Некоторые определения. В электрической системе подстанции осуществляют соединения между различными связями; под термином «связь» здесь понимаются ветви сети, каждая из которых представлена воздушной линией, подземным кабелем или трансформатором (или даже преобразователем переменного тока в постоянный). Для соединения связей применяется система сборных шин, которые через отключающие аппараты позволяют разделять связи. Отключающий аппарат, так же как и аппаратура защиты и измерений, которые обычно находятся рядом со сборными шинами, образуют «ячейку». Существуют различные типы ячеек — открытая, герметичная, выкатная. Часто различают ячейки, соответствующие воздушной или подземной линии, называемые «ячейками отходящего фидера», и ячейки, соответствующие трансформаторам.
Определяющим фактором в выборе структуры подстанции является надежность сети и, следовательно, надежность соединений, т. е. место присоединения связей к системам сборных шин. Надежность зависит от числа сборных шин и связей, способов соединения их между собой. Она зависит также от природы выключающей аппаратуры, помещенной между каждой связью и системой сборных шин:
если это выключатель, то он способен отключать токи к. з.;
если это выключатель нагрузки, то он способен отключать только токи нагрузки (которые имеют меньшую величину по сравнению с токами к. з.);
если это отделитель, то им можно манипулировать только при отключенном напряжении, что требует переключений других аппаратов; отделитель обеспечивает отключение только той связи, в которую он включен.
Термин «подстанция» можно использовать в различных смыслах. Если это:
переключательный пункт, то он состоит из системы сборных шин и распределительных ячеек;
трансформаторная подстанция, то она состоит в действительности из двух переключательных пунктов (с различными напряжениями), соединенных (через соответствующие ячейки) с блоком трансформаторов;
питающий пункт, то он является частным случаем трансформаторной подстанции, в которой электроэнергия протекает в нормальном режиме всегда в одном и том же направлении; итак, питающий пункт является «источником» сети, которую он питает; отсюда и возникают специфичные проблемы обеспечения надежности.
Термин «распределительное устройство» означает в общем случае набор ячеек переключательного пункта СН или НН, особенно если это оборудование имеет уменьшенные габариты.
Рис. 3.7. Примеры: соединений между двумя линиями: а —с помощью отделителя; 1 — кабель; 2 — кабельная муфта; 3 — отделитель; 4 — трансформатор; 5 — переключательный пункт 220/20 кВ (Париж); б1—с помощью выключателя: нагрузки; 1 — линия; 2 — воздушный выключаюсь (нагрузки); 3 — ввод в переключательный пункт; 4 — трансформатор; 5 — сельский переключательный пункт; в — с помощью масляного выключателя: I-линия; 2 — отделитель; 3— масляный выключатель; 4 — отделитель; 5 — трансформатор; 6 —переключательный пункт потребителя СН
Простые переключательные пункты. Рассмотрим основные схемы в порядке возрастания их надежности. Будем довольствоваться комментарием соответствующих рисунков (рис. 3.7,3.8,3.9).
Проблема надежности зависит главным образом от числа связей, соединение которых надо обеспечить.
Соединение двух связей (рис. 3.7). Такое соединение имеет отключающий аппарат, который; может быть:
отделителем, если масляный выключатель, обеспечивающий защиту, а также включение и выключение под напряжение, может быть перенесен как можно ближе к началу линии, например пункты 220 кВ внутри Парижа, присоединенные к периферийной подстанции подземным кабелем 220 кВ. Эта линия содержит только отделитель между кабелем и трансформатором 220/20 кВ (а в начале кабеля на периферийной подстанции расположен масляный выключатель);
выключателем нагрузки, если при необходимости поместить масляный выключатель в начале линии требуются относительно частые переключения. Например, в сельских сетях СН масляные выключатели помещают главным образом только на подстанциях ВН/СН; включение под напряжение трансформаторов ВН/СН или их отключение должно осуществляться без нарушений работы соседних пунктов СН/НН. Следовательно, на входе СН этих пунктов (или на линии СН на малом расстоянии от этих пунктов) необходимо иметь выключатель;
масляным выключателем, если защита такова, что при аварии имеет место отключение в точке связи. Это относится к пунктам, питающим потребители СН, так как авария на внутренней установке одного из них не должна влиять на работу сети.
Соединение трех связей (рис. 3.8). В общем случае три связи, соединение которых надо осуществить, выполняют неодинаковые функции (в противном случае это будет частный случай пунктов, обеспечивающих большое количество связей).
Рис. 3.8. Примеры соединений трех связей (одна из которых— трансформатор); даются три примера переключательных пунктов: а: 1 — линия в нормальном режиме; 2 —линия в аварийном режиме; 3 — включенный отделитель; 4 — разомкнутый отделитель; 5 — шины, 6 — масляный выключатель; 6: 1 — масляные выключатели; 2— шины; 3 — масляный выключатель или выключатель нагрузки; в: I — входящий фидер; 2 — отходящий фидер; 3 — масляный выключатель; 4 — выключатель нагрузки
Одной из этих связей часто является трансформатор, питающий потребитель или сеть более низкого напряжения (или сеть более высокого напряжения, если рассматривается генераторная группа). Важно, что в этой связи (в трансформаторе) энергия протекает всегда в одном и том же направлении. Две другие связи выполняют одну и ту же функцию.
В этом случае их снабжают одинаковой отключающей аппаратурой. Например:
две питающие линии, никогда не работающие параллельно, могут иметь только отделители, а трансформатор должен быть присоединен к сборным шинам через выключатель;
каждая из двух ветвей замкнутой сети Должна подключаться к сборным шинам через выключатель, даже если трансформатор тоже присоединен через выключатель (поскольку требуется отключать систему сборных шин в этом маловероятном случае, когда, авария происходит в этом месте); если подходящая ветвь может быть отключена в пункте при аварии на трансформаторе, то последний может быть оборудован простым выключателем нагрузки.
Две другие связи (кроме трансформатора) часто выполняют различные функции; например, в пунктах с радиальными сетями, где энергия поступает всегда по одной из этих связей и распределяется между трансформатором СН/НН и другой связью; при этом считают, что переключательный пункт «врезан» в линию. Такая схема принимается тогда, когда требуется автоматически отключать одну ветвь радиальной сети, если на ней возникла авария; в этом случае «подходящая» связь соединена
с системой сборных шин через масляный выключатель (который размыкается не только при аварии на «отходящих» ветвях сети, но и при аварии в какой-либо точке переключательного пункта или на трансформаторе); на «отходящей» связи устанавливается только выключатель нагрузки.
Рис. 3.9. Примеры соединений между четырьмя связями: л — переключательный пункт на линии 500 кВ Волгоград — Москва; б — переключательный пункт 24/48 кВ Детройта; 1 — подходящие линии; 2 — отделители (или выключатели нагрузки); 3 — трансформаторы 24/4,8 кВ; 4 - масляные выключатели; 5 —отходящие линии 4,8 кВ; пункты 24 кВ и 4,8 кВ — примеры двух переключательных пунктов с четырьмя связями
Соединение четырех связей (рис. 3.9). Пункты, обеспечивающие соединение четырех связей одного и того же типа (переключательные пункты) или разных типов, часто являются частным случаем более сложных подстанций. Иногда в основу структуры сети положено систематическое использование пунктов с четырьмя связями. Так, например:
переключательные пункты двойной межсистемной связи необходимы при включении очень длинной линии под напряжение отдельными участками с целью ограничения перенапряжений на конце линии. Например, линия 500 кВ Волгоград — Москва разбита на четыре участка с помощью трех переключательных пунктов (рис. 3.9, а): четыре масляных выключателя расположены по сторонам квадрата; две линии, подходящие с востока, заканчиваются в двух противоположных вершинах квадрата, а две других, отходящих на запад, —в двух оставшихся вершинах; таким образом, любой участок линии, на котором произошла авария, может быть отключен без нарушения межсистемной связи; отделители позволяют обеспечить безопасность работ на любом из этих аппаратов.
некоторые пункты СН/НН в сетях США (рис. 3.9, б) позволяют питать две линий напряжением 4,8 кВ от двух независимых трансформаторов (осуществляющих взаимопомощь) через, две линии повышенного СН (24 или 33 кВ); иначе говоря, пункты 24 кВ и 4,8 кВ представляют собой два примера переключательных пунктов с четырьмя связями. На пункте 24 кВ соединения осуществляются тремя выключателями нагрузки, защита линии 24 кВ перенесена в начало линий, защита трансформаторов обеспечивается предохранителями; на пункте 4,8 кВ соединения осуществляются тремя выключателями, устраняющими любой возврат мощности при аварии на одной из двух линий 4,8 кВ.
Переключательные пункты со многими связями.
Общие сведения. Эти переключательные пункты играют существенную роль, обеспечивая наилучшую надежность сети и возможность различных соединений между рассматриваемыми связями. Раньше пункты имели одну систему сборных шин, что было сравнимо с малым числом связей, которые надо было соединять между собой.
При увеличении числа связей были предприняты попытки улучшить надежность- введением второй системы сборных шин, которая носила только вспомогательный характер (ее называют еще обходной системой шин); некоторые старые пункты еще и сейчас имеют такую структуру (рис. 3.10); последующее развитие привело к выравниванию функций обеих систем сборных шин; связи с помощью трансформаторов или связи через линии или кабели рассматриваются как равноценные, различие между ними делается только в редких случаях.
Рис. 3.10. Схема пункта с вспомогательной системой шин (или резервной, или обходной). Городской переключательный пункт в США
Пункты с одной системой сборных шин (рис. 3.11 и 3.12). В радиальных сетях надежность работы увеличивается добавлением еще одной системы сборных шин на переключательных пунктах, поскольку вероятность аварии на основной системе сборных шин очень мала. Но в зависимости от природы потребителей, т. е. от заявленной мощности и чувствительности к перерывам питания, защитная аппаратура будет различна. Кроме того, в радиальной сети направление электроэнергии определено и различают «ячейки подходящих линий», оборудование которых должно отличаться от такового для «ячеек отходящих линий».
Рис. 3.11. Схема распределительного щита НН пунктов СН/НН (пример пунктов с одной системой сборных шин) а — пункт СН/НН в сельской местности; 1 — выключатель нагрузки НН;. 2 — предохранители со сменной плавкой вставкой; 3 — отходящие воздушные линии НН; б — пункт СН/НН в городе: 1 — масляный выключатель НН; 2 — выключатели нагрузки или масляные выключатели отходящих фидеров; 3 — отходящие кабельные фидеры НН
Так, например, схема низковольтной части (называемой распределительным щитом) пункта СН/НН в сельской местности (рис. 3.11, а) имеет следующие особенности: «отходящие линии НН», число которых обычно не больше четырех, снабжены предохранителями, тогда как «входящая со стороны трансформатора линия» имеет выключатель нагрузки. В городских пунктах СН/НН, где должна быть обеспечена более высокая надежность, подходящие линии присоединяются через масляные выключатели; иногда и отходящие линии НН (более многочисленные, чем подходящие) присоединяются также через масляные выключатели (рис. 3.11, б).
Другим примером является распределительный щит питающих подстанций радиальных распределительных сетей СН. Подстанции малой мощности имеют подходящую линию СН и несколько отходящих фидеров СН, на всех из них установлены масляные выключатели (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Схема распределительного щита СН переключательного пункта ВН/СН с одинарной системой сборных шин:
1 — трансформатор ВН/СН; 2 — фидеры; 3 — конденсатор СН; 4 — короткозамыкатель 5 — измерительные трансформаторы тока и мощности; 6 — выкатные масляные выключатели
Рис, 3.13. Схема пункта с одинарной системой сборных шин, состоящая из нескольких секций: а — схема переключательного пункта ВН/СН с «секционированными шинами»; б — принципиальная схема пункта 33/11 кВ в Англии; в — принципиальная схема пункта 12/4 кВ в Чикаго; 1 — трансформаторная ячейка; 2 — ячейка отходящих фидеров; 3 — соединительная ячейка; 4 — масляный выключатель; 5 — выключатель, разомкнутый при нормальной работе
На подстанциях большой мощности устанавливают несколько параллельно работающих трансформаторов, каждому из которых соответствует свой распределительный щит СН, идентичный щитам, установленным на подстанциях малой мощности, тем не менее установка в дополнительной ячейке распределительного щита СН шиносоединительного выключателя позволяет иметь большую надежность электроснабжения (рис. 3.13, а).
Принцип секционирования шин, соединяемых шиносоединительным выключателем, принят на некоторых пунктах Англии и США, в которых надежность работы увеличивается за счет уменьшения числа отходящих фидеров (вплоть до одного) от каждой секции шин (рис. 3.13, б, в).
Принцип одинарной системы сборных шин заложен в основу многочисленных вариантов в зависимости от того, отдается предпочтение малой стоимости или надежной работе.
Переключательные пункты с кольцевой системой сборных шин. Схема пункта, представленная на рис. 3.14, отвечает линейной схеме (рис. 3.13, в). Она обеспечивает большую надежность, поскольку любая поврежденная связь может быть отключена от сети при сохранении остальных связей работающими.
Рис. 3.14. «Кольцевая» система сборных шин: а — схема многоугольника; 6 — схема двойного многоугольника в Чикаго; 1 — масляные выключатели; 2 — отходящие фидеры 63 кВ; 3 — подходящие фидеры 63 кВ; 4 — подходящие фидеры 138 кВ
Но эта схема не обладает гибкостью: если отключаются две связи, то система сборных шин разбивается на два участка, не способных оказывать взаимопомощь, в этом случае, образуются два узла сети, которые могут соединяться друг с другом только через соседний узел (соседний пункт).
Рис. 3.15. Упрощенная схема некоторых английских переключательных пунктов 275/132 кВ:
1 — двойная линия; 2 — одиночная линия; 3 — шиносоединительные выключатели
И все же надежность связей, выполняемых подземными кабелями, заставила принять этот тип пунктов для многочисленных сетей городов США,
Поскольку он менее дорог, чем пункт с двумя системами сборных шин. Классической схемой является кольцевая система сборных воин, питающая восемь отходящих (или подходящих) фидеров. Когда необходимо соединить большее число связей, то можно или увеличить размеры кольца, или (лучше) наложить одну на другую две либо несколько кольцевых систем, соединенных между собой выключателями.
Вариант двойной системы сборных шин используется в Англии в форме схемы квадрата (рис. 3.15). В этом случае внутренняя надежность связей (коротких кабелей или воздушных линий) позволяет получить экономию за счет некоторых выключателей, так как к каждой вершине квадрата примыкают две связи, оборудованные простыми выключателями нагрузки (линейная или трансформаторная связь).
Классический пункт с двойной системой шин. Как указано выше, добавление вспомогательной системы шин (таких размеров, чтобы выдерживать относительно малый ток к. з.) позволяет устранить недостаточную гибкость схемы с одинарной системой шин. Однако:
при классической схеме пункта, применяемой по крайней мере для пунктов европейских передающих сетей (рис. 3.16), каждая связь присоединяется к обеим системам шин через общий выключатель и два отделителя. Эти аппараты вместе с измерительными трансформаторами составляют нормальное оборудование ячейки. Часто выключатель, расположенный в дополнительной ячейке, позволяет составить с двумя системами сборных шин один узел (выключатель замкнут) или два узла (выключатель разомкнут); распределение связей между двумя узлами производится заранее (с помощью отделителей) для обеспечения наилучшей надежности сети (отключения, необходимые для того, чтобы противостоять некоторым авариям).
при другой схеме соединений, называемой «схемой с полутора выключателями», имеется некоторая экономия на стоимости выключателей; это расположение распространено в США. На схеме рис. 3.17 связи группируются по две и соединяются между собой масляным выключателем;
Рис. 3.16. Классический пункт с двумя системами шин:
1 — отходящие фидеры; 2 — масляные Выключатели; 3 — отделители; 4 — системы сборных шин, 5 — шиносоединительный выключатель
Рис. 3.17. Пункт с двумя системами шин с «полутора выключателями» (пункт Спрейк Брук, недалеко от Нью-Йорка):
1 — подходящие фидеры 345 кВ; 2 — масляные выключатели; 3 — кабели 138 кВ; 4 — линии 345 кВ
Кроме того, каждая из них присоединяется к системе сборных шин также через масляный выключатель. Рассматриваемая схема менее гибка, поскольку распределение (связей) между двумя системами шин осуществляется один раз и сохраняется все время.
Пункты с некоторыми системами шин. Для крупных пунктов, к которым подходит большое число линий, целесообразно иметь значительное число систем шин, обеспечивающее большую гибкость при эксплуатации сети. Принципиальные схемы пунктов 400 кВ, расположенных вблизи Парижа (рис. 3.18, а), или пунктов английской системы «Grid» приведены на рис. 3.18, б.
Питающие пункты.
Особенности этих пунктов. Выше было упомянуто, что термин «пункт» используется в широком смысле этого слова для обозначения совокупности двух (и более) «переключательных пунктов», соединенных между собой трансформаторами. В сложнозамкнутых передающих сетях электроэнергия протекает в различных направлениях: присоединенных к пункту связях, а также на участках систем сборных шин.
Но в некоторых питающих пунктах, присоединенных к этим сетям (особенно к питающим и распределительным), энергия протекает всегда в одном и том же направлении. Схема такого, пункта может быть в этом случае упрощена, поскольку последовательное включение нескольких выключателей не имеет смысла, тогда как размыкание выключателя позволяет отключать ток к. з. без увеличения числа потребителей, охваченных аварией.
Рис. 3.18. Пункты с несколькими системами сборных шин: а — принципиальная схема пункта 400. кВ, питающего район Парижа; 6 — схема- пункта 400 кВ • в Англии с двойной системой сборных шин
Многие типы пунктов входят в эту последнюю категорию, но выполняемые ими специфичные функции приводят к различным схемам. Различают, в частности, пункты станций, которые питают передающую сеть от генераторных групп ТЭС или ГЭС, а также питающие пункты распределительных сетей СН, которые получают энергию от передающей (или питающей) сети; пункты, питающие потребителей СН и НН, называют часто «абонентскими пунктами».
Пункты станций. В схеме этих пунктов определяющим фактором является число генераторных групп, входящих в состав станции. Когда это число велико (оно определяет также и число параллельно работающих трансформаторов), то вероятность того, что авария произойдет одновременно и на генераторной группе, и на трансформаторе, весьма незначительна и необходимо иметь возможность переключения любой из групп на любой из трансформаторов. Для этого необходима система сборных шин, даже если она будет только переходной системой.
Раньше этот тип схем был довольно-таки распространенным, поскольку как ТЭС, так и ГЭС имели в своем составе много групп с относительно малой мощностью. В настоящее время на низконапорных ГЭС, которые имеют в своем составе от 6 до 10 и даже до 20 генераторных групп, изредка применяют этот тип схем. Схема рис. 3.19, а вытекает из схемы вышеприведенного рис. 3.10.
Рис. 3.19. Электрические схемы станций: а — электрическая схема станции с двумя системами сборных шин; 1 — шины ВН; 2 — отходящие фидеры; 3 — трансформаторы СН/НН; 4 — обходная система шин (СН); 5 — основные шины (СН); 6 — генераторы; б — схема тепловой станции
Современные станции обычно состоят из незначительного числа генераторных групп большой мощности, вводимых в строй поочередно с интервалом в несколько лет. На ТЭС работающие группы эксплуатируются при максимальной мощности или вблизи величины, определенной заранее для регулируемых групп; в этом случае при аварии на трансформаторе переключения выполнялись бы только за счет значительного перенасыщения последнего оборудованием. Кроме того, надежность трансформаторов существенно выше надежности генераторов. Эти соображения привели к тому, что почти повсюду была принята блочная схема (рис. 3.19, б), в которой каждая генераторная группа присоединена к трансформатору (соединение между ними осуществляется простым отделителем);
Рис. 3.20. Схема питающего пункта ВН/СН:
1 — шины ВН; 2 — масляные выключатели ВН; 3 — линии 1 и 2; 4 — трансформаторы; 5 — соединительные кабели; 6 — заземляющие аппараты трансформаторов тока; 7 — выкатные масляные выключигелиСН;8 — конденсаторы; 9 — шины СН
этот трансформатор соединяется с одной (или несколькими) системой сборных шин и через масляный выключатель.
Рис. 3.21. Типовая схема сельского питающего распределительного пункта Э де Ф 20/0,38 кВ:
1 — коммутационный аппарат СН (на предыдущем столбе); 2 разрядник; 3 — отделитель; 4 — трансформатор СН/НН; 5 — выключатель нагрузки НН; 6—— шины НН; 7 — предохранителе 8 — отходящие фидеры НН
Питающие пункты радиальных распределительных сетей. Радиальная распределительная сеть СН часто имеет большое число отходящих фидеров (линий), что приводит к параллельному соединению двух трансформаторов, взаимозаменяющих друг друга при аварии (по крайней мере, в течение ограниченного периода, когда допустима перегрузка оборудования, если авария произошла в часы пиковой нагрузки). Система сборных шин СН разделена на две секции шин с помощью выключателя. Схема позволяет регулировать напряжение с помощью отпаек на трансформаторах ВН/СН на каждой из двух групп отходящих фидеров СН (рис. 3.20).
Надежность пунктов СН/НН (называемых пунктами коммунального электроснабжения), сооружаемых более экономичным образом, соответствует надежности потребителей. В сельской зоне схема такого пункта (рис. 3.21) не имеет выключателей, авария на линии НН устраняется предохранителем, установленным в начале отходящего фидера НН, авария на трансформаторе (значительно более редкая) устраняется на пункте ВН/СН так же, как и авария на линии СН.
В городской зоне аварии регулярны, но более редки, а потребители, обслуживаемые одним и тем же питающим пунктом, более многочисленны и чувствительны к перерывам питания. При этом необходима замена выключателя нагрузки, расположенного между трансформатором и системой шин НН, масляным выключателем; кроме того, предохранители на отходящих фидерах также необходимо заменять масляными выключателями.
Рис. 3.22. Схема «потребительского пункта». Случай простого фидера, отходящего от воздушной линии СН:
1 — подходящая линия СН; 2— разрядник; 3 — указатель к. з.; 4 — предохранитель с большим предельным током отключения; 5 — трансформатор; 6 — трансформатор тока; 7 — счетчик, 8 — аппарат с видимым разрывом
Пункты потребителей СН. Эти пункты аналогичны пункту коммунального электропитания, но отличаются от него двумя признаками. Прежде всего сеть не должна быть восприимчивой ни к каким последствиям аварий в установке потребителя; это приводит к размещению масляного выключателя СН на линии, подходящей к пункту. Кроме того, пункт должен быть оборудован ячейкой с измерительной аппаратурой, недоступной для потребителя, но которую можно в случае необходимости включить для измерения потерь в трансформаторе ВН/НН.
Схема пункта представлена на рис. 3.22.
