Специфика сетей. Городские центры и большие населенные пункты характеризуются главным образом;
большой концентрацией нагрузок (большими плотностью и единичными мощностями);
относительно медленным ростом этих нагрузок во времени (приблизительно вдвое меньшим в центре городов, чем в сельских зонах или зонах с жилой застройкой, т. е. 4—6% вместо 9—13% в год); эти цифры характерны для Франции 1970 г.;
большими трудностями в размещении нагрузок и распределительных сетей.
Характеристики эти меняются в зависимости от зон даже внутри одного и того же населенного пункта; зависят они и от различной природы нагрузок.
Рис, 3.30. Кабельная распределительная сеть в жилой зоне США:
ПП — питающая подстанция; ЖЗ — жилая зона; основная 4 - проводная трехфазная (кабельная или воздушная) магистральная линия СН; — — кабельное двухфазное ответвление НН; однофазный кабель СН, проложенный в земле; ■ расположенные под землей однофазные трансформаторы СН/НН
В центрах городов распределительные сети питают нагрузки торговых предприятий и жилых домов, т. е. множество потребительских приборов малой мощности (осветительные лампы, бытовые приборы) или потребителей средней мощности (лифты, электрическое отопление и т. д.). Существование зданий повышенной этажности приводит к значительным плотностям нагрузок порядка 10—40 МВт/км2 в Париже (1970) и 100—500 МВт/км2 в Нью-Йорке (район Манхаттена).
В периферийных зонах городов нагрузки более разнообразны и зависят от природы потребителей: в зонах с промышленной нагрузкой имеются значительные сконцентрированные единичные мощности, в зонах жилой застройки плотности нагрузок меньше, но требуется поставка электроэнергии высокого качества.
Специфика городских сетей проявляется на всех уровнях напряжений, начиная с низкого и кончая сверхвысоким для линий и питающих подстанций.
Сети НН. Эти сети прокладываются в виде подземных кабелей под тротуарами с обеих сторон улиц. На перекрестках улиц располагаются соединительные коробки с предохранителями, позволяющими при необходимости изменить структуру сетей (например, при аварии кабеля). В некоторых городах (и в пригородах Парижа) еще существуют сети, проложенные по крышам домов; в настоящее время их заменяют при реконструкции городов.
Рис. 3.31. Схема «стояка» в подъезде дома;
1 — автомат защиты потребителя; 2 — предохранители потребителей; 3 — предохранители в начале стояка; 4 — кабель, проложенный под тротуаром;5 — распределительная коробка
Длины линий НН между потребителем и подстанцией относительно малы, но каждая подстанция питает несколько отходящих линий. Раньше их защита осуществлялась только предохранителями (как и в сельских зонах), но в настоящее время предохранители в основном заменяются компактными выключателями НН.
В большинстве городов Франции сети имеют радиальную структуру, которая может быть превращена в замкнутую. При аварии кабеля некоторые части сети могут быть переключены с одной подстанции на другую, причем часто без перерыва питания (мгновенное включение на параллельную работу двух трансформаторов). На входе в каждое жилое здание расположена соединительная коробка с предохранителем. Многоэтажные жилые здания имеют «стояк», расположенный на лестничной клетке; к нему на каждом этаже подключаются потребители (рис. 3.31). Стояк является слабым местом сети, поскольку в старых зданиях он может передавать только незначительную мощность, а ее увеличение требует его замены, что является дорогостоящей операцией.
Все больше распространяется тенденция устанавливать в каждое здание по трансформатору. В этом случае сеть НН имеет стояки (по одному на каждую лестничную клетку), которые присоединяются к питающему пункту. Часто щиты НН соседних подстанций соединяются низковольтным кабелем (не замкнутым в нормальном режиме), который позволяет оказывать им взаимопомощь при аварии на трансформаторе (или на его питающем кабеле СН).
Сети НН Парижа, имевшие ранее различные структуры в разных кварталах, заменяются теперь разветвленной сетью.
В многоэтажных зданиях распределение электроэнергии только на низком напряжении затруднительно главным образом из-за сечения проводов, которое необходимо выбирать при вводе кабелей в дом. Стояки разбиваются на несколько участков, питающихся от трансформаторов, установленных на некоторых этажах. Так, в некоторых домах-башнях квартала Дефанс трансформаторы установлены на двух или трех уровнях, каждый из них обслуживает часть здания, при этом предусматривается связь между ними кабелями НН при возникновении аварийных ситуаций (рис. 3.32). В США стремятся увеличить число поэтажных трансформаторов («сухих» трансформаторов) (рис. 3.33), а зачастую даже для всего здания сооружают разветвленную сеть типа «spotnetwork».
Сети СН. Двумя основными проблемами для этих сетей являются выбор напряжения и выбор структуры сети.
Рис. 3.32. Схема питания дома-башни:
1 — питание вспомогательных механизмов (лифты, вентиляторы и т. д.); 2 — трансформаторы 20/0,38 кВ, установленные на этажах (предусмотрено резервирование питания в случае аварии); 3 — стояки 380/220 В и ответвления от них; 4 — кабель 20кВ; 5 — двойная линия 20 кВ
Выбор напряжения. Эти сети в основном подземные, а линии, отходящие от подстанций ВН/СН, короткие, поэтому их оптимальное напряжение значительно ниже, чем напряжение сельских сетей. Этим объясняется весьма распространенный выбор напряжений 5,6 или 10 кВ ; указанные величины не меняются, поскольку изменение напряжения подземной сети является весьма сложным делом по сравнению с воздушной сетью.
Рис. 3.33. Схема питания «небоскреба» (33-этажная гостиница в Чикаго)
1 — разрядники; 2 — трансформаторы, установленные на 33-м этаже; 3 — заземляющий контур здания; 4 — южный стояк; 5 — северный стояк; 6 — подвал
Каждые три этажа получают питание от двух трансформаторов 167 кВ ; А,12/0,12 кВ Электропитание отопления, освещения осуществляется от трансформаторов, установленных в подвале, а лифтов и кухни ресторана— от трансформаторов, установленных на 33-м этаже Имеются два стояка (северный и южный), составленные 4-проводными трехфазными линиями напряжением 12 кВ. Обращается внимание на многочисленные разрядники, а также на разнообразие низких напряжений (240/120,208/120,830/480 В)
Кабели напряжением 6 или 10 кВ легко изолировать, но они могут иметь ограничения по сечению до такой величины, при которой возможны переключения. В частности, имеется возможность придавать им достаточный, изгиб, не разрушая их при этом, при прокладке в траншеях. Плотность тока, проходящего в них, ограничивается условиями нагрева; передаваемая каждым кабелем мощность также лимитирована.
Непрерывный рост передаваемых мощностей требует увеличения числа кабелей, выходящих из одной и той же подстанции СН/НН. Однако и здесь имеется ограничение, поскольку близко расположенные кабели хуже охлаждаются.
Выбор достаточно высокого уровня среднего напряжения возникает также и для подземных сетей, а польза от стандартизации на уровне страны приводит к принятию напряжения 20 кВ как для городских, так и для сельских сетей. В соседних с Францией странах напряжение 20 кВ широко распространено, хотя некоторые городские сети продолжают работать при напряжении 10 или 11 кВ. Возможен также перевод сетей 6 на 10 кВ при одновременном сохранении тех же самых кабелей.
Выбор топологической структуры.
Проблема выбора структуры имеет важное значение для городских сетей, поскольку она предопределяет условия непрерывности электроснабжения электроэнергией потребителей. Структура сельских сетей, выполняемая в виде «простого дерева», позволяет делать только частичные переносы нагрузок с одной линии на другую и, как правило, вручную, а следовательно, достаточно медленно. В городских сетях переносы нагрузок должны осуществляться автоматически.
Имеется два варианта получения структур этих сетей, базирующихся:
на структуре радиальных сетей, в которых возможен автоматический ввод резерва при аварии;
на разветвленной структуре.
Разветвленная структура мало используется в Европе; сети НН не- разветвленные, поскольку при аварии в сети СН или НН нельзя контролировать перетоки мощности и могут появиться опасные перегрузки в некоторых точках сети, если она не разбита на составные части.
Два фактора обусловливают выбор той или иной структуры радиальных сетей НН:
наличие вспомогательного источника (питания) при перерыве нормального питания (аварии в линии ВН, на трансформаторе ВН/СН или даже на отходящей линии СН); с этой точки зрения можно разделить структуры СН на три категории в зависимости от того, каким образом линии получают питание в случае аварии:
или в конце линии, но от одной и той же подстанции ВН/СН;
или в конце линии, но от соседней подстанции;
или по параллельной линии (отходящей от той же самой подстанции);
возможность разделения структуры на более мелкие части.
Рис. 3.35. Схема петлевой сети, питающейся от одной системы сборных шин
Рис. 3.34. Схема петлевой сети, питающейся от одной подстанции А:
□ выключатели на отходящей линии (один — замкнут, другой -разомкнут); О транзитные подстанции; • тупиковые подстанции
На схеме представлены сборные шины питающей подстанции, но только частью, относящейся к отходящим линиям. Обозначения те же, что и на рис. 3.34
Замкнутые сети. В этих сетях каждая линия может питаться двумя своими концами от одной и той же подстанции. Следовательно, должна быть достаточно надежна работа этой подстанции [питание ее от двухцепной линии ВН или от двух трансформаторов ВН (СН)]. При аварии на каком-либо участке линии достаточно его отключить (или автоматически, или с помощью выключателя, или после снятия напряжения с помощью отделителя), при этом оставшаяся часть линии остается под напряжением, получая питание от одного конца. Возможны несколько вариантов схем замкнутых, сетей, перечислим три из них:
схема в виде «лепестков цветка» (рис. 3.34), в которой петли, находясь рядом друг с другом, располагаются вокруг питающей подстанции; эта схема бесперспективна;
схема в виде «колоса» (рис. 3.35), образованная расположенными' одна внутри другой петлями различной длины, усиление такой сети производится легче, чем усиление предыдущей сети, но требует прокладки кабелей для образования колосьев вокруг новой подстанции (можно получать выгоду от «сужений» колоса), усиление осуществляют увеличением числа колосьев, не сооружая при этом новой подстанции;
схема с разомкнутой петлей (рис. 3.36), в которой петли образуются независимо от питающей подстанции и связаны с нею через фидер; такие схемы приняты, например, в Лионе и Милане. Между соседними петлями предусматриваются вспомогательные связи на случай аварии.
Рис. 3.36. Схема разомкнутой петлевой сети (схема Лиона):
• питающая подстанция; □ выключатели на отходящих линиях; О переключательные пункты с разомкнутой петлей;
• переключательные пункты с замкнутой петлей и тупиковые подстанции; дополнительные ветви, предусматривающие усиление сети
Они осуществляются таким образом, чтобы питать петлю при аварии на фидере; развитие таких сетей осуществляется делением петель на две части (можно использовать «узкие места» петель или присоединений подстанций для ограничения длин прокладываемых кабелей). Однако это требует прокладки нового фидера. Схема с разомкнутой петлей, достаточно гибкая и надежная в работе, хорошо приспосабливается к конфигурации отдельных городов.
Петлевые сети.
В сетях этого типа подстанций ВН/НН присоединяются к основным магистралям, идущим от одной подстанции ВН/СН к соседней подстанции ВН/СН и т. д. Различают два варианта таких сетей в зависимости от расположения выключателя (разомкнутого при нормальной работе), обеспечивающего питание от соседней подстанции при аварии на подстанции или в середине магистральной линии.
Первый тип сети (рис. 3.37) состоит из основных магистральных линий, идущих различными путями от одной из подстанций к какой- либо соседней с ней подстанции. При перерыве в питании (аварии на. трансформаторе или линии ВН) нагрузки автоматически переключаются на соседние станции, трансформаторы которых должны иметь рассчитанную на это номинальную мощность. Если авария произошла на магистрали, то магистраль может быть разделена на отдельные участки, питаемые с одного из своих концов. Эта операция, осуществляемая вручную, постепенно автоматизируется благодаря централизованному управлению сетями СН. Возможны также переносы нагрузок с одной магистрали на другую. Развитие таких сетей осуществляется:
добавлением новых магистралей (между уже существующими);
сооружением новых подстанций в местах, запланированных заранее, где плотность нагрузок и кабелей велика и где достаточно проложить кабели небольшой длины для присоединения новой подстанции. Новая сеть Парижа — именно этого типа; она будет детально описана ниже; кроме того, будет показано также, каким образом обеспечивается непрерывность электроснабжения потребителей.
Рис. 3.38. Принципиальная схема петлевой сети, питающаяся от двух различных источников Выключатели в середине линий разомкнуты в нормальном режиме
Рис. 3.37. Принципиальная схема петлевой сети с ответвлениями. На схеме представлено семь линий, питающихся от трех подстанций ВН/СН — А, В и С. Подстанции СН/НН представлены только на нижней линии: 
Второй тип сети отличается от предыдущего наличием выключателя, разомкнутого при нормальной работе, в середине каждой линии; каждый из участков такой линии получает питание от разных подстанций (рис. 3.38). Этот тип сетей применяется, в частности, в подземных сетях жилых зон США.
Сети, содержащие параллельные линии. В предыдущих схемах подстанции СН/НН размещались или в разрыве магистрали, или на их концах; некоторые аварии на магистрали приводили к довольно длительному отключению потребителей. Можно устранить такие отключения, снабжая подстанции СН/НН электроэнергией по двухцепным линиям; автоматическое устройство переключает их с одной линии на другую при аварии на первой из них. Но непрерывность электроснабжения будет улучшена лишь в том случае, если эти линии будут питаться от различных источников. Следовательно, основная линия должна состоять из нескольких проложенных рядом кабелей. При этом образуется схема с простой структурой, которая может быть постепенно усилена, что делает ее экономичной. Такие сети приняты в ряде городов Франции.
На рис. 3.39 приведена схема рассматриваемой сети, в которой некоторое число питающих линий выходит из подстанции ВН/СН; каждая из них состоит из нескольких проложенных рядом кабелей. В начальной стадии линия образована двумя кабелями, проложенными на некоторое расстояние; подстанции СН/ВН получают двойное питание от этих кабелей; на большом удалении от подстанции ВН/СН плотность нагрузок уменьшается, однако качество электроснабжения становится несколько хуже, что приводит к мысли о питании подстанции СН/ВН по одноцепным линиям.
Усиление таких сетей осуществляется:
удлинением коротких кабелей линий, что позволяет питать большое число подстанций СН/НН по двухцепным линиям;
прокладкой дополнительных кабелей вдоль существующих линий для устранения перегрузки кабелей; подстанции СН/НН распределяются вдоль питающих магистралей так, чтобы наилучшим образом уравновесить нагрузки.
Рис. 3.40. Принципиальная схема питания большого населенного пункта:
Ряс. 3.39. Схема многолучевой сети с резервированными ответвлениями:
О подстанции СН/НН; существующие
.кабельные линии.; — кабели, проложенные для усиления сети
Дополнительным преимуществом сетей такого типа является использование кабелей СН единого сечения, что облегчает их хранение, и позволяет иметь запас на случай аварии. Сооружение новых подстанций в рассматриваемых сетях менее подготовлено, чем в сетях описанных выше типов, поэтому эти сети используются в средних городах и развивающихся зонах, где новые подстанции ВН/СН располагаются на периферии.
Питание крупных населенных пунктов. Высокое качество электроснабжения, необходимое в городских сетях, требует, чтобы источники были расположены ближе к нагрузкам. Это условие выполнялось во всех крупных городах в начале XX в.; однако решение проблем загрязнения окружающей среды, охлаждения и вообще защиты окружающей среды заставило перевести эти станции на периферию городов и даже дальше; кстати, поиск надежной работы различных источников привел к использованию не только городских ТЭС, но и удаленных станций ГЭС.
В больших городах ТЭС сохранились в периферийных кварталах или пригородах (Витри и Женвилье — в Париже, Бэнксайд — в Лондоне и т. д.), а в таких городах, как Нью-Йорк, даже в центре города.
Только ТЭС недостаточно для обеспечения надежного электроснабжения, требуется (по крайней мере, во всех европейских странах) сеть СВН. Типовая схема включает в себя (рис. 3.40):
— контуры (одиночные или состоящие из нескольких параллельных линий) СВН (в Европе, например, это 400 кВ), сооруженные вокруг города; к ним присоединено некоторое число понижающих подстанций (до 220, 138 или 110 кВ в зависимости от стран);
воздушные линии, отходящие от подстанций (требующие для себя коридоры), а затем подземные кабели, идущие в глубину города и образующие (или устремляющиеся к центру) радиусы (Париж) или контуры (Лондон).
Местные ТЭС работают или на линии, идущие в глубину города, или преимущественно на контур СВН. В этом контуре мощность к. з. достигает значительных величин (порядка 20 000 MB • А на петле 400 кВ в Париже).
Следовательно, необходимо принимать особые меры для ограничения этой мощности, главным образом на уровнях более низкого напряжения:
выбирать трансформаторы с большим сопротивлением рассеяния;
делить сети НН на участки, связанные между собой только уровнем более высокого напряжения (т. е. через питающие трансформаторы) или имеющие одно и то же напряжение, но соединенные через ограничивающие индуктивности для токов к. з.
Промежуточная сеть (питающая) между контуром СВН и распределительными сетями может содержать несколько уровней напряжения (например, от 220 до 60 кВ). Но величина мощностей, которые необходимо передавать в центр города, обусловливает применение сетей 220 кВ (подземных кабелей). Кабели питают подстанции 220 кВ/СН, на которых можно устанавливать малогабаритное оборудование. Это предполагает:
выбор подстанций с простой структурой (см. подстанции 220/20 кВ в Париже), аварийное питание которых осуществляется путем переключения на соседние подстанции;
использование герметичного оборудования (с элегазовой изоляцией, например).
В различных городах Франции до сих пор существует поддиапазон питающих сетей напряжением 30 или 63 кВ, которые постепенно исчезают (быстрее — сети 30 кВ, медленнее — 63 кВ). В европейских странах (ФРГ, Центральной Европы), где используется главным образом напряжение 110 кВ, на этом напряжении передается вся необходимая для питания центра города мощность.
