I. ГЛАВНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ
1. общие сведения
Главные схемы электрических соединений станций и подстанций представляют собой совокупность электрического оборудования (генераторов,, силовых и измерительных трансформаторов, сборных шин, коммутационных аппаратов и т. д.), определенным образом соединенного между собой для совместной работы. Эту физическую реальность часто изображают в виде чертежа, на котором в упрощенном изображении с помощью символов показывают элементы электрооборудования, соединенные в том порядке, какой имеет место в натуре. Такие чертежи, графически отражающие структуру и взаимосвязь электрических элементов, называют также главными схемами. В качестве примера на рис. 1 показана главная схема тепловой электрической станции с восемью блоками по 300 МВт
Схемами в графическом виде удобно пользоваться при рассмотрении многих практических вопросов эксплуатации станций и подстанций, в том числе и при ликвидации аварий.
Существует большое разнообразие главных схем, которое обосновывается типом станции или подстанции (станции: конденсационные КЭС, теплофикационные ТЭЦ, атомные АЭС, гидравлические ГЭС; подстанции: узловые, проходные, по упрощенным схемам), местоположением их в энергосистеме и значением для энергосистемы, режимом и схемой энергосистемы в целом и особенно значением токов короткого замыкания (к. з.) в данной точке энергосистемы, характером местной нагрузки и категорийностью потребителей по степени надежности электроснабжения, ущербом от возможных нарушений в электроснабжении потребителей, необходимостью вывода в ремонт оборудования и многими другими факторами.
Рис. 1. Главная схема тепловой электрической станции с восемью блоками по 300 МВт, четырьмя отходящими линиями 220 кВ и четырьмя отходящими линиями 500 кВ:
1 — турбогенератор; 2 — трансформатор собственных нужд; 3 — трансформатор; 4 — разъединители обходной системы шин; 5 — трансформаторные разъединители; 6 — выключатель; 7 — шиносоединительный выключатель; 8 — шинные разъединители шиносоедннительного выключателя; 9 — то же блока генератор — трансформатор; 10 — линия 220 кВ; 11 — обходная система шин ОСШ; 12 — обходной выключатель; 13 — выключатель линии; 14 — система сборных шин 220 кВ; 15 — то же 500 кВ; 16 — линия 500 кВ; 17 — автотрансформатор связи РУ 220 и 500 кВ
Все эти факторы учитываются на стадии проектирования главных схем. Принимается также во внимание перспектива развития главной схемы и расширение проектируемой электроустановки на ближайшие 5— 10 лет. Каждая главная схема анализируется с привлечением методов математической статистики и теории вероятностей, при этом обычно намечается и рассматривается несколько вариантов главной схемы, лучший из которых выбирается в результате сравнения по основным показателям надежности и экономичности.
Исходя из сказанного, можно утверждать, что при большом разнообразии исходных данных и требований не может быть универсальных схем, одинаково пригодных для любых условий.
Структуры главных схем. В состав каждой главной схемы станции или подстанции обычно входит несколько распределительных устройств (РУ) разных стандартных ступеней напряжения. Между РУ имеются трансформаторные или автотрансформаторные связи. На станциях вырабатываемая генераторами электрическая энергия поступает на сборные шины РУ, а в случае блочных установок она выдается непосредственно в сеть энергосистемы. На подстанциях электрическая энергия принимается из энергосистемы, как правило, на шины РУ высшего напряжения (ВН), трансформируется и распределяется между потребителями в РУ низшего напряжения (НН), а также в ряде случаев передается на шины РУ среднего напряжения (СН).
Такова в общем виде структура главных схем станций и подстанций. Имеются, однако, и особенности, характерные для станций и подстанций определенного типа и мощности.
Теплофикационные станции (ТЭЦ), структурные схемы которых показаны на рис. 2, обычно размещаются в центрах потребления тепловой и электрической энергии. Связь с энергосистемой осуществляется воздушными и кабельными линиями 110 — 220 кВ. Распределение электрической энергии, выработанной ТЭЦ, или ее значительной части производится на генеральном напряжении 6—10 кВ. Для этого на ТЭЦ предусматриваются главные распределительные устройства ГРУ НН, к сборным шинам которых присоединяются генераторы, трансформаторы связи с энергосистемой, линии потребителей электрической энергии (рис. 2). Трансформаторы связи обычно работают в реверсивном режиме, передавая в сеть энергосистемы избыток генерируемой мощности или, наоборот, принимая мощность от энергосистемы при ее дефиците на шинах генераторного напряжения.
При установке на ТЭЦ турбогенераторов мощностью 100 — 250 МВт они присоединяются обычно к шинам ВН по блочной схеме генератор-трансформатор (рис. 2, б).
Типовыми схемами ГРУ, получившими преимущественное распространение, являются схемы с одной секционированной (по числу генераторов) системой сборных шин, с двумя системами сборных шин и одним выключателем на цепь и многие другие схемы, рассмотренные в § 2.
Рис. 2. Структурные схемы ТЭЦ:
а — связь с энергосистемой на стороне ВН; б —то же на стороне ВН и СН; 1 — линия потребителей электрической энергии; 2 — блок генератор — трансформатор (автотрансформатор); 3 — трансформатор связи; 4 — линия связи с энергосистемой
Конденсационные станции (КЭС) (исторически получившие наименование государственных районных электрических станций ГРЭС) выработанную электрическую энергию выдают в сеть энергосистемы на повышенном напряжении.
Рис. 3. Структурные схемы КЭС:
а — связь с энергосистемой на стороне ВН; б — то же на стороне ВН и СН; 1 — блок генератор — трансформатор — линия; 2 — блок генератор — трансформатор; 3 — автотрансформатор связи РУ ВН и РУ СН; 4 —линии связи с энергосистемой
Особенность структурных схем КЭС (рис. 3) состоит в том, что они не имеют ГРУ. Схемы выполняются по блочному принципу с питанием собственных нужд (с. н.) от ответвлений на генераторном напряжении (на рис. 3 не показано).
Учитывая значимость и ответственную роль КЭС в энергосистемах, к схемам РУ КЭС предъявляются требования высокой надежности. Основными видами схем РУ являются схемы: с двумя основными и третьей обходной системой шин; с полутора выключателями на цепь; с двумя системами сборных шин и двумя выключателями на цепь; четырехугольников, объединенных двумя перемычками с выключателями в них; построенные по блочному принципу и др.
Атомные электростанции (АЭС) работают как конденсационные, и их схемы во многом подобны схемам КЭС. Всю вырабатываемую ими электрическую энергию, за исключением потребляемой на собственные нужды, они выдают в сеть повышенного напряжения. В РУ применяются схемы высокой надежности.
Гидравлические станции (ГЭС) всю вырабатываемую электрическую энергию, за вычетом потребляемой на с. н., выдают в сеть повышенного напряжения энергосистемы, что определяет собой построение главных схем по блочному принципу.
Получили распространение укрупненные блоки с включением нескольких генераторов на один простой трансформатор связи с энергосистемой или трансформатор с расщепленными обмотками. На стороне повышенного напряжения нередко применяются упрощенные схемы с уменьшенным числом выключателей, обладающие в то же время достаточной надежностью и гибкостью.
Понижающие подстанции размещаются в центрах нагрузок. По местоположению и роли в энергосистемах подстанции, как уже отмечалось, делят на три типа [4]: узловые — это мощные коммутационные узлы энергосистем с тремя-четырьмя ступенями стандартных напряжений, на них связываются сети различных уровней напряжений энергосистемы, от них питается также нагрузка; проходные (транзитные) подстанции — с относительно небольшим числом транзитных линий и выключателей в схемах; по упрощенным схемам (в большинстве случаев без выключателей на стороне ВН). К этому типу подстанций относятся также тупиковые, ответвительные и даже проходные подстанции небольшой мощности.
На подстанциях всех типов, как правило, устанавливается не менее двух трансформаторов. Лишь тупиковые и ответвительные подстанции иногда выполняются одно трансформаторными. Структурные схемы подстанций показаны на рис. 4.
Наиболее высокие требования по надежности предъявляются к узловым подстанциям, так как авария на такой подстанции может на длительное время нарушить электроснабжение больших районов нагрузки, а при развитии может привести к системной аварии. Поэтому на мощных узловых подстанциях 220 — 750 кВ применяются схемы РУ высокой надежности: многоугольников, с полутора выключателями на цепь и др.
На проходных подстанциях 110 кВ применяются следующие схемы РУ: с одной секционированной системой сборных шин и обходной системой, с двумя системами сборных шин и обходной системой с одним выключателем на цепь, мостиков с выключателем в цепи перемычки и др.
Рис. 4. Структурные схемы подстанций:
а —выдача электрической энергии на стороне НН; б —то же на стороне НН и СН; 1 — линия потребителей электрической энергии на стороне НН; 2 — то же на стороне СН; 3 — трансформатор; 4 — линия, связывающая подстанцию с энергосистемой (питающая линия)
В энергосистемах эксплуатируется большое число подстанций, выполненных по упрощенным схемам на отделителях, снабженных специальными устройствами, благодаря которым автоматически восстанавливаются схемы электроснабжения потребителей при отключении релейной защитой одной из питающих линий. Оперативные свойства подстанций с упрощенными схемами рассмотрены в § 2.
Требования к главным схемам.
Если говорить о главных схемах только с точки зрения безаварийной работы и ликвидации возможных аварий, то основные требования, предъявляемые к ним, можно сформулировать следующим образом.
Главные схемы должны обеспечивать бесперебойность электроснабжения потребителей при любых обстоятельствах, складывающихся на станции или подстанции, — другими словами, они должны быть надежны в любых режимах работы. Значительную роль в обеспечении надежности главных схем играет надежность электрооборудования, входящего в эти схемы. Чем меньше его повреждаемость, тем меньше вероятность возникновения и развития аварий.
Главные схемы должны обладать оперативной гибкостью (маневренностью), под которой понимается возможность быстрого приспособления схемы к изменяющимся условиям эксплуатации в нормальных и особенно в аварийных режимах работы. Маневренность схем оценивается числом операций, их сложностью и продолжительностью выполнения при переводах оборудования из одного оперативного состояния в другое, а также при изменениях режимов работы. Главные схемы должны быть просты и наглядны в натуре, так как при хорошей обозреваемости повышается четкость действий персонала, уменьшается вероятность оперативных ошибок. И наконец, важным требованием является обеспечение безопасности обслуживания оборудования и удобства его эксплуатации.
