Основные решения по схемам подстанций принимаются в общей схеме электроснабжения предприятия с учетом перспектив его развития [Л. 1].
При разработке схем коммутации стремятся к максимальному их упрощению и к применению минимума коммутационных аппаратов в них. Такие схемы не только дешевле, но и надежнее, что подтверждается практикой эксплуатации. Упрощению схем чрезвычайно способствует применение автоматики (АВР, АПВ), позволяющее быстро и безошибочно осуществлять резервирование отдельных элементов [JI. 1].
Схемы трансформаторных подстанций промышленных предприятий всех напряжений строятся на следующих основных положениях:
преимущественное применение одной системы шин и резкое ограничение применения двух систем;
широкое применение «блочных схем» и «бесшинных» подстанций;
широкое применение автоматики и телемеханики на всех напряжениях. Если даже при сооружении подстанции не предусматривается ее автоматизация или телемеханизация, то схема коммутации все же должна строиться таким образом, чтобы в дальнейшем эти мероприятия возможно было осуществить без значительных затрат и переделок;
применение простых и дешевых аппаратов: отделителей, короткозамыкателей, выключателей нагрузки, предохранителей, с учетом их надежности и коммутационной способности (см. ниже). Это дает значительное уменьшение потребности в дорогих и дефицитных масляных и воздушных силовых выключателях.
Как правило, предусматривается раздельная работа линий и раздельная работа трансформаторов, так как при этом существенно снижаются токи короткого замыкания и упрощаются коммутация и релейная защита на вводах, где в некоторых случаях устанавливается только разъединитель или выключатель нагрузки или даже осуществляется глухое присоединение трансформаторов. Схемы, предусматривающие длительную параллельную работу, применяются редко при очень высоких требованиях к бесперебойности питания, когда автоматическое включение резерва не удовлетворяет требованиям режима работы электроприемников, например, в отношении быстродействия восстановления питания.
Для полноты картины следует отметить, что при раздельной работе трансформаторов в них могут быть несколько большие потери по сравнению с параллельной работой из-за возможной неравномерности их нагрузки.
Параллельная работа трансформаторов может оказаться целесообразной при наличии мощных электроприемников, при работе которых получаются большие и частые толчки активной и реактивной нагрузки и колебания мощности, передающиеся в питающую электрическую сеть и вызывающие в ней соответствующие колебания напряжения, а иногда, и частоты, не допустимые для других потребителей электроэнергии, питаемых от этой сети.
В вопросе о параллельной работе необходимо отметить некоторые новые веяния. Практика последнего времени показала, что при раздельной работе с применением АВР не всегда удается добиться необходимого быстродействия восстановления питания. На подстанциях с мощными синхронными двигателями нужно считаться с затяжкой времени действия АВР, выполняемого по схеме с пуском по напряжению. Применение схемы с пуском по напряжению и по частоте, хотя и улучшает положение, но не всегда обеспечивает своевременное Действие АВР с точки зрения самозапуска электродвигателей. Иногда схема действует неселективно. При питании секций подстанции от разных источников имеется опасение включения несинхронных напряжений при действии АВР.
В связи с изложенным возникает вопрос о переходе в отдельных случаях на параллельную работу источников питания. При этом решении вводы или понижающие трансформаторы работают параллельно, секционный выключатель замкнут. При нарушении нормальной работы одной из цепей секционный выключатель автомата чески отключается (см. § 1-2-7 ПУЭ).
Необходимость применения параллельной работы требует тщательной технико-экономической проработки в каждом отдельном случае с учетом необходимой степени бесперебойности электроснабжения и эксплуатационной надежности той или другой схемы.
Поэтому приведенные выше общие рекомендации о раздельной работе сохраняются.
При разработке схем коммутации подстанций очень важно правильно выбрать и установить коммутационные аппараты. При этом нужно исходить из назначения подстанции, ее мощности и ответственности.
Рис. 10. Схема подстанции 110/6—10 кВ с подпиткой места короткого замыкания синхронными двигателями. Выключатель 2 отключен, выключатели 1 и 3 включены.
На вторичном напряжении (6—10 кВ) мощных подстанций 110—220 кВ с крупными трансформаторами мощностью 63—80 МВА и более, а также на очень крупных распределительных пунктах коммутируются большие рабочие токи. Возрастают токи короткого замыкания, складывающиеся из токов, притекающих из энергосистемы и от синхронных электродвигателей, число и мощность которых на современных крупных Предприятиях велика и все время возрастает. При значительной подпитке от синхронных электродвигателей места короткого замыкания наиболее тяжелым оказывается такой режим работы двухтрансформаторной подстанции, когда один из трансформаторов (рис. 10) отключен, например, для ревизии или ремонта, а секционный выключатель замкнут и, следовательно, все синхронные электродвигатели будут приключены только к одному трансформатору (который, разумеется, на это
рассчитан с учетом допустимой перегрузки и разгрузки от неответственных потребителей).
В этом случае в подпитке места к. з. будут участвовать все двигатели, присоединенные к данной подстанции, и токи и мощности к. з. значительно возрастут и превысят ток к. з., возникающий при режиме раздельной работы двух трансформаторов, т. е. при нормальном режиме.
Расчеты показали, что это увеличение находится в пределах от 20 до 30%. Такое увеличение тока к. з. иногда вызывает необходимость индивидуального реактирования отходящих линий, что очень усложняет и удорожает установку.
На вводах 6—10 кВ подстанций и на вторичном напряжении трансформаторов ГПП и ПГВ в большинстве случаев устанавливаются выключатели, а не разъединители, так как в настоящее время, как правило, применяется автоматическое включение резерва. Разъединители или выключатели нагрузки применяются реже — на неответственных подстанциях небольшой мощности при отсутствии АВР в тех случаях, когда параметры этих аппаратов являются достаточными по рабочим токам и токам к. з. На вторичном напряжении (до 1 000 е) при необходимости АВР применяются автоматы, а при отсутствии АВР вместо дорогих автоматов можно применить рубильники или разъединители.
При секционировании разъединителями рекомендуется устанавливать два разъединителя последовательно (см. рис. 13,а) для возможности безопасной работы персонала на отключенной секции, а также на самом секционном разъединителе при работающей другой секции.
Номинальные токи вводных и секционных аппаратов, а также трансформаторов тока в их цепях выбираются с учетом послеаварийного режима, когда один из вводов или трансформаторов отключен, а второй работает с допустимой по ПУЭ перегрузкой.
На вторичном напряжении (6 10 кВ) ГПП и ПГВ следует по возможности избегать применения громоздких и дорогих выключателей типов МГГ и МГ.
Для снижения тока к. з. наиболее целесообразны схемы с групповыми реакторами (рис. 15,я и др.), в цепях вторичного напряжения трансформаторов, на вводах питающих линий, на отходящих линиях или на ответвлениях от шинных магистралей. Расчеты показали, что при
сдвоенных расщепленных реакторах с реактивность, ветвей до 7,5—10% при практически встречающихся случаях изменения суточных графиков нагрузок на промышленных предприятиях колебания напряжения на секциях шин получаются в допустимых пределах. Величины этих колебаний получаются примерно такие же как и при индивидуальных реакторах, и в 2—2,5 раза меньше, чем при обычных групповых реакторах. Прим» пение сдвоенных расщепленных реакторов, по сравнению с нормальными реакторами, целесообразно -при относительно устойчивом равномерном распределении нагрузок между секциями, присоединенными к разным ветвям реактора. Учитывая, что степень неравномерности нагрузки может меняться в процессе эксплуатации, номинальный ток каждой ветви сдвоенного peaктора, принимается не менее 0,675 номинального тока трансформатора или ввода, питающего обе секции, чтобы обеспечить работу при изменении нагрузки на секциях. При сдвоенных расщепленных реакторах параллельная работа трансформаторов применяться не должна.
Индивидуальные реакторы на каждой отходящей линии применяются в исключительных случаях, так как это вызывает значительное конструктивное усложнение и удорожание электрической и строительной части главной подстанции.
Необходимо отметить, что чрезмерное реагирование в сетях 6—10 кВ нежелательно, так как увеличивает отклонения напряжения и колебания напряжения при работе электроприемников с резкопеременными ударными нагрузками (электродвигатели прокатных станов, электропечи). В этих случаях лучше применить более мощные выключатели, например по типу ВМП с отключаемой мощностью 500 МВА.
Для уменьшения токов к. з. и рабочих токов применяются также трансформаторы с расщепленными обмотками, при которых упрощается схема коммутации и уменьшается объем строительно-монтажных работ по сравнению со схемой с групповыми и тем более с индивидуальными реакторами.
Для уменьшения рабочего тока аппаратов на вводах 6—10 кВ от трансформаторов токопроводы 6—10 кВ подключаются непосредственно к трансформатору через отдельные выключатели. Благодаря этому разгружаются вводные выключатели, присоединяемые к сборным шинам и создается независимое питание токопроводов (см. рис. 15,а), что значительно повышает надежность электроснабжения. Еще более рациональным решением является подключение токопровода к отдельной ветви трансформатора с расщепленной обмоткой; но оно может быть применено при примерно равномерном распределении нагрузок между токопроводом и сборными шинами. При отсутствии отбора энергии томимо токопроводов может быть применена схема блок—трансформатор — токопровод 6—10 кВ.
Номинальный ток секционных аппаратов (силовых выключателей, автоматов) выбирается по фактически проходящему через них току, т. е. их не нужно рассчитывать на полный ток ввода или трансформатора, так как они ни при каких условиях не будут проходить через секционный выключатель вследствие отсоса на секцию, питаемую данным вводом или трансформатором.
Однако пропускную способность всех аппаратов: выключателей, разъединителей, автоматов, трансформаторов тока, реакторов следует выбирать таким образом, чтобы они обеспечивали прохождение максимальной мощности при послеаварийиом режиме, т. е. при отключении одной из питающих линий или одного из трансформаторов, когда оставшиеся в работе кабели и трансформаторы работают с перегрузкой, допустимой ПУЭ. Сами эти аппараты, к сожалению, на такие перегрузки не рассчитаны.
При подключении новых потребителей нельзя использовать резервы, предусмотренные для обеспечения бесперебойного питания предприятия электроэнергией, так как это уменьшит надежность электроснабжения всего предприятия.
На вторичном напряжении трансформаторов 0.4— 0,69 кВ устанавливаются автоматы, рубильники или разъединители. Нужно избегать применения дорогих и дефицитных аппаратов без особой к тому необходимости.
Рекомендуется применять автоматы АВМ во всех случаях, когда их параметры достаточны по нормальному режиму и режиму короткого замыкания; автоматы Же «Электрон» предусматривать только при больших токах короткого замыкания.
В КРУ низкого напряжения на КТП нужно применять укрупненные линии, а дальнейшее распределение энергии осуществлять через цеховые распределительные пункты; присоединять мелкие линии непосредственна к КТП нецелесообразно.
Необходимо всемерно ограничивать число резервных шкафов на КТП, а число резервных автоматов принимать не более 10%.
Автоматы в цепи вторичного напряжения трансформаторов и между секциями шин (см. рис. 20) устанавливаются при устройстве АВР, которое теперь часто при меняется, а также в других случаях, когда это нужно для удобства эксплуатации.
Полные схемы подстанций 35—220/6—10 кВ комплектуются из элементов схем на вторичном и первичном напряжениях, в частности из элементов схем упрощенных подстанций, приведенных на рис. 18. При этом число возможных сочетаний бывает очень велико. На рис. 15 и других приведены примеры таких сочетаний.
Схема с двумя системами сборных шин обладает гибкостью и универсальностью, она позволяет:
ремонтировать сборные шины без перерыва питания потребителей;
выделять одну из систем шин для испытания оборудования и линий;
осуществлять различные группировки цепей и присоединений;
быстро восстанавливать питание потребителей при повреждении одной из систем шин.
Каждый выключатель может быть присоединен при помощи шинных разъединителей к любой системе шин.
Однако распределительные устройства с двумя системами шин дороги, сложны в эксплуатации и требуют сложных блокировок. Анализ аварий, вызванных ошибочными действиями персонала при операциях с шинными разъединителями, при двойной системе шин показывает, что значительная часть их произошла вследствие неправильных переключений при переводе присоединений с одной системы шин на другую. Эти аварии вызывали тяжелые последствия и перерывы электроснабжения значительного числа ответственных электроприемников.
Широкое применение комплектных распредустройств также ограничивает целесообразность применения двойной систем и шин. Высококачественные заводские КРУ с выкатными камерами и изолированными шинами вполне обеспечивают надежное электроснабжение при одной системе шин. В то же время КРУ с двойной системой шин чрезвычайно громоздки и дороги и у нас не изготовляются.
Поэтому распредустройства с двумя системами шин на промышленных предприятиях применяются лишь в виде редкого исключения на очень мощных подстанциях ответственного назначения, например на очень крупных узловых подстанциях больших заводов с развитой электрической сетью, с большим количеством присоединений и наличием связей и транзитных линий, на крупных преобразовательных подстанциях, а также в тех случаях, когда это требуется по режиму эксплуатации, например при необходимости разделения источников питания или же выделения отдельных потребителей, или же когда резервирование питания нагрузок первой категории не может быть достигнуто при одной секционированной системе шин. Необходимость двух систем шин тщательно обосновывается и согласовывается в каждом отдельном случае.
При применении двойной системы шин при напряжении 6—10 кВ одна из них обычно разделяется на секции по числу вводов или понизительных трансформаторов, а другая выполняется несекционированной.
Следует иметь в виду, что две системы шин, если одна из них не секционирована, нельзя рассматривать как независимые источники питания (§ 1-2-7 ПУЭ). В этих случаях необходимо разделить питающие и отходящие линии между двумя системами, которые превратятся в секции, а шиносоединительный выключатель будет являться межсекционным. Такую систему называют системой с фиксированным присоединением линий.
На рис. 11 приведена схема крупной ГПП с трехобмоточными трансформаторами 110/35/6 кВ с двумя системами шин на напряжениях 6 и 35 кВ. На напряжении 110 кВ принята упрощенная схема блока линия — трансформатор. Рабочая система шин 6 кВ секционирована. На линиях 6 кВ могу т быть применены групповые расщепленные реакторы.
Схемы с одной системой сборных шин имеют наибольшее применение на подстанциях промышленных предприятий. Они применяются, главным образом, на напряжении 6—10 кВ на распределительных подстанциях (РП) и в распредустройствах вторичного напряжения ГПП, на средних и крупных цеховых подстанциях, от которых, кроме трансформаторов, питаются также электродвигатели напряжением выше 1 000 в, электропечи, и на других установках с электроприемниками напряжением выше 1 000 в, например на насосных, компрессорных и воздуходувных станциях, газогенераторных и т. и.
Схемы с одной системой шин применяются также на шинах первичного напряжения 110—220 кВ ГПП в тех случаях, когда не представляется возможным применить
Рис. 11. Пример выполнения крупной узловой подстанции с двумя системами шин на вторичных напряжениях 6 и 35 кВ.
блочные схемы без выключателей и без сборных шин, описанные ниже.
При одиночной системе шин надежность питания повышается благодаря сокращению числа коммутационных операций и уменьшения благодаря этому возможных ошибок при эксплуатации. При одной системе шин разъединители не являются оперативными и служат лишь для снятия напряжения с выключателя на время его ревизии или ремонта и поэтому серьезных последствий от ошибок при оперировании с ними не бывает, так как они снабжены надежной и простой механической блокировкой с выключателями, которая практически исключает ошибочные операции.
Одиночные системы шин выполняются секционированными и несекционированными.
Показанные на рис. 12 схемы с одной несекционированной системой шин самые простые, наглядные и дешевые. Но их нельзя применять на ответственных подстанциях, так как они имеют существенные недостатки: при необходимости ревизии или ремонта сборных шин или шинных разъединителей приходится отключать всю подстанцию и прекращать питание подключенных к ней электроприемников;
в случае короткого замыкания на шинах или на любом ответвлении от них (до выключателя) также прекращается питание всех подключенных к ней электроприемников на длительное время до устранения повреждения, так как вся подстанция полностью обесточивается.
Рис. 12. Схемы небольших подстанций с одной несекционированиой системой шин. и при отсутствии связи с соседней подстанцией; б при наличии такой связи.
Поэтому схема с одной несекционированной системой шин применяется редко, главным образом лишь при питании подстанции по одной линии. Она пригодна для питания неответственных потребителей третьей категории.
Для более ответственных потребителей предусматривается резервное питание от соседней подстанции с автоматическим его включением. Но это резервирует питание, но не устраняет недостатков, отмеченных выше. Поэтому для устранения вышеупомянутых существенных недостатков в большинстве случаев применяется секционирование сборных шин при помощи разъединителя или выключателя (рис. 13—14). Секционирование разъединителем применяется лишь в тех случаях, когда не требуется автоматического резервирования питающих линий или трансформаторов.
Число секций зависит от схемы электроснабжения и от характера подключенных потребителей. В большинстве случаев бывает достаточно двух секций. Каждая секция питается отдельной линией или отдельным трансформатором. Секции работают раздельно, и секционный аппарат нормально выключен. Параллельная работа линий или параллельная работа трансформаторов применяется в порядке исключения.
Такая схема имеет ряд преимуществ по сравнению с несекционированной системой шин и наиболее часто применяется на подстанциях промышленных предприятий. Она позволяет поочередно отключать секции для ревизии или ремонта шин и шинных разъединителей при сохранении в работе второй секции. При этом электроснабжение ответственных объектов не нарушается, так как они питаются обычно по двум линиям, которые присоединяются к разным секциям. Если же отключается одна из питающих линий и питаемая ею секция обесточивается, то ее питание можно восстановить путем включения секционного аппарата.
На рис. 13 приведены схемы небольших подстанций с одной системой шин, секционированной при помощи разъединителей. На рис. 13,6 показана схема с выключателями нагрузки типа ВН. Так как выключатели нагрузки не рассчитаны на отключение тока короткого замыкания, то они установлены последовательно с высоковольтными предохранителями типа ПК, поставляемыми комплектно с выключателями нагрузки. На рис. 13,е крупный ответственный двигатель выделен на среднюю секцию, что обеспечивает его бесперебойное питание при любых режимах работы подстанции.
При применении секционных выключателей (или автоматов при напряжении до 1 000 е) можно осуществить автоматическое включение резерва (АВР). Иногда АВР применяется на вводных выключателях. Это еще более повысит надежность схемы и позволит применить ее для потребителей любой категории. При таком выполнении схемы и при применении доброкачественных заводских КРУ обеспечивается полная надежность питания самых ответственных потребителей при помощи секционированной одиночной системы шин.
Рис. 13. Схемы небольших подстанций с одной системой шин, секционированной разъедини гелями.
а — с выключателями на линиях: б — с выключателями нагрузки: в — с тремя секциями.
Рис. 14. Схемы подстанций с одной системой шин, секционированной выключателями. а — ответственная подстанция средней мощности; б — мощная подстанция с тремя секциями на напряжение 10 кВ; а — четырехсекционный РП высокой надежности.
На рис. 14 даны примеры выполнения схем подстанций с одной системой шин, секционированной при помощи выключателей. На рис. 14,я дана схема ответственном подстанции средней мощности, секционированной при помощи выключателя, с АВР на секционном выключателе 6—10 кВ и на секционном автомате 0,4 кВ.
На рис. 14,6 приведена схема очень мощной трехсекционной подстанции на напряжение 10 кВ. Питание крупных электродвигателей и других потребителей производится непосредственно от шин 10 кВ, а электродвигателей средней мощности от шин 6 или 3 кВ через трансформаторы 10/6—3 кВ.
На рнс. 14,в показана схема коммутации РП 6 10 кВ высокой надежности с одной системой шин, разделенной на четыре секции. Питание РП происходит от двухниточного шинопровода 6—10 кВ. Сборные шины РП присоединены к шинопроводу через два расщепленных реактора, каждая ветвь которого присоединена к отдельной секции шин. Предусмотрены резервные связи с другим ближайшим РП или другим источником питания
На рис. 15,и дана схема на стороне вторичного напряжения мощной ГПП 110/6—10 кВ с двумя трансформаторами по 80 МВА. Для ограничения тока короткого замыкания применено групповое реактирование линий. На три-четыре отходящие линии установлен один общим реактор. В этой же схеме многоамкерные токопроводы присоединены непосредственно к своим трансформаторам через отдельные выключатели, минуя сборные шины распредустройства 6—10 кВ, так как пропускная способность выключателей в данном случае недостаточна для выпуска всей энергии, включая идущую через токопроводы. На питающих линиях 110 кВ установлены выключатели. На отходящих линиях 6—10 кВ показаны камеры КРУ, но могут быть применены и камеры КСО.
На рис. 15,6 представлена схема мощной и ответственной двухтрансформаторной ГПП с расщепленными реакторами в цепях трансформаторов с одной системой шин вторичного напряжения 6 кВ, разделенной на шесть секций, каждая из которых подключена через отдельную ветвь расщепленного реактора, что резко снизило токи к. з. и позволило обойтись без индивидуального реактирования линий. Крупный синхронный двигатель 12 000 кет с ударной нагрузкой питается непосредствен-
но от трансформаторов, минуя сборные шины, что позволило снизить колебания напряжения у прочих потребителей, подключенных к подстанции. Надежное питание этого ответственного двигателя обеспечено путем присоединения его к двум разным трансформаторам. Прочие ответственные, но менее крупные двигатели мощностью от 2 000 до 4 100 кет со спокойным режимом работы подключены к сборным шинам, но для бесперебойности питания этих ответственных двигателей каждый из них подключен к двум секциям шин.
Схема с развитым групповым реактированием и секционированием полностью обеспечивает надежное питание всех потребителей при одной системе сборных шин и ограничивает ток к. з. в сетях 6 кВ до пределов коммутационной способности выключателей ВМГ или ВМП.
На рис. 16 показаны схемы узловых распределительных подстанций (УРП) на напряжение 110—330 кВ с одной системой шин. Эти подстанции получают электроэнергию из системы и распределяют ее при помощи глубоких вводов по предприятию.
Питающие линии, а также линии, проходящие вне загрязненных зон пред приятия, воздушные; линии же, питающие подстанции глубоких вводов, расположенные в загрязненных зонах, кабельные. Конструктивное решение схемы на рис. 16,с приведено на рис. 34. Подстанция, показанная на рис. 16,6, применяется для очень крупного предприятия. Она имеет автотрансформаторы.
Рис. 15. (Продолжение рисунка).
Рис. 15. Схемы мощных ГПП с одной секционированной системой шин на вторичном напряжении.
а — с групповым реактированием отходящих линий; б — с шестью секциями и с расщепленным реактором в цепях трансформаторов.
Схемы с обходной системой сборных шин. В некоторых сравнительно редких случаях на подстанциях промпредприятий, кроме основной рабочей системы шин, применяется еще так называемая обходная или «байпасная» шина. Она предусматривается, когда необходимы маневренность и гибкость оперативных переключений, а также когда требуется частая ревизия выключателей по характеру их работы.
Обходная система шин дает возможность вывести в ревизию или в ремонт любую рабочую систему шин и любой выключатель без перерыва питания. Обходную систему шин можно присоединить к любой из основных систем шин через отдельный обходной выключатель.
На подстанциях с двумя рабочими системами шин и при небольшом числе отходящих линий (до пяти) при меняли совмещение функций обходного и шиносоединительного выключателей в целях экономии. Однако теперь от этого отказались, так как это приводило к значительному усложнению вторичной коммутации.
На подстанции с одной системой шин и с обходной шиной каждый выключатель обслуживает только одну цепь, разъединители служат только для снятия напряжения с оборудования и отдельных цепей и не используются как оперативные аппараты, так как на них нет сложных блокировок.
Рис. 16. Схемы узловых подстанций (УРП) промпредприятий, питаемых от энергосистемы. а — небольшой мощности чисто распределительная; б — крупная со сборными шинами на первичном напряжении и с автотрансформаторами.
Поэтому эту схему легче автоматизировать, чем двойную систему шин.
Одним из характерных примеров применения обходной системы шин на подстанциях промышленных предприятий являются мощные печные подстанции. На этих подстанциях происходят очень частые коммутационные операции, а выпускаемые выключатели не удовлетворяют этим условиям в контактной и механических частях. Они быстро выходят из строя и поэтому требуют частых ревизий, смены масла, зачистки контактов и т. и. Такую схему можно применить также на подстанциях, питающих крупные электродвигатели с частыми пусками.
На рис. 17 показана довольно крупная узловая подстанция промышленного предприятия на напряжение 110—220 кВ с обходной системой шин. Часть энергии, поступающей из энергосистемы, трансформируется на напряжение 6 или 10 кВ для питания ближайшего района, а остальная энергия распределяется по линиям глубоких вводов 110—220 кА (воздушных пли кабельных) по другим районам предприятия.
Рис. 17. Крупная узловая распределительная трансформаторная подстанция с обходной системой шин на напряжение 110—220 кВ.
