Энергетические системы - Структура распределительных сельских сетей

Электрификация сельских населенных пунктов. В сельских зонах электрификация началась позднее всего. Она не оправдывает себя экономически, поскольку ее стоимость обратно пропорциональна плотности населения. Общая сельская электрификация стала возможной только при рассмотрении социальных аспектов (устранить слишком большое массовое бегство сельского населения в города и дать сельскому населению условия жизни, аналогичные условиям проживания городского населения: электробытовые приборы, телевизоры и т. д.) Во Франции электрификация сельских районов началась в основном в 30-е годы XX в., а закончилась только перед второй мировой войной. При этом имеется в виду только «электрификация площади», которая предоставила в распоряжение всех потребителей лишь малую мощность (соответствующую освещению). Далее необходимо попытаться обеспечить всех потребителей той мощностью, которая необходима в соответствии с обычаями современной жизни при условии все большего распространения электрооборудования и в то же время при хорошем качестве обслуживания.
Необходимость определения размеров сети приводит к новой дилемме: входящие в сети линии СН и НН и подстанции имеют жизненный цикл, равный 40 годам. По истечении 40 лет и при среднем темпе удвоения за каждые 10 лет (в настоящий момент эта цифра значительно превзойдена для сельских потребителей) обслуживаемые нагрузки возрастут в 16 раз. Структура сети, рассчитанная на настоящий момент, будет быстро устаревать, а прогнозы будущей пропускной способности этой сети будут слишком дорогими. Сеть, которая должна обслуживать в 16 раз большие нагрузки, не стоит в 16 раз дороже; для оценки можно применить так называемый закон «квадратного корня», т. е.

В заключение подчеркнем выгоду развивающихся структур, усиливаемых постепенно вместе с эволюцией нагрузок. Выбирая уровни возможных напряжений (например, напряжение 10, 15 или 20 кВ), предпочтительнее принимать напряжение, немного большее оптимального; поскольку оптимум напряжения является «плоским оптимумом», увеличение расходов будет при этом незначительным. Так подтверждается целесообразность стандартизации среднего напряжения.
Табл. 3.2 показывает значимость сельских сетей во Франции, а табл. 3.3 — степень электрификации в сельских районах, осуществленная в некоторых европейских странах и в США при ее изменении с 1958 по 1971 г.

Таблица 3.2. Распределительные сети Франции (на 1971 г.)

Таблица 3.3. Степень электрификации сельских районов

Сельские сети НН. В начальный период электрификации ограничивались сооружением одной подстанции СН/НН на группу сельско-хозяйственных предприятий (в деревне, на ферме и т. п.). От этой подстанции отходила сеть НН в виде трех или четырех фидеров (каждый из которых имел защиту в виде набора предохранителей); фидеры представляли собой воздушные линии достаточно малого сечения, уменьшающегося по мере удаления от подстанции (от 15 до 19 мм2). Длина линий НН зависела от расположения потребителей на рассматриваемой территории. Линии длиной от 1 до 2 км были самыми распространенными. И все же отдельные жилые поселения оставались неэлектрифицированными.
Наиболее распространенными во Франции было напряжение 110 В. Поэтому, несмотря на малую мощность обслуживаемых нагрузок, падение напряжения в линии было 'велико и никакими средствами регулирования не удавалось его уменьшить до приемлемого значения. В 50-х годах делались попытки уменьшить эти падения напряжения с помощью установки батарей конденсаторов в середине линии НН. Батареи, помещенные в защитный кожух, устанавливались на столбах и включались (или выключались) реле напряжения. Но этот способ оказался полумерой, позволившей лишь ненадолго отодвинуть решение проблемы усиления сети.

Рис. 3.25. Схема мачтового трансформатора и его вспомогательного оборудования:
I — подходящая линия СН; 2 -- роговой разрядник; Л — трансформатор закрытой установки СН/НН, помещенный в герметичный кожух; 4 — ящик НН с автоматическим выключателем НН, управляемый тепловым расцепителем; 5 — отходящий фидер НН

В настоящее время сети НН стали значительно короче благодаря увеличению количества подстанций СН/НН. Это увеличение было облегчено стандартизацией мачтовых трансформаторов, которые являются миниатюрными подстанциями (рис. 3.25), состоящими из:
трансформатора, помещенного в достаточно прочный для подвески на опоре и герметический кожух, способный выдержать внутреннее давление, возникающее вследствие нагрева;
ответвления (спуска) от линии СН, размыкающего аппарата (обычный выключатель), расположенного на одном из столбов; при этом один и тот же воздушный выключатель может управлять несколькими трансформаторами, установленными на рядом расположенных опорах (так называемое кустовое расположение);
устройства защиты против молнии (разрядник, установленный на линии);
упрощенного автоматического выключателя, управляемого биметаллической пластиной и устраняющего возможность аварий на трансформаторе вследствие его перегрева, например при повреждении на линии НН (такое повреждение нельзя обнаружить со стороны источника СН, поскольку аварийный ток ограничен сопротивлением трансформатора СН/НН).
Мачтовые трансформаторы широко применяются в Э де Ф соответственно условиям, существующим в сельских сетях Франции. Подобные же трансформаторы имеются в Италии и Англии (в последней защита линий СН и НН осуществляется предохранителями специального типа, заменяемыми с земли с помощью специальной штанги).
В зонах с большой плотностью населения устанавливаются трансформаторы СН/НН с большей единичной мощностью (превосходящей 100 кВ - А), которые слишком тяжелы для установки на опорах.
В настоящее время стараются ограничить длину отходящих линий НН (от подстанции СН/НН до наиболее удаленного потребителя) в пределах 300—500 м. Всеобщее распространение напряжения 220/380 В позволяет поддерживать наилучшее качество обслуживания.
Теперь все линии НН выполняются четырехпроводными; нейтральный провод имеет то же сечение, что и остальные провода. Устаревшая практика состояла в выборе меньшего сечения для нейтрального провода (в целях экономии), что являлось причиной значительных падений напряжений.
Структура сети, имеющейся в сельских жилых зонах, встречается и в маленьких городах, однако здесь номинальные мощности трансформаторов выше (100—400 кВ-А), так же как и сечения воздушных линий (200—48 мм2). Подстанции СН/НН располагаются при этом в кирпичных сооружениях (иногда достаточно углубленных в землю). Оборудование этих подстанций более полное, чем сельских подстанций СН/НН. В частности, выключатель нагрузки СН располагается впереди трансформатора, а число отходящих фидеров НН может быть более четырех.
В небольших городах и особенно в местах, имеющих туристическое назначение, сооружение распределительных сетей и специальных сетей НН затрагивает проблему сохранения окружающей среды. Этой проблеме долгие годы не уделялось должного внимания, поэтому окружающей среде были нанесены невосполнимые потери. В настоящее время для исправления положения принимаются различные решения.

Самое радикальное состоит в том, что линии НН сооружаются: только подземными. Это решение принято, например, в Нидерландах (на все уровни СН и НН, за исключением 400 кВ); оно широко распространено в Швеции, а также в пригородах городов США.
Однако во многих странах, в частности во Франции, административные постановления делают это решение дорогостоящим и потребовалось разработать менее дорогие способы электроснабжения. Так, во Франции осуществляется установка сетей «на фасадах», в этом случае кабели закрепляются в наименее видимых местах на домах.

Усиление сельских сетей НН.

Несмотря на распространение новых типов укороченных структур, постоянный рост нагрузок может привести к неприемлемым падениям напряжения. Экономические расчеты показывают, что в сельских сетях определяющим фактором усиления сетей является качество напряжения. Очевидно, что стоимость потерь в линиях НН значительна и должна быть введена в расчет годовых изменений состояния. Практика, однако, показала, что часто, следуя за изменениями падений напряжения, можно выбрать момент, когда усиление сети становится необходимым.
Для сетей напряжением 127/220 В переход к напряжению 220/380 В является наиболее эффективным средством усиления. Оно утрачивает обслуживаемую сетью мощность. Но стоимость этого средства усиления зависит главным образом от стоимости трансформации или от замены аппаратов, используемых потребителями. Итак, имеет смысл осуществлять изменение напряжения перед предстоящим увеличением потребления.
Расходы эти могут быть сдвинуты по времени и уменьшены подключением потребителей к междуфазовому напряжению, т. е. переводу их с напряжения 127 В на 220 В. У этих потребителей для обеспечения безопасности необходима установка чувствительного дифференциального автоматического выключателя.
В сетях 220/380 В единственным средством усиления является увеличение сечений существующих линий НН, подключение некоторых потребителей к новым линиям НН и особенно сооружение новых подстанций СН/НН. Последнее средство приводит к существенному уменьшению длины линии между наиболее удаленным потребителем и подстанцией и к сильному уменьшению падений напряжения. Оно требует сооружения новых магистралей в сети СН, что может быть предусмотрено заранее благодаря временному использованию на низком напряжении некоторых из магистралей (перед установкой нового трансформатора СН/НН).
Сельские сети НН различных стран. Структура сельских сетей в различных странах Европы приблизительно одинакова. Необходимо отметить, что во многих странах (ФРГ,  Швеция, СССР их. д.) напряжение 220/380 В было принято издавна. В некоторых странах существовали промежуточные напряжения, но они в настоящий момент исчезают (например, 160 В в центре Италии).
Тем не менее напряжение 220/380 В не унифицировано для всей Европы.

Рис. 3.26. Схема питания потребителей НН в США: 1 — первичная линия; 2 — трансформатор с встроенной экологической защитой; 3 — линии НН
Номинальными величинами являются 220—400 В во Франции, 230—400 В в ФРГ, 240—415 В в Англии.
В странах Европейского сообщества (за исключением Англии) был заключен договор о характеристиках трансформаторов СН/НН и, в частности, об их напряжении х.х, равном 230—400 В. В то же время существует небольшое различие между средними величинами напряжений, которые устанавливаются несколько большими в ФРГ по сравнению с Францией.
Но проблемой, находящейся в стадии изучения и наиболее трудно решаемой, является проблема унификации низкого напряжения в Англии.
Для нее с экономической точки зрения было бы полезным снизить значение напряжения, тогда как в других странах попытаться его повысить.
В США и Канаде (а также и в других странах, использующих американскую технику) структура сельских сетей НН отлична от таковой в европейских странах. Так, одиночные потребители или, во всяком случае, их маленькие группы питаются от однофазных трансформаторов СН/НН (см. далее сети СН в США). Сеть НН зачастую ограничивается подключением одного или двух потребителей (рис. 3.26). В жилых зонах техника остается той же; каждый трансформатор СН/НН питает 2,4, а иногда и 8 потребителей (рис. 3.27). При увеличении потребления число индивидуальных трансформаторов у потребителей приходится также увеличивать («сухие» трансформаторы с воздушным, а не масляным охлаждением), чтобы предотвратить возникновение пожара. И все же тенденция к переходу с воздушных сетей на кабельные (для уменьшения влияния на окружающую среду) приводит к несколько отличной структуре, При которой предпочтение отдается трансформаторам СН/НН (их число меньше, чем в первом случае; они размещаются под землей), обслуживающим несколько потребителей, распределенных вдоль кабельной петли НН.

Рис. 3.27. Структура однофазной линии с потребителями НН, обслуживающей жилую зону: 1 — однофазная линия СН (2,4—7,2 кВ); 2 — последний трансформатор СН/2Х120; 3 — грозозащитный трос; 4 — разрядник; 5 — предохранители; 6 — общая нейтраль; 7 — трансформатор 2,4/2X120 В; 8 — земля

Сельские сети СН.

Для любой сети СН при выборе структуры возникают три основные проблемы:
выбор между одним или двумя уровнями напряжения и определение величины этих напряжений;
выбор между структурами чисто радиальной сети или замкнутых петель между двумя или несколькими источниками;
выбор режима нейтрали.
Эти различные режимы не являются независимыми, особенно два последних, связанных между собой существованием проблемы защиты от повреждений в линии. И на тот, и на другой сильное влияние оказывают плотность обслуживаемых нагрузок (число подстанций СН/НН на 1 км2 и средняя единичная мощность этих подстанций). Ниже будет показано, как осуществляются эти выборы во Франции и в других странах.
В зонах с малой плотностью нагрузки оправдан выбор двух уровней напряжения, позволяющий питать подстанции СН/НН одной сетью СН с малым номинальным напряжением (от 5 до 10 кВ), хорошо приспособленным к малым нагрузкам. Этот выбор, однако, исключает применение длинных линий. При этом возможно некоторое перераспределение мощности между питающими сетями (63 или 90 кВ во Франции, 66 или 110 кВ в Европе). Число подстанций может быть при этом уменьшено.
Такие сети существовали в различных районах Франции (например, в Вандее, Майене и Высоком Провансе). Но в 1962 г. было решено стандартизировать для всех сетей СН Э де Ф одно напряжение — 20 кВ. Решение было вызвано увеличением к тому времени сельских нагрузок (и особенно их прогнозированием); считалось, что оптимальное напряжение сетей 20 кВ должно быть немного меньше 20 кВ, но оно достаточно быстро приблизилось к этой цифре.
Стандартизация была продолжением первого этапа, осуществленного в 1948 г. и позволившего объединить большое число уровней напряжений СН (по крайней мере, около 25), существовавших до национализации, в пять привилегированных уровней: 5,5; 10; 15; 20 и 30 кВ.
В плане 1962 г. было решено перейти с 15 на 20 кВ, не меняя при этом уровень изоляции оборудования, что позволило увеличить пропускную способность сетей в пропорции (20/15)2, т.е. получить выигрыш в 60%; при этом было заменено только изношенное оборудование.
В те времена возникал вопрос, не следует ли стандартизировать меньшее напряжение (например, 15 кВ, которое было наиболее распространено), с тем чтобы позднее перейти к более высокому напряжению (СН). В то время в США уже начало применяться напряжение 23— 25 кВ. Но условия, существовавшие во Франции (так же, как и в соседних странах), вынуждали принять- 30 кВ на будущее, с тем чтобы его подготовка могла иметь экономическую основу. Проблемы изоляции оборудования (автоматические выключатели, трансформаторы, кабель) показывают, что переход с 20 на 30 кВ мог бы быть оправдан только в том случае, если был бы достигнут прогресс в технике. Очевидно, что выбор уровня 20 кВ позволит ожидать правильную амортизацию оборудования, если будет гарантирован достаточно долгий срок его службы.
Выбор радиальной структуры для сетей СН Э де Ф и выбор заземления нейтрали СН через сопротивление были рассмотрены выше, поскольку они позволяют осуществить простую надежную и дающую приемлемое качество электроснабжения систему защиты (см. т. 2, § 4.2). Обнаружение повреждений осуществляется реле максимального тока. Выбор величины сопротивления, включаемого в нейтраль обмоток СН трансформаторов ВН/СН, питающих эти сети, производился таким образом', чтобы ток к. з. ограничивался 300 А, при этом его легко обнаружить; но электродинамические усилия в различных частях сети и напряжения, наводимые в близко расположенных к линиям СН телефонных сетях, были достаточно уменьшены.
Качество электроснабжения потребителей, обслуживаемых этими сетями СН, поддерживается на хорошем уровне посредством:
быстрого повторного включения, за которым следует медленное повторное включение (в случае отключенного короткого замыкания);
автоматического поиска короткого замыкания на землю;
выполнения работ под напряжением во избежание отключения напряжения;
установки параллельного автоматического выключателя СН на подстанциях, питающих особенно ответственных потребителей.
Питание сельских зон. Радиус действия линий СН ограничивается потерями в них, особенно потерями напряжения. Для получения приемлемого качества напряжения (с учетом возможностей регулирования, указанных в т. 1, § 6.4) необходимо ограничить радиус действия линий СН 20—30 км. Зона действия подстанций будет иметь в этом случае площадь, примерно равную площади круга радиусом 25 км. В сельских местностях в таких зонах потребляется в. часы пик несколько мегаватт или даже десятков мегаватт.
Каждая из этих зон может питаться от подстанции ВН/НН, присоединенной к питающей сети (напряжением 63 или 90 кВ в зависимости от района расположения во Франции) и оборудованной одним или двумя трансформаторами единичной мощности от 5 до 20 MB - А. Эти подстанции могут иметь простую структуру, состоящую из одинарной системы сборных шин (часто разделяемой на две подсистемы шин), к которой присоединяются выкатные ячейки (см. рис. 3.20).
Подстанции меньшей мощности. оборудованы трансформатором мощностью 5 MB-А (или 7,5 MB-А в зонах с напряжением 90 кВ); при большей мощности подстанций устанавливают два трансформатора такой мощности, что при аварии на одном из них другой берет на себя его нагрузку (работая в режиме перегрузки), по крайней мере на период, необходимый для переключения части сети СН на соседнюю подстанцию.
Наличие двух (или более) трансформаторов позволяет осуществлять более гибкое независимое регулирование напряжения на каждом из этих трансформаторов, группируя нагрузки с аналогичными характеристиками (нагрузки маленького населенного пункта и нагрузку отходящих «сельских» фидеров).
Неоднократно предпринимались попытки максимальной автоматизации подстанций ВН/СН с целью уменьшения количества персонала во время дневного дежурства. Необходимость в переключениях, которые не могут быть осуществлены автоматами, вызывает необходимость телеуправления с соседней подстанции или с диспетчерского районного пункта. В последующие годы наблюдалось широкое распространение телеуправления на этих подстанциях. При этом объединяются подстанции вокруг главной (управляющей) подстанции, откуда производится контроль и телеуправление за этими (около десяти) подстанциями. Принимая во внимание стоимость необходимой аппаратуры, можно предположить, что при современном состоянии техники телеуправление не может получить широкого распространения и всякое переключение в сети, необходимое для ограничения зоны, подвергнувшейся аварии на линии, требует вмешательства бригад для переключений на воздушных выключателях или выключателях подстанций СН/НН.
Сельские сети СН различных стран. Характеристики сельских нагрузок различны для разных стран, что обусловлено различием в структурах их сельских сетей СН (более четкое, чем сетей НН).
Так, в сельских сетях некоторых стран имелось два уровня напряжений, в частности в Великобритании, где сети 11 кВ питаются главным образом от сетей 33 кВ (практически не имеется подстанций 33 кВ/НН); линии -11 кВ просто изолировать, что ощутимо в стране, подверженной воздействию морской влаги. Сельские сети СССР используют уровни напряжений 1Q и 35 кВ, что вне всякого сомнения явилось результатом исторического развития; уровень 10 кВ был распространен с тех пор, как появились первые распределительные сети (как, например, в Германии), промежуточный уровень между 10 кВ и передающей сетью 110 кВ стал необходимым в связи с ростом передаваемых мощностей. В большинстве других европейских сетей имеется только один уровень СН в зависимости от страны: 10, 15 или 20 кВ (20 кВ в сетях Германии и скандинавских стран).
В европейских сетях СН наиболее распространена радиальная структура. Некоторые из них, например в Германии, закольцованы. В этих сетях питание осуществляется параллельно от двух или трех (и более) подстанций ВН/СН. При аварии на стороне ВН (в общем случае напряжением 60 кВ) необходимо устранить «возврат мощности» сетью СН, которая продолжает получать питание от одной или нескольких подстанций; это достигается с помощью реле обратной мощности (рис. 3.28).
И наконец, если рассматривается режим нейтрали, возможны четыре решения (см. т. 2, § 4.2): использование сетей с изолированной нейтралью; нейтралью с реактивной заземляющей катушкой; нейтралью, заземленной через сопротивление; нейтралью, непосредственно соединенной с землей.
Сети с изолированной нейтралью встречаются в некоторых малопротяженных сетях с относительно низким средним напряжением (т. е. в малонаселенных сельских зонах), а также в некоторых частях Италии.

Сети  с нейтралью, непосредственно соединенной с землей, также мало распространены, исключение составляет Англия. Альтернатива состоит в сравнении достоинств сетей с дугогасящей катушкой (общее решение для ФРГ) и сетей с заземленной через сопротивление нейтралью (как, например, во Франции). Сравнение осуществить трудно, поскольку невозможно получить сравнимые статистические данные. Основное сравнение касается поведения этих сетей при самоустраняющемся отказе, а также при отключенном коротком замыкании. Но в сетях с дугогасящей катушкой эти отказы исчезают, прежде чем удается их обнаружить (даже если они были причиной опасного для оборудования перенапряжения). Два основных недостатка сетей с дугогасящими катушками — почти абсолютная невозможность переключения части сети СН с одной подстанции на другую (катушки при этом должны быть расстроены) и необходимость периодической настройки дугогасящей катушки (и даже ее замены).

Рис. 3.28. Принципиальная схема сложнозамкнутой сети СН:
ВН (60-110 кВ);    СН (10-20 кВ); 1 — масляные выключатели; 2 — автоматы обратной мощности; 3 — контакты выключателей; 4 — отходящие линии (меньшего сечения, чем сечение у магистральных линий)
Сельские и городские сети США имеют структуру, весьма отличную от структур европейских сетей. Они в основном все радиальные, но если отходящие от подстанций фидеры трехфазные, то магистральные линии имеют уменьшенное число фаз (в начале линии —три, в конце —даже одна фаза), что обязывает иметь нейтраль у всех линий (рис. 3.29). Трансформаторы СН/НН однофазные (включены между фазой и нейтралью) с предохранителями на зажимах СН, встроенным автоматическим выключателем (помещенным в масло трансформатора) со стороны НН и грозоразрядниками со стороны СН и НН (см. рис. 3.26).
Отходящие линии СН от подстанций ВН и СН содержат регуляторы напряжения (индуктивного типа); часто случается так, что в длинных линиях СН помещают и другие регуляторы напряжения. Имеются также и батареи конденсаторов (одна, две или три однофазных батареи), размещенные на некоторых опорах и соединенные с линией СН; их защита осуществляется предохранителями.

Рис. 3.29. Сеть 13,2 кВ, обслуживающая жилую зону с малой плотностью населения на севере от Далласа:
• питающая подстанция; == 4-проводная трехфазная
линия;   двухфазное ответвление; однофазное ответвление
Уровни используемых в США напряжений зависят от районов размещения линий. Исторически очень распространена была и все еще существует сеть напряжением 4 кВ, что приводит к дополнительному использованию другого уровня напряжения (12,8 или 13,5 кВ, 18 или 23,33 кВ и т. д.). Но все более проявляет себя следующая тенденция:
исчезает уровень с меньшим напряжением, трансформаторы СН/НН выполняются с обмоткой СН (однофазной) с напряжением
13/v3 или 23/v3 кВ;
ограниченно используется напряжение 4 кВ в местных распределительных сетях для питания индивидуальных трансформаторов потребителей (низкое напряжение ограничивается применением во внутренних установках).
До 60-х годов американские сети СН были воздушными, использующими преимущество деревянных столбов, а также их хорошую изоляцию при средних напряжениях. При этом они могут иметь габариты, позволяющие нести несколько линий СН (а часто еще и линии НН, и линии телефонной связи).
В зонах с живой застройкой под давлением населения, озабоченного сохранением окружающей среды, воздушные сети СН были заменены кабельными, причем прокладка этих кабелей упрощена, поскольку по американским правилам она может быть осуществлена на меньшей глубине, чем в европейских странах. Общая схема сетей в этом случае не меняется, как об этом можно судить из сравнения схем, приведенных на рис. 3.30 и 3.29.
В развивающихся странах на стадии электрификации сельских районов возникают те же самые проблемы, что и в Европе. Но развитие техники приводит к несколько различным решениям. В частности, при выборе среднего напряжения переходят от 11 к 20 кВ (в то время как в Европе были сильно развиты сети напряжением 3, 5, 6 или 10 кВ). На практике выбор напряжения сильно зависит от взглядов экспертов, к консультации которых прибегают: эксперты, как правило, рекомендуют то напряжение, которое используется в их странах.