Электроснабжение, электрические сети - Распределение электрической энергии в сетях напряжением выше 1000В

ГЛАВА II
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕТЯХ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1000 в

§ 2.1. Общие сведения

Для принятия той или иной системы построения электрической сети высокого напряжения необходимо учитывать мощность и число потребителей, их взаимное расположение как по отношению друг к другу, так и относительно питающего центра (электростанции или главной питающей подстанции — ГПП), а также требуемый уровень надежности и бесперебойности электроснабжения. Последнее условие (надежность питания) определяется категорией потребителя и часто оказывает решающее влияние на выбор схемы сети.
В Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) все электроприемники в отношении надежности электроснабжения подразделяются на три категории:

I- категория — электроприемники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, вызванный повреждением оборудования, массовым браком продукции или расстройством сложных и трудно восстанавливаемых технологических процессов, а также нарушением работы особо важных элементов городского хозяйства.

В городских электрических сетях к I категории относятся электроприемники следующих сооружений:
а)  театров, кино, клубов, крупных стадионов, универмагов и т. п., сооружений с массовым скоплением людей (более 600 чел.), действующих при искусственном освещении;
б) особых лечебных помещений (операционных больниц и родильных домов, пункты неотложной помощи и т. п.);
в)  важных технических и силовых установок высотных (выше 16 этажей) зданий (лифты, аварийное освещение, пожарные насосы), узлов радиосвязи, телеграфа, телефонных станций, противопожарных насосных, водопроводных и канализационных станции и т. п.;
г) групп городских потребителей с общей нагрузкой более 10 000 кВА.

II - категория — электроприемники, перерыв в электроснабжении которых влечет за собой массовый недоотпуск продукции, простой рабочих, оборудования и промышленного транспорта, а также нарушение нормальной деятельности большого числа городских жителей.

К этой категории относятся электроприемники:
а)  всех зданий высотой более 5 этажей, а также административно-общественных, лечебных и детских учреждений, школ и других учебных заведений;
б)  силовых установок, технология которых ограничивает допускаемые перерывы в электроснабжении, например квартальные котельные, центральные тепловые пункты (ЦТП) и т. д.;
в)  групп городских потребителей с нагрузкой от 300 до 10 000 кВА — для кабельных сетей и от 1000 кВА и более — для воздушных сетей.
III  категория — электроприемники, не подходящие под определение I и II категорий, например электроприемники небольших предприятий и вспомогательных цехов несерийного производства, небольших поселков и т. п.
Электроприемники I категории должны обеспечиваться питанием электроэнергией от двух независимых источников, причем перерыв в электроснабжении допускается только на время автоматического включения резерва (АВР).
Независимым источником питания (ИП) называется источник питания данного объекта (в нашем случае объектом может являться предприятие, группа электроприемников или электроустановка), на котором сохраняется напряжение при исчезновении его на других источниках. К числу независимых источников питания относятся распределительные устройства двух электростанций или питающих центров, а также две секции сборных шин станций или подстанций, если каждая секция питается от независимого источника, и при условии, что эти секции не связаны между собой или имеют связь, автоматически отключаемую при нарушении нормальной работы одной из секций.
При небольшой мощности объектов I категории в качестве второго источника питания могут быть использованы передвижные электростанции, аккумуляторные батареи, стационарные генераторы с двигателями внутреннего сгорания или паровыми машинами или перемычки на низшем напряжении от ближайшего распределительного пункта, имеющего независимое питание с автоматическим включением резерва (АВР).
Для электроприемников II категории перерывы питания допускаются на время, необходимое для включения резерва выездной бригадой или дежурным персоналом. ПУЭ допускают питание объектов II категории одной воздушной линией при напряжении 6 кВ и выше, а при кабельных линиях не менее чем двумя кабелями, присоединяемыми через самостоятельные разъединители.
Рекомендуется применение автоматических средств включения резерва, если это не вызывает увеличения капитальных затрат на сооружение подстанции более чем на 15% или если эти затраты окупаются в 5—8 лет. Допускается резервирование питания электроприемников II категории при аварии путем устройства перемычек на низшем напряжении шланговым проводом длиной порядка 50 м.
Для электроприемников III категории допускается перерыв в питании на время ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, по не более чем на одни сутки.
Принято рассматривать системы внешнего и внутреннего электроснабжении.
К системе внешнего электроснабжения будем относить питающие линии высокого напряжения¹, подающие электроэнергию от источников питания на главную питающую подстанцию (ГПП) или главный распределительный пункт (ГРП) промышленного предприятия.
К системе внутреннего электроснабжения промышленного предприятия относятся:
а)  ГПП или ГРП (ГРП—при распределении энергии на том же напряжении, что и напряжение питающих линий);
б)  промежуточные распределительные пункты (РП);
в)  распределительная сеть высокого напряжения;
г)  цеховые понизительные трансформаторные подстанции..
Для городских потребителей нет столь четкого деления на внешнее и внутреннее электроснабжения. Однако по аналогии с электроснабжением промышленных предприятий можно относить линии высокого напряжения, соединяющие энергосистему с городскими питающими центрами и сами питающие центры, к системе внешнего электроснабжения, а линии до распределительных пунктов (РП), сами РП, распределительную сеть от РП до понизительных подстанций и эти подстанции (их называют также трансформаторными пунктами ТП) - к системе внутреннего электроснабжения городских потребителей.

¹ ПУЭ не подразделяют электроустановки на установки низкого и высокого напряжений. Согласно ПУЭ их различают напряжением до 1000 в и выше 1000 в. В практике принято установки напряжением выше 1000 в называть установками высокого напряжения. (В литературе можно встретить следующую условную классификацию: сети напряжением до 1000 в называют сетями низкого напряжения, до 20 кв включительно — сетями среднего напряжения, до 220 кв — сетями высокого и до 500 кв — сверхвысокого напряжения.)

§ 2.2. Построение схем внешнего электроснабжения промышленных предприятий

Электроснабжение промышленных предприятий осуществляется при напряжении от 6 до 110 кВ, а иногда и выше. 

Схемы электроснабжения должны быть экономичными по капитальным затратам, ежегодным эксплуатационным расходам, потерям электроэнергии и расходу дефицитных материалов и оборудования. Выбор схемы электроснабжения и напряжения питающих линии определяется технико-экономическими расчетами, причем принимается тот из сравниваемых вариантов электроснабжения, который дает наименьшие приведенные затраты.

где З — приведенные затраты;
Ип  — ежегодные издержки производства;
К — капиталовложения;
Рн — нормативный коэффициент эффективности принимается равным 0,15.

Рис. 2.1. Схемы внешнего электроснабжения промпредприятия на напряжении 6—10 кВ

Для рассматриваемых нами коммунальных предприятий наиболее характерным является внешнее электроснабжение при напряжении 6—10 кВ.
На рис. 2.1 приведены характерные схемы питания таких предприятий в зависимости от категории потребителей. Схема рис. 2.1, а предназначена для питания потребителей III категории, поскольку она имеет только одну питающую линию. При выходе этой линии из строя на период ремонта допускается перебой в снабжении потребителей электроэнергией.
Схема рис. 2.1, б предназначена для питания потребителей II и III категорий. При отключении одной из питающих линий высокого напряжения вторая линия (которая на это рассчитана) принимает на себя всю нагрузку. Однако необходимые переключения выполняются персоналом вручную соответствующими разъединителями Р-1, Р-2 и Р-3.

* Приведенная формула применяется при единовременных капитальных вложениях и сроке строительства до одного года. При сроках строительства выше года и постоянных ежегодных издержках производства в формулу подставляется приведенная величина Кпр.
При этом надо помнить, что оперировать высоковольтными разъединителями, как правило, можно только при отсутствии в цепи нагрузочного тока (во избежание появления мощной электрической дуги).
Как исключение, трехполюсными разъединителями разрешается включать и отключать:

1. зарядный ток сборных шин, зарядный ток кабельных линий напряжением до 10 кВ при длине не более 10 км;
2. ток замыкания на землю до 30 а для линий напряжением 10 кВ и ниже;
3. ток холостого хода силовых трансформаторов мощностью до 1000 кВА в электроустановках напряжением до 10 кВ;
4. уравнительный ток линий при условии, что разность напряжений на разъединителе после отключения не превышает 2% от номинального;
5. измерительные трансформаторы напряжения.

Схема рис. 2.1. в предназначена для питания потребителей I и II категорий. В этом случае для секционирования шин и на вводах установлены выключатели В-1, В-2 и В-3, позволяющие осуществить автоматическое подключение обесточенной секции шин высокого напряжения РП к вводу, оставшемуся в работе.
Электроснабжение крупных предприятий, имеющих общую мощность электроприемников в десятки и даже сотни тысяч киловатт, осуществляется на напряжении 35, 110 кВ, а для особенно крупных и удаленных предприятий напряжение питающих линий иногда повышается до 220 кВ.
Для таких предприятий возможны следующие наиболее характерные схемы питания:
а)  схема питания одной или двумя линиями высокого напряжения с сооружением главной питающей подстанции — ГПП;

1. схема «глубокого ввода».

В первом случае на заводе сооружается ГПП, понижающая напряжение с 35—110 кВ до 6—10 кВ, от которой питаются, в зависимости от принятой схемы распределения энергии, распределительные пункты сети 6—10 кВ или непосредственно трансформаторные подстанции.
Наиболее распространенные схемы питания ГПП — при двух питающих линиях от двух независимых источников — представлены на рис. 2.2.
Каждая из питающих линий и каждый трансформатор при этом выбираются на полную расчетную мощность предприятия (с учетом допустимых перегрузок по ПУЭ), что обеспечивает полное автоматическое резервирование питания потребителей.
Схемы рис. 2.2 применяются для электроснабжения крупных потребителей I и II категорий.
Схема рис. 2.2, а имеет ограниченные оперативные возможности, так как она исключает подачу питания двумя линиями к одному трансформатору и одной линией к двум трансформаторам. Этот недостаток устраняется так называемой схемой «моста», одна из разновидностей которой показана на рис. 2.2, б.
Последняя применяется на ГПП, где по условиям экономического режима эксплуатации производятся относительно частые отключения одного из трансформаторов.
В последнее время для электроснабжения промышленных предприятий, в том числе и крупных, довольно широко используются схемы подключения линий высокого напряжения и трансформаторов без сборных шин и дорогостоящих масляных выключателей. Для этой цели применяются специальные аппараты — короткозамыкатели и отделители.

Рис. 2.2. Схемы внешнего электроснабжения крупных предприятий с ГПП:
1 — отделитель; 2 — короткозамыкатель; 3 — силовой трансформатор; 4 — масляный выключатель

Короткозамыкателем называется аппарат высокого напряжения, предназначенный для быстрого дистанционного замыкания накоротко и на землю фаз электрической линии.
Отделитель — аппарат, предназначенный для отключения поврежденной высоковольтной линии после окончания протекания в ней токов короткого замыкания.
Замыкание ножей короткозамыкатели производится автоматически, размыкание — вручную, а ножей отделителя — наоборот.
Схема питания крупного предприятия с ГПП с короткозамыкателями и отделителями представлена на рис. 2.2, в. Отсутствие выключателей на стороне высшего напряжения значительно снижает затраты на оборудование подстанции.
Подстанция может быть подсоединена к энергосистеме радиальными линиями, как показано на рисунке, или ответвлением от транзитных линий электропередачи. Действие схемы происходит в такой последовательности: при повреждении одного из трансформаторов или замыкании в подводящих проводниках под действием релейной защиты замыкается короткозамыкатель поврежденного элемента. Это приводит к автоматическому отключению головного выключателя на питающем центре, который разрывает ток короткого замыкания. С определенной выдержкой времени после этого происходит отключение отделителя.
Отделитель имеет блокировку с головным выключателем и может отключиться только после головного выключателя, так как отделитель не способен отключать ток нагрузки и тем более ток повреждения.
После отключения от сети поврежденного элемента происходит автоматическое повторное включение головного участка линии электропередачи, и питание неповрежденных трансформаторов и остальных подстанций, подключенных к данной линии (если она транзитная), восстанавливается.
Рост энергоемкости цехов крупных предприятий и стремление приблизить источники высшего напряжения к потребителям электроэнергии привели к созданию надежных и экономичных схем внешнего электроснабжения, получивших название «глубоких вводов».
При питании по схеме глубокого ввода линии напряжением 35—110 кВ заводятся непосредственно на распределительные подстанции, сооружаемые при крупных цехах, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. В этом случае предприятие не имеет ни главной питающей подстанции (ГПП), ни главного распределительного пункта (ГРП), что создает значительную экономию капиталовложений на устройство системы электроснабжения.