Задача выбора главной схемы электрической станции очень непроста, так как не существует универсальных схем, пригодных для любых условий, как не существует и формализованного надежного метода, охватывающего все многообразные условия, при помощи которого можно было бы найти наиболее рациональную схему станции, удовлетворяющую многочисленным, часто противоречивым требованиям.
Главная схема станции является частью общей схемы электрической системы, и поэтому она не может выбираться без учета режимов и особенностей схемы системы в целом. Например, на генераторную мощность, которую допускается потерять при аварии, определяюще влияют размер располагаемого резерва в системе и число линий, связывающих электрическую станцию с системой. Число секций шин зависит от числа присоединений и часто определяется необходимостью ограничения токов короткого замыкания. Нагрузки отходящих линий и роль этих линий в системе определяют необходимую надежность схемы. Если в системе существует необходимость частого изменения группировки линий во всевозможных комбинациях для ограничения токов короткого замыкания, варьирования направлений потоков активной мощности в нормальных и аварийных режимах, то для произвольного изменения конфигурации основной сети системы на основных станциях следует принять главную схему с двумя рабочими системами шин, позволяющую легко выполнять это изменение.
Очень важно учесть при выборе схемы перспективы развития системы и последующего расширения станции (подстанции). С этой точки зрения, например, схема с одной системой шин или схема с одной рабочей и одной обходной системами шин потребует при своем расширении погашения всех присоединений, в то же время схемы с двумя системами рабочих шин и полуторная схема допускают реконструкцию совсем без погашения присоединений.
Одним из важнейших требований при выборе главной схемы остается ремонтопригодность, т. е. возможность выведения в ремонт выключателей схемы без нарушения электроснабжения потребителей и нормальной работы присоединений. Лучшей в этом смысле является полуторная схема, но и многоугольники также обладают высокой ремонтопригодностью.
Существующий порядок выбора главной схемы сводится к следующему [15, 46, 47). В каждом конкретном случае проектирования на основании учета местных условий и общих требований к главной схеме выбираются несколько вариантов, которые и сравниваются затем между собой по основным показателям надежности и экономичности. Поскольку вероятность аварийного состояния в каком-либо элементе схемы зависит от многих факторов (климатических, эксплуатационных, технологических, конструктивных и т. д.), подверженных случайным воздействиям, сравнение главных схем, предварительно отобранных на основании общих соображений, должно выполняться с привлечением методов математической статистики и теории вероятностей.
Отбор главных схем для последующего сравнения начинают G рассмотрения общих условий присоединения электрической станции к системе с точки зрения обеспечения нормальных режимов. Выбираются номинальные напряжения, на которых будет выдаваться мощность станции (лучше не больше двух, например, 3 10/220; 220/500: 330/750; 500/1150 кВ и т. д.). Ориентировочно распределяют генераторы электростанции между напряжениями с учетом графиков нагрузки на каждом напряжении в разные сезоны года. Подробно изучается участок системы, к которому присоединяется станция, схема его сетей, число линий, отходящих от станции, и места их примыканий к сети. Определяют наличие и графики обменных мощностей по транзитным линиям. Наконец, изучают требования к регулированию напряжения на шинах высокого напряжения станции.
Затем рассматривают режимы работы станции в аварийных условиях. Определяют токи короткого замыкания для каждого из повышенных напряжений, а также характеристики восстанавливающегося напряжения на контактах выключателей. Отдельно рассматривают требования к главной схеме с точки зрения повышения устойчивости станции и необходимых действий противоаварийной автоматики, например секционирование через выключатель шин повышенного напряжения для автоматического деления системы в этой точке в аварийных ситуациях.
Наконец, определяют наибольшую генераторную мощность, потеря которой допустима благодаря наличию резерва в системе. При повреждении или отказе любого выключателя в схеме потеря генераторной мощности не должна быть больше этого допустимого для системы значения, причем эти аварии не должны сопровождаться отключением нескольких транзитных линий.
На блочных станциях допустимую потерю генераторной мощности исчисляют в блоках, например при отказе выключателя присоединения допускают потерю не более одного блока или одной линии, а при отказе секционного или междушинного выключателя — не более двух блоков. Потеря двух и даже более блоков может быть допущена, если при этом не нарушается устойчивость.
Рис. 2-29. Схема с выключателями между генератором и трансформатором (а) и блочная схема с трехобмоточными трансформаторами (б)
Ставятся также коммутационные ограничения, требующие, чтобы при аварийном отключении отдельных присоединений в этом участвовало минимальное число выключателей. При прочих равных условиях предпочтение отдается схеме, в которой аварийные отключения производятся меньшим числом выключателей.
Схема должна допускать ремонт любого выключателя без нарушения нормальной работы присоединений: трансформаторов, линий, трансформаторов связи и собственных нужд.
Установка выключателя между генератором и трансформатором в блочных схемах обязательна при попарном присоединении блоков через общие или отдельные трансформаторы (рис. 2-29, а), а также при присоединении блоков через трехобмоточные трансформаторы или через автотрансформаторы (рис. 2-29, б).
При двухобмоточных трансформаторах блока генераторный выключатель может не устанавливаться совсем или может быть заменен выключателем нагрузки, однако он обязателен в случаях, когда: а) турбина блока — с противодавлением (для повышения надежности питания собственных нужд блока); б) рабочий трансформатор собственных нужд блока используется также как пускорезервный; в) в схеме Г—Т—Л выключатель между трансформатором и линией отсутствует; г) принято попарное присоединение блоков к шинам повышенного напряжения; д) по режимным условиям число отключений блока больше 500 в год.
Установка генераторного выключателя между трансформатором и генератором резко повышает надежность всей главной схемы, так как при этом значительно сокращается число операций выключателями повышенного напряжения и, следовательно, уменьшается вероятность их повреждения. Несмотря на общее увеличение числа выключателей, вероятность аварийных простоев, блоков из-за повреждений в выключателях будет меньше, чем в схеме без генераторных выключателей.
Рис. 2-30. Сравнение числа оперативных переключений
При наличии генераторного выключателя значительно повышается также надежность питания собственных нужд блока, так как пуск и остановка блока могут при этом производиться от блочного трансформатора без пускорезервных трансформаторов и без переключений в схеме собственных нужд, которые могут служить источником аварий из-за ошибок персонала.
Насколько значительно может быть сокращено число коммутационных операций выключателями высокого напряжения при установке генераторных выключателей, показывает эксплуатационный пример, заимствованный из [2].
В схеме № 1 при каждом отключении генератора блока на ремонт или по режимным условиям требуется выполнить следующие операции с выключателями 330 кВ (рис. 2-30): 1) отключить выключатели 1 и 2 блока; 2) отключить выходной разъединитель 3 генератора; 3) включить снова выключатели 1 и 2 блока для присоединения линии к обеим системам шин, т. е. всего требуется выполнить четыре операции с выключателями высокого напряжения.
Соответственно в схеме № 2 каждое выведение генератора блока в ремонт требует лишь одного отключения генераторного выключателя. По статистике 1972 г. фактическое число операций по выводу блоков в ремонт и по режимным условиям на электростанции, имеющей схему № 2, составило:
Номер блока 1 2 3 4
Число операций в 1972 г 72 152 174 192
Всего 590
Если бы схема на станции была аналогична схеме № 1 и генераторные выключатели у блоков отсутствовали, пришлось бы за этот же период произвести 590X4 = 2360 операций выключателями 330 кВ, или около 8 операций в сутки. К этому следует добавить операции линейными выключателями при выводе в ремонт линий. При столь частых операциях с выключателями повышается вероятность наложения аварий на ремонт и увеличения объема погашении.
