АНАЛИЗ СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ
Выбор принципов построения схем РУ - часть общей задачи определения рациональной структуры электроэнергетических систем (ЭЭС). Как было отмечено, в мировой практике явно присутствуют два принципа построения схем РУ: радиальный и кольцевой.
Радиальному принципу соответствуют схемы, в которых коммутация каждого присоединения осуществляется одним выключателем: одна-две-три и даже четыре системы сборных шин с обходной системой шин или без нее. Кольцевому принципу соответствуют схемы с коммутацией каждого присоединения двумя и более выключателями: схемы 3/2, 4/3, многоугольников, связанных и расширенных многоугольников, трансформаторы - шины и др.
В радиальных схемах в каждом присоединении требуется один выключатель, в кольцевых, за исключением схемы расширенного четырехугольника, - один и более на каждое присоединение. С позиции затрат, связанных с капитальными вложениями на
коммутационную аппаратуру, первые схемы в ряде случаев предпочтительны.
Однако кольцевые схемы по сравнению с радиальными более надежны: в них между смежными присоединениями имеются один выключатель или более, присоединения в радиальных схемах группируются на отдельно взятых системах или секциях систем сборных шин. Другими словами, кольцевые схемы обеспечивают секционирование РУ через каждое присоединение.
Различные страны имеют, как правило, индивидуальный подход к выбору и использованию типов схем РУ. При этом выделяются три группы стран, тяготеющих к тому или иному решению.
Первая группа - западноевропейские государства, длительное время использующие преимущественно радиальный принцип и для распределительных, и для системообразующих сетей напряжением соответственно класса 100-200 и 400 кВ. Только в Великобритании широкое применение получили схемы расширенного четырехугольника.
Продолжительный период схемы РУ с тремя и более системами сборных шин считался характерным только для рассматриваемых стран, однако все более заметно их проникновение в практику и восточноевропейских государств. Так, схемы с тремя системами сборных шин появились в Болгарии, Польше, Румынии, Югославии. Довольно часто, особенно для распределительных сетей, в радиальных схемах шиносоединительные или секционные выключатели нормально отключены, по режимным соображениям отдельные источники питания совместно с определенными линиями к потребителям группируются на разных системах или секциях систем сборных шин, параллельная работа энергоблоков осуществляется через сети повышенных напряжений, одна из систем сборных шин, если их две и более, в нормальном режиме может быть не задействована и используется в качестве резервной системы.
Раздельная работа систем сборных шин обеспечивает ограничение уровней токов КЗ в РУ, надежное электроснабжение потребителей, по крайней мере, от двух независимых источников питания, т.е. в схеме отсутствуют элементы, единичный отказ которых приводит к одновременному погашению систем или секций систем сборных шин, имеющих подключение к рассматриваемым источникам питания. Таким образом, появление схем с большим числом систем сборных шин было вызвано потребностью секционировать сеть с целью обеспечения необходимого, произвольного с режимных позиций распределения присоединений между системами сборных шин; ограничения уровней токов короткого замыкания; определенной надежности электроснабжения потребителей. Вместе с тем раздельная работа систем сборных шин не накладывает ограничения на создание единой, связной сети.
Недостатком раздельной работы систем сборных шин является нередко возникающее неэкономичное потокораспределение активной мощности в ЭЭС, что связано с ее дополнительными перетоками и увеличением потерь электроэнергии в сетях, Однако используемый при относительно небольших межузловых расстояниях в сети рассматриваемых стран принцип построения структуры ЭЭС ослабляет данное отрицательное воздействие. Упомянутый принцип получил название «сети с концентрированной структурой», в которой центры производства и потребления электроэнергии, если и не совпадают, то весьма близко расположены. Последнее приводит к достаточно устойчивой тенденции к самосбалансированности по активной мощности энергоузлов с учетом их взаиморезервирования. Роль сети высшего напряжения в этом случае преимущественно состоит не в целевом транспорте электроэнергии, а в оказании взаимопомощи (взаиморезервирование) различными генерирующими источниками друг другу; то же относится и к близрасположенным центрам потребления.
Надежность электроснабжения потребителей обеспечивается выбором довольно специфичных структурных схем понижающих подстанций, а в ряде случаев, как, например, в Италии и ФРГ, и электростанций. Так, для подстанций нередко предусматривается установка более двух трансформаторов (автотрансформаторов), В частности, трех-, четырехтрансформаторная понижающая подстанция в практике почти всех промышленно развитых стран - типовое решение при росте ее нагрузки. Сборные шины РУ таких подстанций, как правило, секционируются по числу питающих вводов, при этом требование к необходимости электроснабжения потребителей, по крайней мере, от двух источников питания может реализовываться независимо от положения шиносоединительных или секционных выключателей. Структурные схемы электростанций отмеченных стран, на которых часто устанавливается не более одного - двух крупных энергоблоков, в ряде случаев выбираются так, чтобы обеспечивать выдачу мощности в две сети повышенных напряжений (рис. 13).
Рис. 13. Структурная схема электростанции, предусматривающая выдачу мощности в две сети повышенных напряжений
К примеру, в Италии и Германии 25-35 % блоков тепловых и атомных электростанций имеют приведенную на рис. 4 13 структурную схему; здесь при погашении РУ одного из повышенных напряжений мощность может выдаваться в сеть другого напряжения.
Вторая группа стран - это главным образом США и Канада, отчасти Австралия, где принципиально не используются радиальные схемы с несколькими системами сборных шиш считается, что основная причина аварий в ЭЭС - отказы оборудования при проведении им операций и ошибочные действия эксплуатационного персонала, поэтому наличие большого числа оперативных разъединителей в схеме значительно увеличит число отказов в электроустановке, В распределительных сетях напряжением 100- 300 кВ этих стран применение находят схема с одной секционированной системой сборных шин, обходной системой шин и кольцевые схемы; в сетях более высоких напряжений 500-765 кВ используются, как правило, схема 3/2, многоугольники, связанные многоугольники (причем считается совершенно нормальным применять 10-12-угольники), схема 4/3. В схеме с одной секционированной системой сборных шин (с обходной системой сборных шин либо без нее)применяется многократное секционирование через один-два выключателя. На подавляющем числе электростанций США и Канады каждый энергоблок мощностью 100 МВт и более выделяют в собственную секцию, причем число последних достигает 10-14.
Другой способ повышения надежности радиальных схем заключается в том, чтобы сборные шины секционировались двумя последовательно включенными выключателями или источники питания подключаются к сборным шинам через два выключателя, в то время как ВЛ - одним выключателем (рис. 14). Такое решение, в частности, широко распространено в сетях 132 и 330 кВ Австралии.
Рис, 4,14, Схема с одной системой сборных шин: а - с секционированием двумя последовательно включенными выключателями; б - с подключением источников питания через два выключателя
За последние 10-15 лет в рассматриваемых странах все заметнее тенденция массового внедрения кольцевых схем для РУ напряжением 100-300 кВ.
В радиальных схемах, как уже указывалось, в каждом присоединении требуется один выключатель, в кольцевых - один и более на одно присоединение. Таким образом, затраты, связанные с капиталовложениями, на РУ с первыми схемами, при прочих равных условиях, могут быть ниже, чем для РУ с кольцевыми схемами. Тем не менее а радиальной схеме единичный отказ любого выключателя присоединения к системе или к секции системы сборных шин, требующий отключения смежных элементов (как показывает статистика, это примерно 60% общего числа отказов), неизбежно связан с их полным погашением. Для сравнения в схеме 3/2 при наиболее тяжелой расчетной аварии, используемой чаще всего при проведении технико-экономических сопоставлений и заключающейся в отказе одного выключателя во время планового простоя другого, максимально возможна потеря всего двух присоединений. Поэтому позиции надежности кольцевые схемы более предпочтительны.
Повысить надежность радиальных схем возможно за счет секционирования в них систем (системы) сборных шин, но это сопряжено с увеличением числа выключателей в схеме, следовательно, затрат, связанных с капитальными вложениями. Именно такой путь был принят при выборе схемы КРУЭ 800 кВ для подстанции в ЮАР на 8 присоединений предусмотрено 12 ячеек выключателей, ровно столько бы их потребовалось для более надежной схемы 3/2 с 8 присоединениями. Можно предположить, что экономические сопоставления не всегда являются главным критерием при выборе схемы РУ: превалирующее влияние могут оказать сложившиеся традиции, непосредственно связанные с вопросом унификации технических решений.
К третьей группе относятся страны, которые применяют схемы, выполненные по обоим принципам, - Индия, Китай, Япония и др. К данной группе стран относится и Россия. Для электростанций преимущественной схемой при напряжении до 220 кВ включительно является схема с двумя системами сборных шин с обходной системой шин, при напряжении 330 кВ и выше - схема 3/2. Большинство РУ 330-750 кВ понижающих подстанции в нашей стране имеет схему 3/2, шины-трансформаторы, четырехугольник; прочие схемы применяются крайне редко. Для РУ 110-220 кВ понижающих подстанций, имеющих высшее напряжение 330-750 кВ, как правило, предусматривается схема с двумя системами сборных шин с обходной системой шин. В целом радиальные схемы имеют высокую частоту применения для РУ понижающих подстанций сети 110-220 кВ.
Основная причина широкого использования в отечественной практике радиальной схемы с двумя (а не одной) системами сборных шин: при наличии более чем одной системы сборных шин возможна любая группировка к ним присоединений, именно такое положение допускает раздельное проектирование схемы сети и схемы электроустановки, т.е. на этой стадии проектировщику не требуется согласовывать распределение присоединений между сборными шинами со схемой прилегающей сети.
В России области применения радиальных схем в зависимости от номинального напряжения сети зафиксированы достаточно жестко (они используется при напряжении до 220 кВ включительно). В некоторых странах рассматриваемой группы существует несколько иной подход. Так, и в Индии, и в Японии использование радиальных схем, имеющих не более двух систем сборных шин, распространено наряду с кольцевыми схемами (преимущественно это полуторная схема) вплоть до напряжения 400 (Индия) - 500 кВ (Япония), причем кольцевые схемы предусматриваются, когда факторы надежности выдачи мощности электростанций или электроснабжения потребителей оказываются превалирующими.
В отечественной практике в наиболее распространенной схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шиносоединительный выключатель нормально включен, в то время как в распределительных сетях западноевропейских стран этот выключатель часто нормально отключен.
Замкнутое положение шиносоединительного выключателя, с одной стороны, объяснимо. Во-первых, межузловые расстояния в распределительных сетях 110-220 кВ (в сетях 220 кВ, например, средине длины ВЛ длительное время находятся на уровне 100км) в несколько раз превосходят таковые даже для системообразующих сетей 400 кВ западноевропейских стран (не более 20-50 км). Во- вторых, отечественным ЭЭС присуща значительная несбалансированность по активной мощности энергоузлов при концентрации генерирующих мощностей на отдельных электростанциях или в отдельных регионах. Поэтому в таких условиях нормально отключенное положение шиносоединительных выключателей в РУ будет неизбежно связано с нарушением естественного потокораспределения активной мощности в сетях 110- 220 кВ и сопровождаться существенным ростом потерь электроэнергии, что неэкономично. Однако если шиносоединительный выключатель нормально замкнут, то его отказ, связанный с отключением смежных элементов при отсутствии, а «это наиболее типичное условие, секционирования систем сборных шин выключателями (к примеру, почти все РУ П0-220 кВ понижающих подстанций ПЭО «Дальние электропередачи» имеют несекционированные сборные шины, поскольку по нормативам секционирование сборных шин осуществляется при большом, свыше 10, числе присоединений, что встречается крайне редко), приведет к полному погашению РУ.
Таким образом, в схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шин либо без нее при нормально включенном шиносоединительном выключателе не обеспечивается одно из основополагающих требований к схемам РУ, используемое большим количеством стран и связанное с необходимостью электроснабжения потребителей, как правило, от двух независимых источников питания, хотя в практике промышленно развитых стран рассматриваемая схема удовлетворяет данному требованию.
В схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шин их секционирование за счет установки дополнительных (секционных) выключателей решает задачу обеспечения электроснабжения потребителей от двух независимых источников питания, но не является достаточно эффективным: при секционировании сборных шин общее число выключателей в схеме может оказаться равным их числу в более надежной кольцевой схеме; из шиносоединительного выключателя и выключателя присоединения образуется развилка из двух выключателей с выходом на две рабочие и обходную системы шин; коммутация прочих соединений остается как в типовой схеме. Данная схема по сравнению с последней не требует дополнительной коммутационной аппаратуры и при подключении, например, на понижающей подстанции к этой развилке ВЛ полностью устраняет недостаток, связанный с погашением всего РУ при отказе шиносоединительного выключателя.
