определенные трудности.
Поэтому предусматривается сооружение трех подстанций (типа «0»), которые будут питать Парижский район от будущей сети ультравысокого напряжения (видимо, это будет 750 кВ). Эти подстанции будут удалены от Парижа, т. е. будут находиться:
на востоке от Мери-Сюр-Сен (за притоком Сены —рекой Об);
на севере от Ремиза (около Бове);
на юге, в Босе (около Орлеана).
Шесть (или восемь) подстанций ныне существующего кольца 400 кВ получат питание от трех будущих больших подстанций.
Распределение электроэнергии. Внутри двойного кольца, определенного выше, распределение электроэнергии происходит на напряжении 225 или 63 кВ или по воздушным линиям (там, где это возможно) или (все более и более) по кабельным линиям.
В пригородах Парижа питающие сети опираются на специализированные подстанции, различающиеся тем, что занимают различные места между подстанциями кольца и распределительными сетями. По структуре существующих подстанций различают (рис. 3.42):
подстанции типа А — это подстанции двойного кольца 400 кВ, которые получают электроэнергию от питающих сетей (напряжением 400 и 225 кВ) и от некоторых крупных ТЭС; в будущем они будут питаться от трех описанных подстанций 750 кВ; они имеют в своем составе группы трансформаторов 400/225 кВ мощностью 600 MB • А каждый (в будущем предусматривается устанавливать до 12 таких трансформаторов на одну подстанцию А);
подстанции В, питаемые от подстанций А (в общем случае от одной из них) по линиям 225 кВ, сгруппированным в одном «коридоре», а также от местных ТЭС; они представляют собой простые распределительные подстанции, не содержащие трансформаторов; размещение подстанций А и В (прогноз) приводится на рис. 3.43;
подстанции С, расположенные на территории Парижа, вдоль двух (а в будущем и трех) концентрических колец и питаемые от подстанции В через единственную линию (подземный кабель 225 кВ); эти подстанции имеют один трансформатор 225/20 кВ мощностью 100 MB-А;
подстанции D, расположенные в ближайших пригородах (в зонах с большой плотностью нагрузок) и питаемые также от подстанции В; они имеют более сложную структуру в зависимости от местных условий; в общем случае имеют двойное питание (от одной и той же подстанции В или от двух различных подстанций этого типа) два трансформатора 225/20 кВ и более (или напряжением 225/15 кВ там, где еще не закончена стандартизация средних напряжений); иногда они связаны с сетью 63 кВ;
Рис. 3.43. Размещение подстанций типов А и В вокруг Парижа (прогноз
на 80-е годы)
• — подстанции А; О — подстанции В
— подстанции Е аналогичны подстанциям В, так как являются простыми распределительными подстанциями, питаемыми от подстанций А; подстанции Е расположены на более удаленном расстоянии от центра города в зонах развивающихся пригородов и имеют структуру, приспособленную к местным условиям (аварийное питание от другой подстанции А, питание от линий 225 и 63 кВ и т. д.);
подстанции F 225/20 кВ — это распределительные подстанции ближайших пригородов Парижа, они имеют в своем составе также трансформаторы 225/63 кВ и систему шин 63 кВ, питающую кольца 63 кВ, к которым подключены распределительные подстанции 63/20 кВ.
Структура сети предполагает определенную структуру подстанций и, в частности, подстанций А, В, С и D; ниже дано описание структур подстанций А, В и D, поскольку структура подстанции С определяется особой структурой распределительной сети Парижа, показанной далее.
Рис. 3.44. Принципиальная схема расположения подстанций типов А и В в Парижском районе
Подстанции А имеют двойную систему шин 400 кВ, связанных между собой выключателем, замкнутым при нормальной работе. Трансформаторы 400/225 кВ (типа автотрансформаторов) распределены между системами шин с помощью двух разъединителей, расположенных перед выключателем 400 кВ. Они могут быть переключены на одну или другую из трех секционированных систем шин 225 кВ (рис. 3.44).
Наличие тройной системы шин позволяет иметь на напряжении 225 кВ число узлов сети от одного до шести; различные узлы 225 кВ отделены от других трансформаторов 400/225 кВ с помощью полных сопротивлений,- Таким образом, можно поддерживать на шинах 225 кВ такую Мощность к. з. которая сравнима с отключающей способностью выключателей.
Подстанции В и D — это подстанции с классической структурой, имеющие двойную систему шин (см. рис. 3.16); на первом этапе работы системы шин соединены между собой, но по мере роста мощностей к. з. они начинают функционировать раздельно.
Увеличение мощностей нагрузок Парижского района, а следовательно, и мощностей источников, работающих на кольцо 400 кВ, вызывает увеличение мощности к. з. на этом кольце. Можно проиллюстрировать эту эволюцию величинами максимальных токов трехфазного к. з. в сети 225 кВ, обслуживающей Парижский район: 8000 А —в 1955 г., 20 000 А — в 1966 г. и 30 000 А - к 1975 г.
Трудности, возникшие при изготовлении выключателей 225 кВ, не позволили также быстро следовать за этой эволюцией. Габариты оборудования подстанций, в частности систем шин и трансформаторных связей, должны следовать за изменением токов к. з., чтобы обеспечить им механическое сопротивление электродинамическим усилиям. Отсюда следует также желание исключить дорогостоящие решения.
Проблема токов к. з. возникает в сетях напряжением 225 кВ (и при меньших напряжениях), поскольку при напряжении 400 кВ для той же самой мощности к. з. токи уменьшаются почти вдвое, вследствие чего облегчается конструкция выключателей.
Единственно возможным решением, казалось бы, является деление сети 225 кВ на зоны, связанные с сетью 400 кВ ограниченным числом трансформаторов. Полные сопротивления сети, добавленные к сопротивлениям трансформаторов, приводят к уменьшению мощности к. з. Задача не так проста, поскольку разбиение сети влечет за собой ухудшение непрерывности электроснабжения. При этом возможны еще три решения:
восстановление всех связей с помощью выключателей, которые при аварии в зоне отключаются раньше выключателей, непосредственно питающих зону; это решение, используемое в некоторых сетях, требует много времени для отключения аварии;
восстановление связи между зонами с помощью индуктивности, ограничивающей мощность, которой обмениваются зоны при аварии, а следовательно, и их мощность к. з.; эта связь позволяет получать аварийное питание;
поддержание равновесного состояния между зонами (работающими раздельно), каждая из которых питается определенным количеством трансформаторов 380/225 кВ и определенным числом генераторов региональных станций так, что потребляемая каждой зоной мощность одинаково загружает различные источники, и так, что при аварии в одной из зон другие могут осуществлять ее питание (по крайней мере, в течение времени, необходимого на восстановление равновесия в работе зон).
Последнее используется в Парижском районе; индуктивности рассматривались при этом как дорогостоящие и ненадежные в работе элементы. Рис. 3.45 показывает возможную эволюцию разбиения сети 225 кВ, состоящей из четырех зон; при необходимости ее можно разбить на 24 зоны к концу XX В. Существование нескольких секционированных систем сборных шин позволяет осуществить такое разбиение. И тем не менее для сохранения надежности электроснабжения Парижского района необходимо обеспечить каждой части возможность получения питания при аварии, что приводит к некоторому увеличению оборудования на трансформаторных подстанциях 400/225 кВ.
Рис. 3.45. Возможные варианты разбиения сети 225 кВ Парижского района
Распределение электроэнергии в пригородах Парижа. Сети Парижского района были построены и эксплуатировались до национализации различными фирмами, поэтому для сравнительно протяженных воздушных и кабельных линий использовались напряжения 5,5; 10; 12,5 и 15 кВ. В настоящее время эти сети распределены между несколькими Центрами Э де Ф по распределению электроэнергии, которые изменяют их в зависимости от конкретных условий, приспосабливая к стандартной структуре. Такой структурой является сеть 20 кВ с несколькими линиями и двойными ответвлениями (в первую очередь это касается подземных кабельных сетей.).
Но и на уровне сетей СН также возникает проблема мощности к. з. Эта мощность увеличивается по мере того, как плотность сетей растет (эквивалентное сопротивление уменьшается). Можно ограничивать мощность к. з., увеличивая у питающих трансформаторов [и особенно у трансформаторов 225/20 кВ] индуктивности рассеяния. Но величина, обычно равная 23%, не может быть заметно увеличена и, следовательно, необходимо увеличивать мощность к. з. в сети СН.
Но тогда появляется еще одна трудность, поскольку до сих пор эта мощность равнялась максимальной величине 250 MB-А и на нее рассчитывались все выключатели, как принадлежащие Э де Ф, так и находящиеся в распоряжении потребителей СН, которым нельзя навязывать новое дорогостоящее оборудование. Наилучшее решение проблемы состоит в том, чтобы предусмотреть постепенный переход сети от существующей величины мощности, равной 250 MB-А, к будущей мощности 750 MB;А. Это предполагает установку последовательно с устаревшими линиями реакторов в 1 Ом при напряжении 20 кВ.
Подстанции 225/20 кВ имеют несколько систем сборных шин; одна из них может питаться непосредственно от трансформаторов, мощность к. з. на ней может достичь 750 MB-А; другие системы шин питаются от нее через индуктивности величиной 1 Ом, мощность к. з.
Рис. 3.46. Схема подстанции D напряжением 225/20 кВ, питающей парижский пригород:
В/ и В2 — подстанции; ШВ — шиносоединительный выключатель; СШ — сборные шины 225 кВ- СШ1 — сборные шины 20 кВ, 750 MB • А; СШ2 сборные шины 20 кВ, 250 MB • А
на них не будет превосходить 250 MB-А. Так, эти подстанции (типа D) имеют структуру, приведенную на рис. 3.46.
Распределение электроэнергии в Париже. Как уже было упомянуто ранее, 20 лет назад распределение в самом Париже обеспечивалось двумя различными системами (после почти полного исчезновения постоянного тока):
однофазной системой 3 кВ (запад и юг), питаемой от подстанции 12,5/3 кВ (с помощью линий 12,5 кВ, идущих от подстанций 225 и 63 кВ) и подходящей к подстанциям жилых зданий, где установлен трансформатор (типа сухих трансформаторов) мощностью 5—50 MB -А, работающий на один или несколько стояков 115 В;
Двухфазной сетью 12,5 кВ (север и восток), составленной двойными магистралями 12,5 кВ, к которым подключены через двухцепные линии подстанции 12,5/0,115—0,23 кВ; трансформаторы этих подстанций питают разветвленную сеть НН. Устаревшие сети заменяются новыми трехфазными сетями, структура которых, приспособленная к топологической структуре Парижа, обеспечила наибольшую надежность обслуживания потребителей. Для новой сети были приняты трехфазные стандартные напряжения, равные, как и во Франции, 20 кВ для сетей СН И 400/230 В для сетей НН.
Рис. 3. 47. Принципиальная схема подстанции 225/20 кВ, питающей Париж (подстанция С)
Источниками питания новой сети являются подстанции 225 кВ типа С. Они питаются от линии, идущей от подстанции В, что позволяет иметь простую конструкцию и, следовательно, уменьшенные габариты (применение герметичного оборудования).
Направленная к центру города линия 225 кВ управляется с подстанции: В выключателем; на первом этапе работы она питает подстанцию 225/20 кВ, имеющую на стороне 225 кВ разъединитель и трансформатор 100 MB-А. Со стороны СН на подстанциях С, так же как и на подстанциях D, имеется одна система сборных шин, на которых максимальная мощность к. з. равна 750 MB-А (ограниченная индуктивностью рассеяния трансформатора, равной 18,5%), и две системы сборных шин, мощность к. з. каждой из которых равна 250 MB-А; две системы шин питаются от первой через реакторы в 1 Ом.
Рис. 3.48. Месторасположение подстанций 225/20 кВ и линий 20 кВ в Париже
в 1972 г.
Для подстанций, не имеющих названия, еще не определено их местоположение
Рис. 3.49. Схема питания подстанций 20 кВ/НН в Париже:
О — подстанция сложнозамкнутой сети; □ — ячейка распределительного устройства здания или потребителя СН
Рис. 3.50. Принципиальная схема новой распределительной сети Парижа (разветвленная сеть НН питается от магистральной линии 20 кВ):
1 — типовая подстанция СН/НН; 2 — линейный выключатель; 3 — половина магистральной линии СН; 4 — потребитель СН; 5 — разветвленная сеть НН; 6 — распределительные коробки сетей НН (на углах улиц); 7 - подключения сетей зданий
В случае выхода из строя трансформатора (или аварии на подстанции) отключается выключатель подстанции В. В будущем каждая линия (представленная кабелем 225 кВ, способным передать мощность 300 MB-А) будет питать три последовательно подключенные к нему подстанции С; первые две из этих подстанций будут иметь в своем составе дополнительный разъединитель, который позволит отключать часть линии (рис. 3.47).
Собственно распределительная сеть будет разделена на несколько частей, способных обеспечить пиковую мощность 16 MB А. Каждая из этих частей (со стороны 20 кВ) будет состоять из двух полумагистралей по три трехфазных кабеля каждая, к которым подключаются подстанции 20 кВ/НН стандартной мощности 630 кВ X А, а со стороны НН — из разветвленной подсети НН (называемой «контуром НН», образованным трехфазными кабелями 400/230 В, проложенными под тротуаром).
Рис. 3.51. Схемы усиления сети 20 кВ Парижа: а — начальное состояние; б —поперечное раздробление: расположение новой подстанции С на том же самом кольце; e — продольное раздробление: расположение подстанций С на втором кольце; • подстанции В напряжением 225 кВ; О подстанции С напряжением 225/20 кВ; кабель 225 кВ; —— магистраль из шести кабелей 20 кВ; — границы Парижа
Подстанция 225/20 кВ питает в нормальном режиме четыре линии и может питать (при аварии) четыре другие линии (идущие от соседней подстанции), которые присоединены к первой подстанции разомкнутыми выключателями. Половина линий, состоящих из двух соседних контуров НН, сгруппирована в единую линию, состоящую из шести кабелей 20 кВ одинакового сечения, соединяющих подстанцию С с соседней. Все эти линии образуют концентрические кольца (рокады) с радиальным присоединением их на подстанции 225 кВ (рис. 3.48). Подстанции 20 кВ/НН подключены к одному из кабелей линии (рис. 3.49).
На рис. 3.50 представлена принципиальная схема распределительной сети Парижа.
Усиление сети НН получают: прокладкой новых кабелей НН вдоль улиц с расширением контуров сети и сооружением новых подстанций 20 кВ/НН, подключенных на один или другой из шести кабелей 20 кВ, питающих контур НН;
усилением источников (рис. 3.51) — сооружением новых подстанций 225/20 кВ между существующими на том же кольце (и присоединением их радиальными линиями 20 кВ к средним разомкнутым точкам на рокады 20 кВ) или на ближе расположенном к центру кольце с прокладкой новых рокадных линий 20 кВ. Число этих подстанций в 1972 г. равнялось восьми, а к концу XX в. может достигнуть 50 подстанций, которые будут располагаться на трех концентрических кольцах.
Надежность электроснабжения обеспечивается (рис. 3.52) наложением:
Рис. 3.52. Схемы обеспечения надежной работы сети 20 кВ электроснабжения Парижа: а — нормальная работа; б — авария на подстанции С2; в — авария на подстанциях С2 и СЗ (резервирование второй степени); ■ — замкнутый линейный выключатель; □ — разомкнутый линейный выключатель; М1 — сети, питаемые магистральной линией 20кВ
— линий, питаемых двумя соседними подстанциями 225/20 кВ; между этими подстанциями расположены четыре подсети, линии 20 кВ которых проходят от одной подстанции к другой и присоединены на каждом из своих концов к системам шин через линейный выключатель; в нормальном режиме один их этих выключателей замкнут, другой — разомкнут, но если на одной из подстанций исчезнет напряжение, линейные выключатели автоматически разомкнутся, а питание этих линий возобновится тотчас же от двух соседних подстанций (установленная мощность подстанций 225/20 кВ имеет запас мощности, на 1/3 превосходящую возможную пиковую мощность). Если напряжение исчезнет на двух соседних подстанциях 225 кВ, то цепочечная структура сети позволит перенести нагрузки на более удаленные подстанции;
подстанции 20 кВ/НН; соседние подстанции питаются через кабели от двух различных линий (см. рис. 3.49), так что при аварии одного из этих кабелей перегрузка распределяется между трансформаторами СН/НН, питаемыми неповрежденными кабелями. Подстанции СН/НН имеют выключатель, приводимый в действие реле обратной мощности при аварии на трансформаторе или питающем его кабеле 20 кВ. Эксплуатационные требования предписывают нагружать трансформаторы 100 MB-А подстанций С не более чем на % от их номинальной мощности для обеспечения питания' при аварии без перегрузки их. Их этого следует, что пиковая мощность, потребляемая всеми потребителями, присоединенными к одному контуру НН (и, следовательно, к одной линии 20 кВ), не должна превышать 16 МВт, Когда этот лимит будет достигнут, контур НН разделится на два независимых, а линии изменят свою структуру, как это указано на рис. 3.51. Но каждая линия может не только обслуживать (с одного из двух своих концов) нагрузку соответствующего контура НН, но также и осуществлять аварийное питание соседнего контура. Итак, она способна пропускать мощность 33 MB-А, т. е. около 160 А для каждого из шести трехфазных кабелей (сечение каждого из них 146 мм2).
Электроснабжение Лондона.
Если крупные города Франции питаются распределительными сетями, аналогичными сетям пригородов Парижа, то в больших городах других стран существуют различные распределительные сети для питания, а поэтому необходимо знать их основные характеристики, предопределяющие их выбор.
Характеристики Лондонского района в основном похожи на характеристики Парижского района, например, по занимаемой площади, числу жителей, общей потребляемой мощности, плотности нагрузок и т. д.; две последние из них в Лондоне по величине больше таковых в Париже, например пиковая нагрузка равна 8000 МВт при плотности нагрузки, приближающейся в некоторых зонах к 100 МВт/км2. Исторически сети Лондона развивались так же, как сети Парижа, при этом в Лондоне число ТЭС (и сейчас еще работающих) внутри города значительно больше, чем в Париже; станции эти оказывают большое влияние на надежность электроснабжения, особенно две большие ТЭС в Бэнксайде и Бэттерси. Реорганизация распределительных сетей, которая последовала за национализацией энергетики в 1948 г., должна была коснуться сетей, принадлежащих различным организациям (коммунальным и частным) и имеющих разнообразную структуру.
Рис. 3.53. Схема общего электроснабжения населения района Лондона
Поэтому еще и сейчас в «Большом Лондоне» можно найти напряжения 132, 66, 33, 22, 11 и 6,6 кВ.
Хотя стандартизация структуры сети в Лондоне проводится не так широко, как в Париже, развитие новых сетей осуществляется в соответствии с идеями, основные черты которых будут приведены ниже. Электроснабжение от передающей сети проводится через кольца, расположенные вокруг города. Английская сеть ВН в большей своей части имеет напряжение 400 кВ (за исключением нескольких линий 275 кВ местного значения); для этого вокруг города было сооружено кольцо 400 кВ. Оно состоит из двухцепной воздушной линии, как в Париже, но расположенной дальше от центра города (на расстоянии 40—80 км вместо 30 км).
Два других двойных кольца 275 кВ различны и расположены внутри первого кольца; поскольку оба они (даже внешнее) расположены в населенных зонах, они состоят из кабельных линий. На рис. 3.53 представлена схема этих колец и связей между ними. Сравнение ее со схемой, приведенной на рис. 3.51, где представлена эквивалентная схема питания Парижского района, показывает, что:
Рис. 3.54. Источники электроэнергии в Лондоне
— кольцо 400 кВ играет меньшую роль как общий коллектор электроэнергии (по сравнению с Парижем), но большую роль в смысле обеспечения надежности питания; в самом деле, связи главной питающей сети 400 кВ (называемой «Grid») сконцентрированы на севере этого кольца, исходя из очевидных географических соображений; они идут непосредственно до «внешнего» кольца 275 кВ, каждая из одноцепных линий 400 кВ (их число составило 11 в 1972 г.) питает два трансформатора 400/275 кВ номинальной мощностью 500, 750 или 1000 MB-А каждый; питание Лондона осуществляется также многочисленными ТЭС, расположенными внутри кольца 400 кВ и питающими сети более низкого напряжения (рис. 3.54);
подстанции 275 кВ, снабжающие Лондон (за исключением двух или трех из них), имеют двойное питание, обеспечивая надежность электроснабжения на этом уровне, несмотря на сложную структуру подстанций;
число подстанций 275 кВ относительно мало из-за наличия промежуточной сети (не показанной на схеме) напряжением 132 или 66 кВ, которая распределяет энергию по территории района; эксплуатационная структура этой сети — радиальная.
Питающие распределительные сети (по крайней мере, в центральной части Лондонского района) развиваются по стандартной схеме, они используют ступени напряжения 275/66/11/0,415 кВ.
Эти сети питаются от подстанций 400/275 кВ и ТЭС, расположенных внутри Лондонского района; некоторые из них (общей установленной мощностью 2600 МВт) работают на сеть 275 кВ, а остальные (установленная мощность которых равна 4000 МВт) — на сети 132 и 66 кВ. Эти сети разделены (по эксплуатационным условиям 1972 г.) на две зоны с целью ограничения мощности к. з.
Подстанции 275 кВ снабжают электроэнергией питающие сети 66 кВ (рис. 3.55); на них установлены четыре трансформатора по 180 MB-А (или по 240 MB-А) каждый, работающие на две системы шин 66 кВ. Эти подстанции могут быть оборудованы реакторами для компенсации емкости кабелей питающей сети.
Сети 66 кВ являются радикальными сетями, каждая из линий которых состоит из четырех кабелей, включенных на разные полусекции сборных шин питающей подстанции; кабели заканчиваются на подстанциях 66/11 кВ, имеющих по четыре трансформатора каждая. И напротив, имеется двойная система шин, питающая отходящие линии 11 кВ, которые, в свою очередь, питают сети НН 415/240 В с разветвленной структурой.
Для повышения надежности электроснабжения используется способность взаимной «подстраховки» трансформаторов 66/11 кВ при аварии на одном из них. Принимая во внимание малую вероятность возникновения аварии на трансформаторах (один случай в 1000 лет), было решено использовать их в часы пик на номинальную мощность, т. е. 22,5 MB-А. И все же на случай аварии предусмотрены передвижные вентиляторы, позволяющие существенно перегружать трансформаторы.
Тис. 3.55. Принципиальная схема электроснабжения центра Лондона
Необходимо отметить опыт по введению мощности на подстанции центра Лондона от внешнего- источника (ТЭС в Кингнорте) с помощью кабельной связи постоянного тока, пущенной в действие с 1973 г.
Электроснабжение Нью-Йорка.
3.56. Общая схема электроснабжения Нью-Йорка
Первая сеть была сооружена в Нью-Йорке в сентябре 1882 г. Принципы, на которых базируется разработка сетей, питающих электроэнергией Нью-Йорк, существенно отличаются от принципов, принятых в Европе. Это обусловлено, с одной стороны, особыми географическими условиями этого города и, с другой стороны, спецификой эволюции сетей США.
Ряс, 3.57. Структура сетей напряжением 138 и 345 кВ в Нью-Йорке. Каждая линия состоит из нескольких параллельно соединенных кабелей (от 2 до 8)
Сеть Нью-Йорка имеет слабые межсистемные связи с соседними сетями. Недостаточность этих связей явилась одной из причин развития в Нью-Йорке аварии 9 ноября 1965 г. (см. т. 1, § 5.5). После этого межсистемные связи были усилены, но даже и теперь они гарантируют пропуск только малой части потребляемой городом мощности; мощность, которую эти связи могут поставить, составляет 1/5 пиковой мощности города, 4/s этой мощности город получает от десяти ТЭС, сооруженных в центре города; номинальная мощность каждой из них составляет 300—2000 МВт. Как показано на рис. 3.56, большинство этих ТЭС сосредоточено на берегах Ист-Ривера, даже непосредственно в центральных кварталах Манхаттена, в 50 км севернее от этих кварталов расположена АЭС (Индиан Пойнт).
Межсистемные связи с соседними сетями (на рис. 3.55 эти связи обозначены стрелками) выполняются в основном двухцепными линиями 345 кВ (пропускной способностью около 1000 МВт). Общая пиковая мощность, потребляемая (летом) сетью Нью-Йорка, составляла приблизительно 10000 МВт в 1973 г.
Питание электроэнергией осуществляется подземной кабельной сетью напряжением 345, 138 и 69 кВ.
На рис. 3.57 показана основная структура этой сети в 1969 г.; каждая из связей включает в себя от двух до шести кабелей. С тех пор эта сеть существенно изменилась. Теперь она сложнозамкнутая, состоит из кабелей различных напряжений и характеристик. В такой сети можно устранить перегрузки связей или появление разностей напряжений, достаточных для срабатывания выключателей, только приняв специальные меры для устранения расхождения во вращении векторов напряжения. Так, в сети 138 кВ Нью-Йорка было установлено некоторое число поворотных трансформаторов, сдвигающих напряжение на 90°. На рис. 3.56 показано, что эти трансформаторы установлены на самых длинных связях.
Рис. 3.58. Схема подстанции в Рэйни (345 кВ) и Верноне (138 кВ), на которые работает ТЭС в Рэйвенсвуде
Подстанции «питающей» сети напряжением 345 и 138 кВ представляют собой подстанции с кольцевой (одной или двумя) системой сборных шин, как это видно из рис. 3.58, где приведены схемы двух наиболее значительных подстанций.
Рис. 3.59. Принципиальная схема электроснабжения Нью-Йорка (места прокладки кабелей соблюдены на схеме не точно)
На рис. 3.59 показана детальная карта-схема питающей сети в центральных районах города (Манхаттене, Куинсе и Бруклине) по состоянию на 1969 г. Для каждой из связей указано число параллельных кабелей. Связи 69 кВ, питающие распределительные подстанции, на рисунке не показаны, приведена лишь новая связь, идущая из Фаррагута на запад (к сети ПДМ), построенная в 1973 г.
Распределительная сеть состоит из линий 13,8 или 23 кВ, питающих через подстанции СН/НН большой мощности (500 или 1000 MB-А) разветвленные сети НН.
На рис. 3.60 показано разбиение этих «контуров НН» на острове Манхаттене, где плотность нагрузок наибольшая. Другие кварталы Нью-Йорка обслуживаются такой же сетью, но они имеют значительно большую площадь (например, квартал Норт Куинс).
Рис. 3.60. Разбиение сети Манхаттена на контуры НН
Контурная сеть, как правило, обслуживает нагрузку мощностью 50—300 МВт; сеть разбивается на два контура, если максимальная величина (нагрузки на один контур) превышена. Поэтому из рис. 3.60 видно, что некоторые части сети обслуживаются подстанциями, расположенными в соседних ее контурах. С тех пор как была осуществлена схема, показанная на рис. 3.60, многие сети были разбиты на составные части, в частности сеть юга острова Манхаттан, где было построено много небоскребов.
Рис. 3.61. Схема подстанции 138/13,8кВ на Уэст 65-й Стрит
Эта подстанция питает два контура; «Линкольн Сквер» (LS) и «Пласа» (PL) в центре Манхаттена; 1 —— трансформатор резерва;, 2— трансформатор собственных нужд 13,8 кВ/НН; 3 — связь СН с соседней подстанцией; 4 — питающие линии 138 кВ; 5 — системы шин 13,8 кВ
В качестве максимальной нагрузки для контура сети была принята мощность в 300 МВт, поскольку на нее может быть подано напряжение включением одного аппарата (например, включением одного кабеля питающей подстанции); такой наброс нагрузки допустим для соседних ТЭС.
В контуре сети все подстанции СН/НН соединены между собой, даже если они обслуживают только здание, под которым (как это часто бывает) они и сооружены. Даже самые высокие «вертикальные сети» небоскребов в общем случае присоединены к контуру НН для обеспечения некоторых путей электроснабжения потребителей
Хотя каждый контур обслуживается одной подстанцией 138 кВ/СН или 69 кВ/CH (рис. 3.60), принцип обеспечения нескольких путей поставки электроэнергии является общим. Эти подстанции всегда имеют по меньшей мере две питающие линии ВН, подходящие к различным трансформаторам. Кроме того, на подстанциях на случай аварии имеются трансформаторы (часто работающие вхолостую) и вспомогательные связи СН (большой пропускной способности), подключенные к соседним подстанциям.
На рис. 3.61 приведена схема подстанции, питающей два контура, обозначенных через LS и PL, которые получают, с одной стороны, электроэнергию, как это показано на рис. 3.60, а с другой стороны, от линий 13,8 кВ. Введение магистралей 13,8 кВ увеличивает надежность электроснабжения каждого из контуров.
Сеть НН в Нью-Йорке сильно развита для обеспечения надежности питания, в то время как сети 138 и 69 кВ менее развиты по сравнению с будущими сетями Парижского и Лондонского районов на тот момент времени, когда их нагрузка будет сопоставима с теперешней нагрузкой Нью-Йорка.
