Функции электрических систем.
В самом начале кратко были рассмотрены общие структуры электрических систем и соответствие этих структур различным функциям, которые могут быть приписаны системам. Уточним здесь некоторые из этих функций.
Потребительские сети питают непосредственно аппараты малой мощности, например бытовые приборы и некоторые промышленные аппараты; эти сети должны обеспечить максимальную надежность для потребителей. Применение низких напряжений хорошо согласуется как с выдачей потребителям малых мощностей, так и с требованиями к изоляции; в зависимости от того, какому из этих требований отдается предпочтение, напряжение выбирается в диапазоне от десятка вольт до нескольких тысяч вольт:
безопасные сети (игрушки, влажные помещения) имеют напряжение 20-50 В;
бытовые сети (внутренние установки в квартирах) имеют напряжение 127, 220 или 380 В;
осветительные сети, которые из практических соображений используют также и вышеназванные напряжения, хотя экономический оптимум будет при более низком напряжении;
промышленные сети напряжением 500—1000 В (НН) или 3—6 кВ в зависимости от типа аппаратов и их единичных мощностей;
шахтные сети, которые должны обеспечить одновременно максимальную надежность и поставку относительно высоких мощностей (сотни киловатт), что может быть достигнуто только с помощью специального типа конструкции аппаратуры (герметичное оборудование).
Нагрузки, питаемые этими сетями (за исключением промышленных сетей), имеют мощность от долей киловатта до нескольких киловатт; передаваемые мощности составляют несколько десятков и реже несколько сотен киловатт (промышленные сети).
Распределительные сети питают потребительские сети; иногда даже трудно установить границу между обоими типами сетей; в административном плане эта граница находится на входных зажимах счетчика потребителей (как промышленных, так и бытовых) или на входе фазного отключающего аппарата (предохранители — для потребителей НН, выключатель — для потребителей СН).
Итак, к распределительным сетям относятся как сети НН (220 или 380 кВ на трехфазном токе), так и сети СН (от 1 до 35 кВ). Они включают в себя два (иногда три) уровня напряжения или, вернее, уровень НН и уровень СН; первое напряжение питается от второго через подстанцию СН/НН. На структуры сетей НН и СН, а также и подстанции значительно влияют природа обслуживаемых потребителей и их относительно серьезные требования к качеству обслуживания или, точнее, необходимый выбор между стоимостью этих сетей и уровнем качества обслуживания. Так, длинные и предрасположенные к авариям сельские сети не смогут обеспечить то же качество обслуживания, что и городские сети. Поиск экономического оптимума приведет к более простой структуре для первых из них (радиальные сети) и может подтвердить более сложную структуру для вторых (несколько резервных автоматических связей или даже развитые сети).
Распределительные сети НН передают мощности от десятков до нескольких сотен киловатт. Подстанции СН/НН, питающие их, имеют установленную мощность 10—1000 кВт.
Распределительные сети СН передают мощности в несколько мегаватт. Непрерывный рост во времени этих мощностей приводит к постепенному увеличению номинального напряжения; 50 лет назад оно составляло 3—5 кВ, в настоящее время оно достигло 20—24 кВ в большинстве стран. Сейчас этот рост сильно замедлился по двум причинам, которые увеличивают стоимость сетей, а именно: из-за прямого преобразования СН/НН и проблемы изоляции. Можно устранить эти причины, приняв два уровня СН, однако стоимость подстанций СН/НН возрастает. В общем случае предпочитают выбирать уровень СН «гармонично» между уровнем НН и уровнем ВН питающих сетей.
Питающие сети передают энергию на расстояния, слишком большие для распределительных сетей СН и слишком короткие для передающих сетей. Они работают на промежуточном уровне напряжения, необходимом для зон с малой плотностью нагрузки; этот уровень не используется в зонах с большой плотностью нагрузки, какими являются современные городские сети.
Их основная функция — поставка мощности распределительным сетям, а также сбор мощности, производимой небольшими станциями (гидравлическими и пиковыми тепловыми), мощность которых составляет около десятка мегаватт. Для передачи этих мощностей необходимо хорошее качество электроснабжения; это, как правило, обеспечивается замкнутыми структурами сетей (несколько параллельных источников) или даже сложнозамкнутыми сетями.
Диапазон соответствующих напряжений меняется в зависимости от стран в пределах 45—145 кВ.
Передающие сети предназначены для передачи электрической энергии от станций, ее производящих, до зон потребления. Их появление вызвано необходимостью размещения ТЭС за пределами жилых зон, а также возможностью выработки части энергии ГЭС, расположенными на относительно удаленном расстоянии от городов.
Передающие сети наиболее развиты в странах с преобладанием производства энергии на ГЭС (в Швеции, Канаде, Франции, Италии), чем в странах с преобладанием ТЭС (на востоке США, в Англии).
Эти сети, очевидно, должны обеспечить максимальную надежность, которая будет зависеть, с одной стороны, от надежности производства, а с другой стороны, от надежности передачи электроэнергии. Разветвленная структура для передающих сетей имеет надежность, превосходящую надежность при производстве электроэнергии. И тем не менее некоторые набросы нагрузок делают иногда необходимым размыкание (говорят также «раскольцевание») некоторых зон сети.
В настоящее время единичные мощности передающих сетей достигают нескольких сотен мегаватт (и даже 1000 МВт); необходимые уровни напряжения составляют 150—750 кВ; в недалеком будущем возможно применение 1200 кВ.
Межсистемные связи обеспечиваются иногда самими сетями, а часто изолированными и малочисленными линиями. Их роль состоит главным образом во взаимопомощи между соседними сравнительно мощными передающими сетями. Следует заметить, что различие между передающими сетями и межсистемными связями часто очень неопределенное, Межсистемная связь осуществляется в основном на самом высоком из существующих уровней напряжения (в настоящее время на напряжении 400 или 750 кВ).
Другое осуществление межсистемной связи, применяемое в последние годы, предусматривает использование вставок постоянного тока ВН. Среди характеристик, свойственных этому типу связи, необходимо отметить независимость соединяемых ею сетей как по частоте, так и по мощности к. з., что является преимуществом в случае аварии на одной из сетей.
Функция, выполняемая сетями, является в соответствии с тем, что было только что сказано, преобладающим фактором при выборе их структуры главным образом из-за двух основных проблем:
проблемы надежности электроснабжения;
Рис. 3.1. Принципиальная схема радиальной сети: • источник (питающий пункт, отходящий от станции или трансформатора, соединенного с сетью более высокого напряжения); магистрали (указаны только две); другие отходящие магистрали; ответвление от магистрали; • подстанции (пользователя или понизительная), питаемые от сети
проблемы последовательных усилений сетей, необходимых для поддержания надежности.
Общие сведения о структурах систем.
Топология сетей. Топологической структурой сети называют такую структуру, которая видна на карте этой сети. Такая структура рассматривалась в т. 1, § 1.1, но этого рассмотрения недостаточно для характеристики эксплуатационной схемы сети, которая зависит также от структуры подстанций.
Уточним топологическую структуру электрических систем, показав при этом, какой из методов усиления сетей ей более всего подходит. Эта структура идеально определяется с помощью однопроводной схемы (карта сети, на которой многофазная линия представляется одной только чертой), за исключением сетей НН, имеющих нейтральный провод, подключенный (или нет) к каждому потребителю.
Рис. 3.2. Схема радиальной сети; старая сеть напряжением 10 кВ района Олорон (департамент Нижние Пиренеи):
• питающий пункт ВН/СН; D разомкнутые выключатели; • подстанции СН/НН;
воздушные линии; другие линии, отходящие от подстанции
Однако различия, вызываемые наличием или отсутствием нейтрального провода, имеют значение только для способов усиления; наиболее интересные из этих вариантов будут перечислены в дальнейшем.
Радиальной сетью называют сеть, однопроводная схема которой представляет собой древовидный граф (рис. 3.1). На карте-схеме такой сети (рис. 3.2) возможно появление петель, но эти петли эксплуатируются всегда в режиме «разомкнутой петли», имеющей выключатель, разомкнутый при нормальной работе. Другие выключатели располагаются на различных ветвях сети; точка размыкания может менять свое место, что дает возможность включить повторное питание потребителей даже при отключении участка линии, на котором произошла авария. Такое изменение структуры графа может быть осуществлено при отключении напряжения или под напряжением. В этом случае считают, что сеть может быть закольцованной, но в то же время незамкнутой.
Источником питания радиальной сети является подстанция, через которую ей поставляется энергия. В общем случае подстанция имеет несколько фидеров. Линии, выходящие непосредственно с подстанции, называют магистралями, они делятся на ветви, или нерезервированные радиальные схемы. Можно попытаться придать некоторую симметрию различным фидерам, чтобы облегчить усиление сети, как это можно будет увидеть позднее на примере сетей СН.
В любой магистрали или ветви радиальной сети энергия протекает в определенном направлении (от источника) после прохождения ее через некоторый участок линии. Это свойство было использовано для определения топологической матрицы радиальной сети.
Оно позволяет также защищать радиальную сеть и управлять ею весьма простым способом, а следовательно, используя менее дорогое оборудование. Однако оно обеспечивает только ограниченную надежность обслуживания, поскольку любая авария вызывает отключенное (или неотключенное) короткое замыкание сравнительно большого числа потребителей.
Рис. 3.3. Схема замкнутой сети:
□ нормально-разомкнутый секционирующий аппарат; • источник; ——магистральная линия; нерезервированная радиальная линия
Эти потребители подключают часто в «разрез» участков линии.
Замкнутая сеть отличается от радиальной сети наличием достаточно большого числа «замкнутых петель» (рис. 3.3).
Каждая из этих петель может содержать только один источник или два (реже больше). Во всяком случае, для потребителей, питающихся от такой петли, электроэнергия может поступать по двум различным путям, а отключение напряжения на участке линии одного из путей не прерывает их питания (за исключением, естественно, того случая, когда они подключены непосредственно на аварийном участке). Более того, от петель отходят ответвления (с радиальной топологией) для питания потребителей, менее чувствительных к перерывам в питании.
Магистральные линии, которые присоединены к двум источникам, должны выдерживать постоянные перегрузки при отключении одного из источников; эти линии имеют большое сечение.
Замкнутая сеть обеспечивает лучшее качество обслуживания, но при этом используется громоздкая, а следовательно, более сложная и дорогая защитная аппаратура (масляные выключатели и реле).
Сложнозамкнутая сеть—это сеть, в которой все участки линии являются частью петель; граф такой сети имеет вид ласточкина хвоста или неравномерной сетки (в общем случае это относится как к размеру ячеек, так и к числу линий, приходящихся на ячейку).
Сложнозамкнутые сети бывают двух типов:
с узловыми (или сосредоточенными) нагрузками (рис. 3.4), в которых все обслуживаемые нагрузки сконцентрированы в узлах сети (так же, как и питающие их устройства); такими сетями являются передающие сети высокого напряжения. Из рис. 3.4 можно установить, какое значение имеет структура подстанций в этом типе сетей;
с распределенными нагрузками (рис. 3.5), в которых нагрузки подключены вдоль линий; к этому типу сетей относятся замкнутые распределительные сети.
Сложнозамкнутые сети обеспечивают максимум надежности, поскольку авария на участке линии, приводящая к его отключению, имеет последствия только для потребителей, непосредственно подключенных к этому участку. В передающих сетях с сосредоточенной нагрузкой
непрерывность электроснабжения не может быть нарушена такой аварией. И все же качество электроснабжения не абсолютно, так как возможность возникновения аварий на нескольких соседних участках может привести к отключению значительной части сети. Однако возможность такой аварии маловероятна, как об этом свидетельствуют статистические данные, приведенные в т. 1, гл. 5, табл. 5.1 и 5.2.
Рис. 3.5. Часть сложнозамкнутой сети с распределенными нагрузками (распределительная сеть НН): 1 — питающий трансформатор СН/НН; 2 — нагрузки (потребители НН)
Рис. 3.4. Часть сложнозамкнутой сети с узловыми нагрузками (представлены только два замкнутых контура):
нагрузка; □ выключатель
Сложнозамкнутые сети дороже радиальных сетей; их использование выгодно только при большой стоимости перерывов питания, например в распределительных сетях с большой плотностью нагрузки (городские сети), в которых стоимость недоотпущенного киловатт-часа весьма высока (см. т. 1, § 5.1).
Подстанции. За исключением некоторых разъединителей (аппаратов, работающих только при отключенном напряжении), вся переключающая аппаратура сетей сосредоточена на подстанциях, что облегчает их обслуживание. Иными словами, подстанция представляет собой узел сети или систему сборных шин, на которую подключены линии с нагрузкой через отключающую аппаратуру (масляные выключатели или выключатели нагрузки; первые из них могут отключать токи к. з., вторые —нет).
Подстанция может содержать несколько систем сборных шин с различными напряжениями; эти системы могут являться узлами сети. Системы сборных шин соединяются между собой через простой шиносоединительный выключатель (если они имеют одно и то же напряжение) или через трансформатор, снабженный отключающей аппаратурой. Переключения этой аппаратуры изменяют граф сети, изменяя число узлов его, а также число контуров (рис. 3.6).
Так, эксплуатационная схема сети зачастую отличается от ее простой «географической» схемы, в которой вся подстанция могла бы быть представлена простым узлом. Схемы подстанций далее описываются детально.
Развитие структуры. Из всех возможных комбинаций структур сетей и подстанций инженеры-сетевики вынуждены выбирать такую, которая лучше приспособлена к специфическим условиям каждой сети. Эти условия определяются функцией, которую выполняет сеть, а также такими характеристиками нагрузок, как их природа (промышленные нагрузки, нагрузки жилых кварталов и т. д.), плотность, чувствительность к качеству обслуживания. Некоторые из этих условий остаются неизменными, по крайней мере, в течение периода исследования развития сети (функция рассматриваемой сети, природа нагрузок и т. д.). Другие из перечисленных условий меняются во времени в течение изучаемого периода; так дело обстоит в отношении плотности возрастающих нагрузок, чувствительных к непрерывности электроснабжения.
При выборе структуры сети необходимо не только рассматривать состояние сети на данный момент, но также учитывать прогнозы развития (эти прогнозы зависят от длительности срока, на который они производятся). Часто выбор может быть неоднозначным, тогда принимают решение, которое предоставляет большие возможности для адаптации и развития.
Рис. 3.6. Принципиальная схема (а) и возможные графы (6) подстанции:
I — географическая схема (с одним узлом); 2 — граф с замкнутым шиносоединительным выключателем (с двумя узлами); 3 — граф с разомкнутым выключателем (с тремя узлами); Лl, Л2 — питающие линии; СШ1 —СШ3 —системы сборных шин; 77, Т2 — трансформаторы; Л3 — Л5 — линии потребителей; USB — шиносоединительный выключатель
Развивающиеся структуры были предложены для различных типов сельских и особенно городских распределительных сетей, для которых аналогичные условия встречаются в относительно удаленных регионах. Эти развивающиеся структуры характеризуются:
легкостью их усиления;
сохранением типового варианта в течение периода проведения этих усилений, несмотря на увеличение поверхностной плотности нагрузок и этой поверхности.
Наиболее интересные из развивающихся структур будут описаны в разделах, посвященных специфическим проблемам, которые необходимо решать в распределительных и передающих сетях (или в межсистемных связях).
Изменение функции сети вызывает значительные изменения ее структуры. Например, некоторые сети СН (особенно напряжением 30 или 35 кВ), которые в недалеком прошлом выполняли функцию передачи электроэнергии (на относительно небольшие расстояния) или, точнее, функцию питающих сетей, были преобразованы в распределительные сети. Часто при этом снижалось их напряжение для приведения их к стандартным значениям и вдоль линий «насаждались» распределительные подстанции СН/НН. Другим примером являются сети 220 кВ, которые несколько десятков лет назад выполняли функции межсистемных связей, а затем стали основой передающих сетей, а в будущем превратятся в питающие сети, что вызовет их деление на независимые региональные сети.
