Требования к электрическим схемам
Главная схема электрических соединений электростанции (подстанции) — это совокупность основного электрооборудования (генераторы, трансформаторы, линии), сборных шин, коммутационной и другой первичной аппаратуры со всеми выполненными между ними в натуре соединениями.
Выбор главной схемы является определяющим при проектировании электрической части электростанции (подстанции), так как он определяет полный состав элементов и связей между ними. Выбранная главная схема является исходной при составлении принципиальных схем электрических соединений, схем собственных нужд, схем вторичных соединений, монтажных схем и т.д.
На чертеже главные схемы изображаются в однолинейном исполнении при отключенном положении всех элементов установки. В некоторых случаях допускается изображать отдельные элементы схемы в рабочем положении.
Все элементы схемы и связи между ними изображаются в соответствии со стандартами единой системы конструкторской документации (ЕСКД).
В условиях эксплуатации наряду с принципиальной, главной схемой, применяются упрощенные оперативные схемы, в которых указывается только основное оборудование. Дежурный персонал каждой смены заполняет оперативную схему и вносит в неё необходимые изменения в части положения выключателей иразъединителей, происходящие во время дежурства.
При проектировании электроустановки до разработки главной схемы составляется структурная схема выдачи электроэнергии (мощности), на которой показываются основные функциональные части электроустановки (распределительные устройства, трансформаторы, генераторы) и связи между ними. Структурные схемы служат для дальнейшей разработки более подробных и полных принципиальных схем, а также для общего ознакомления с работой электроустановки.
При выборе схем электроустановок должны учитываться следующие факторы: значение и роль электростанции или подстанции для энергосистемы. Электростанции, работающие параллельно в энергосистеме, существенно различаются по своему назначению. Одни из них, базисные, несут основную нагрузку, другие, пиковые, работают неполные сутки во время максимальных нагрузок, третьи несут электрическую нагрузку, определяемую их тепловыми потребителями (ТЭЦ). Разное назначение электростанций определяет целесообразность применения разных схем электрических соединений даже в том случае, когда количество присоединений одно и то же.
Подстанции могут предназначаться для питания отдельных потребителей или крупного района, для связи частей энергосистемы или различных энергосистем. Роль подстанций определяет её схему — положение электростанции или подстанции в энергосистеме, схемы и напряжения прилегающих сетей.Шины высшего напряжения электростанций и подстанций могут быть узловыми точками энергосистемы осуществляя объединение на параллельную работу нескольких электростанций. В этом случае через шины происходит переток мощности из одной части энергосистемы в другую — транзит мощности. При выборе схем таких электроустановок в первую очередь учитывается необходимость сохранения транзита мощности.
Подстанции могут быть тупиковыми, проходными, отпаечными; схемы таких подстанций будут различными даже при одном и том же числе трансформаторов одинаковой мощности.
Схемы распредустройств 6—10 кВ зависят от схем электроснабжения потребителей: питания по одиночным или параллельным линиям, наличия резервных вводов у потребителей и т.п.; категории потребителей по степени надежности электроснабжения.
Все электроприемники с точки зрения надежности электроснабжения разделяют на три категории.
Перспектива расширения и промежуточные этапы развития электростанции, подстанции и прилегающего участка сети. Схема и компоновка распределительного устройства должны выбираться с учётом возможного увеличения количества присоединений при развитии энергосистемы. Поскольку строительство крупных электростанций ведется очередями, то при выборе схемы электроустановки учитывается количество агрегатов и линий, вводимых в первую, вторую, третью очереди и при окончательном её развитии.
Для выбора схемы важно учесть количество линий высшего и среднего напряжения, степень их ответственности, поэтому на различных этапах развития энергосистемы схема может быть разной.
Поэтапное развитие схемы распределительного устройства электростанции или подстанции не должно сопровождаться коренными переделками. Это возможно лишь в том случае, когда при выборе схемы учитываются перспективы её развития.
При выборе схем электроустановок учитывается допустимый уровень токов КЗ. При необходимости решаются вопросы секционирования сетей, деления электроустановки на независимо работающие части, установки специальных токоограничивающих устройств.
Из сложного комплекса предъявляемых условий, влияющих на выбор главной схемы электроустановки, можно выделить основные требования к схемам:
• надёжность электроснабжения потребителей;
• приспособленность к проведению ремонтных работ;
• оперативная гибкость электрической схемы;
• экономическая целесообразность.
Надёжность — свойство электроустановки, участка электрической сети или энергосистемы в целом обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей электроэнергией нормированного качества. Повреждение оборудования в любой части схемы по возможности не должно нарушать электроснабжение, выдачу электроэнергии в энергосистему, транзит мощности через шины. Надёжность схемы должна соответствовать характеру (категории) потребителей получающих питание отданной электроустановки.
Надежность можно оценить частотой и продолжительностью нарушения электроснабжения потребителей и относительным аварийным резервом, который необходим для обеспечения заданного уровня безаварийной работы энергосистемы и её отдельных узлов.
Приспособленность электроустановки к проведению ремонтов определяется возможностью проведения ремонтов без нарушения или ограничения электроснабжения потребителей. Есть схемы, в которых для ремонта выключателя надо отключать данное присоединение на все время ремонта; в других схемах требуется лишь временное отключение отдельных присоединений для создания специальной ремонтной схемы; в третьих — ремонт выключателя производится без нарушения электроснабжения даже на короткий срок. Таким образом, приспособленность для проведения ремонтов рассматриваемой схемы можно оценить количественно частотой и средней продолжительностью отключений потребителей и источников питания для ремонтов оборудования.
Оперативная гибкость электрической схемы определяется её приспособленностью для создания необходимых эксплуатационных режимов и проведения оперативных переключений.
Наибольшая оперативная гибкость схемы обеспечивается, если оперативные переключения в ней производятся выключателями или другими коммутационными аппаратами с дистанционным приводом. Если все операции осуществляются дистанционно, а ещёлучше средствами автоматики, то ликвидация аварийного состояния значительно ускоряется.
Оперативная гибкость оценивается количеством, сложностью и продолжительностью оперативных переключений.
Экономическая целесообразность схемы оценивается приведенными затратами, включающими в себя затраты на сооружение установки — капиталовложения, ее эксплуатацию и возможный ущерб от нарушения электроснабжения.
Структурная электрическая схема зависит от состава оборудования (числа генераторов, трансформаторов), распределения генераторов и нагрузки между распределительными устройствами разного напряжения и связи между этими РУ.
На рис. 5.1 показаны структурные схемы ТЭЦ. Если ТЭЦ сооружается вблизи потребителей электроэнергии U=6—10 кВ, то необходимо иметь распределительное устройство генераторного напряжения (ГРУ). Количество генераторов, присоединяемых к ГРУ, зависит от нагрузки 6—10 кВ. На рис. 5.1, а два генератора присоединены к ГРУ, а один, как правило, более мощный, — к распределительному устройству высокого напряжения (РУ ВН). Линии 110—220 кВ, присоединенные к этому РУ, осуществляют связь с энергосистемой.
а) б)
Рис. 5.1. Структурные схемы ТЭЦ
Если вблизи ТЭЦ предусматривается сооружение энергоёмких производств, то питание их может осуществляться по ВЛ 35— 110 кВ. В этом случае на ТЭЦ предусматривается распределительное устройство среднего напряжения (РУ СН) (рис. 5.1, б). Связь между РУ разного напряжения осуществляется с помощью трёхобмоточных трансформаторов или автотрансформаторов.
| Рис. 5.2. Схема ТЭЦ блочного типа |
На рис. 5.3 показаны структурные схемы электростанций с преимущественным распределением электроэнергии на повышенном напряжении (КЭС, ГЭС, АЭС). Отсутствие потребителей вблизи таких электростанций позволяет отказаться от ГРУ. Все генераторы соединяются в блоки с повышающими трансформаторами. Параллельная работа блоков осуществляется на высоком напряжении, где предусматривается распределительное устройство.
Если электроэнергия выдаётся на высшем и среднем напряжении, то связь между РУ осуществляется автотрансформатором связи (рис. 5.3, б) или автотрансформатором, установленном в блоке с генератором (рис. 5.3, в).
Рис. 5.3. Структурные схемы КЭС, ГЭС, АЭС
Рис. 5.4. Структурные схемы подстанций
На рис. 5.4 показаны структурные схемы подстанций. На подстанции с двухобмоточными трансформаторами (рис. 5.4, а)электроэнергия от энергосистемы поступает в РУ ВН, затем трансформируется и распределяется между потребителями в РУ НН. На узловых подстанциях осуществляется связь между отдельными частями энергосистемы и питание потребителей (рис. 5.4, б). Возможно сооружение подстанций с двумя РУ среднего напряжения, РУ ВН и РУ НН. На таких подстанциях устанавливают дна автотрансформатора и два трансформатора (рис. 5.4, в).
Выбор той или иной структурной схемы электростанции или подстанции производится на основании технико-экономического сравнения двух-трёх вариантов, для чего в первую очередь необходимо выбрать количество и мощность трансформаторов (автотрансформаторов).
Наиболее простой схемой электроустановок на стороне 6—10 кВ является схема с одной несекционированной системой сборных шин (рис. 5.5).
Схема проста и наглядна. Источники питания и линии 6—10 кВ присоединяются к сборным шинам с помощью выключателей и разъединителей. На каждую цепь необходим один выключатель, который служит для отключения и включения этой цепи в нормальных и аварийных режимах. При необходимости отключения линии W1 достаточно отключить выключатель Q1. Если выключатель Q1 выводится в ремонт, то после его отключения отключают разъединители: сначала линейный QS1, а затем шинный QS2.
| Рис. 5.5. Схемы с одной системой шин несекционированных выключателем |
Наряду с достоинствами схема с одной несекционированной системой шин обладает рядом недостатков.
Для ремонта сборных шин и шинных разъединителей любого присоединения необходимо полностью снять напряжение со сборных шин, т. е. отключить источники питания. Это приводит к перерыву электроснабжения всех потребителей на время ремонта.
При КЗ на линии, например в т. К-1 (рис. 5.5), должен отключиться соответствующий выключатель Q4, а все остальные присоединения должны остаться в работе; однако при отказе этого выключателя отключатся выключатели источников питания Q5, Q6, вследствие чего сборные шины останутся без напряжения. Короткое замыкание на сборных шинах (т. К-2) также вызывает отключение источников питания, т.е. прекращение электроснабжения потребителей.
Схема с одной несекционированной системой шин применяется при полном резервировании потребителей по сети, при наличии технологического резерва на электростанциях, при питании от сборных шин неответственных потребителей третьей категории.
Недостатки схемы с одной несекционированной системой шин частично устраняются путем разделения сборных шин на секции, число которых обычно соответствует количеству источников питания.
| Рис. 5.6. Схемы с одной системой шин секционированных выключателем |
На рис. 5.6 показана схема с одной системой сборных шин, секционированной выключателем. Схема сохраняет все достоинства схем с одиночной системой шин; кроме того, авария на сборных шинах приводит к отключению только одного источника и половины потребителей; вторая секция и все присоединения к ней остаются в работе.
Достоинствами схемы являются простота, наглядность, экономичность, достаточно высокая надёжность,что можно подтвердить на примере присоединения главной понизительной подстанции (ГПП) к шинам электроустановки двумя линиями W3, W4 (рис. 5.6). При повреждении одной линии (КЗ в т. К-2) отключаются выключатели Q2, Q3 и автоматически включается QK3, восстанавливая питание первой секции ГПП по линии W4.
При КЗ на шинах в т. К-1 отключаются выключатели QK1, Q6, Q3 и автоматически включается QK3. При отключении одного источника нагрузку принимает оставшийся в работе источник питания.
Таким образом, питание ГПП в рассмотренных аварийных режимах не нарушается благодаря наличию двух питающих линий, присоединенных к разным секциям станции, каждая из которых должна быть рассчитана на полную нагрузку (100%-ный резерв сети). При наличии такого резерва по сети схема с одной секционированной системой шин может быть рекомендована для ответственных потребителей.
Однако схема обладает и рядом недостатков. При повреждении и последующем ремонте одной секции ответственные потребители, нормально питающиеся с обеих секций, остаются без резерва, а потребители, нерезервированные по сети, отключаются на все время ремонта. В этом же режиме источник питания, подключенный к ремонтируемой секции, отключается на всё время ремонта.
Последний недостаток можно устранить, присоединив источники питания одновременно к двум секциям, но это усложняет конструкцию распределительного устройства и увеличивает число секций (по две секции на каждый источник).
Другим недостатком схемы, изображенной на рис. 5.6является отключение обоих источников питания при аварии в секционном выключателе QK1 или при его отказе в момент КЗ на одной из секций. Для устранения этого недостатка рекомендуется устанавливать два секционных выключателя последовательно. В этом случае при аварийных ситуациях, рассмотренных выше, отключается одна секция и один источник питания.
Схемы с одной системой шин позволяют использовать комплектные распределительные устройства (КРУ), что снижает стоимость монтажа, позволяет широко применять механизацию и уменьшать время сооружения электроустановки. Такие схемы нашли широкое применение на подстанциях и электростанциях с генераторами до 63 МВт.
С учетом особенностей электроприёмников (I, II категорий), их схемы электроснабжения (отсутствие резерва по сети), а также большого количества присоединений к сборным шинам для главного распределительного устройства ТЭЦ при технико-экономическом обосновании может предусматриваться схема с двумя системами сборных шин (рис. 5.7), в которой каждый элемент присоединяется через развилку двух шинных разъединителей, что позволяет осуществлять работу как на одной, так и на другой системе шин.
На рис. 5.7 схема изображена в рабочем состоянии: генераторы G1 и G2 присоединены на первую систему сборных шин К1, от которой получают питание групповые реакторы и трансформаторы связи Т1 и Т2. Рабочая система шин секционирована выключателем QK иреактором LRK, назначение которых такое же, как и в схеме с одной системой шин. Вторая система шин К2 является резервной, напряжение на ней нормально отсутствует. Обе системы шин могут быть соединены между собой шиносоединительными выключателями QK1 и QK2, которые в нормальном режиме отключены.
Возможен и другой режим работы этой схемы, когда обе системы шин находятся под напряжением и все присоединения распределяются между ними равномерно. Такой режим, называемый работой с фиксированным присоединением цепей, обычно применяется на шинах повышенного напряжения.
Рис. 5.7. Схема с двумя системами сборных шин
Схема с двумя системами шин позволяет производить ремонт одной системы шин, сохраняя в работе все присоединения. Так, при ремонте второй секции рабочей системы шин К1 все её присоединения переводят на резервную систему шин К2, для чего производят следующие операции:
— включают шиносоединительный выключатель QK2 и с его привода снимают оперативный ток;
— проверяют включенное положение QK2;
— включают на систему шин разъединители всех переводимых присоединений;
— отключают от системы шин К1 разъединители всех присоединений, кроме разъединителей QK2 и трансформатора напряжения;
— переключают питание цепей напряжения релейной защиты, автоматики и измерительных приборов на трансформатор напряжения системы шин К2;
— проверяют по амперметру отсутствие нагрузки на QK2;
— на привод подают оперативный ток и отключают QK2;
— производят подготовку к ремонту секции шин К1.
При КЗ на первой секции рабочей системы шин К1 отключаются генератор GI, секционный выключатель QKитрансформатор связи Т1. Для восстановления работы потребителей в этом случае необходимо выполнить переключения:
— отключить все выключатели, не отключенные релейной защитой (выключатели тупиковых линий);
— отключить все разъединители от поврежденной секции;
включить разъединители всех присоединений первой секции на резервную систему шин;
— включить выключатель трансформатора связи Т1, подав тем самым — напряжение на резервную систему шин для проверки ее исправности;
— включить выключатели наиболее ответственных потребителей; развернуть генератор G1 и после синхронизации включить его выключатель;
— включить выключатели всех отключившихся линий.
В этой схеме можно использовать шиносоединительный выключатель для замены выключателя любого присоединения.
Подробно оперативные переключения в схеме с двумя системами шин рассматриваются в специальных.
Рассматриваемая схема является гибкой и достаточно надёжной. К недостаткам ее следует отнести большое количество разъединителей, изоляторов, токоведущих материалов и выключателей, более сложную конструкцию распределительного устройства, что ведет к увеличению капитальных затрат на сооружение ГРУ.
Существенным недостатком является использование разъединителей в качестве оперативных аппаратов. Большое количество операций разъединителями и сложная блокировка между выключателями и разъединителями приводят к возможности ошибочного отключения тока нагрузки разъединителями. Вероятность аварий из-за неправильного действия обслуживающего персонала в схемах с двумя системами шин больше, чем в схемах с одной системой шин.
Схема с двумя системами шин может быть применена на расширяемых ТЭЦ, на которых ранее была выполнена такая схема.
Схемы электрических соединений на стороне 35 кВ и выше в упрощённом варианте применяютсяпри небольшом количестве присоединений на стороне 35—220 кВ. В этих схемах обычно отсутствуют сборные шины, число выключателей уменьшенное. В некоторых схемах выключателей высокого напряжения вообще не предусматривают. Упрощенные схемы позволяют сократить расход электрооборудования, строительных материалов, снизить стоимость распределительного устройства, ускорить его монтаж. Такие схемы получили наибольшее распространение на подстанциях.
Одной из упрощенных схем является схема блока трансформатор — линия (рис. 5.8, а). В блочных схемах элементы электроустановки соединяют без поперечных связей с другими блоками.
В схеме блока трансформатор-линия на стороне ВН установлен разъединитель QS1, а на стороне 6—10 кВ — выключатель Q2. При повреждении в трансформаторе релейной защитой отключается выключатель Q2 и посылается телеотключающий импульс (ТО) на отключение выключателя Q1 питающей линии W1.
Если от линии W1 питаются несколько подстанций, то для восстановления их работы необходимо отключить разъединитель QS1 оперативно выездной бригадой, после чего включить Q1 и поставить линию W1 под напряжение, что связано с перерывом электроснабжения нетолько от повреждённой подстанции, но и всех остальных, присоединенных к линии W1. Упрощение схемы ведет к уменьшению надежности электроснабжения. Гибкость схемы можно увеличить, установив на ВН выключатель Q1 (рис. 5.8, в). В этом случае отключение трансформатора выключателями Q2 и QI не затрагивает работу линии W1.
В действующих энергосистемах сохранились подстанции, где на ВН установлены отделители QR и короткозамыкатели QN (рис. 5.8, б).
В нормальном режиме трансформатор отключается выключателем Q2, а затем ток намагничивания отключается отделителем QR. Допустимость последней операции зависит от мощности трансформатора и его номинального напряжения.
| Рис. 5.8. Схемы блоков трансформатор-линия: а — без выключателя ВН; б — с отделителем ВН; в — с выключателем ВН |
При повреждении в трансформаторе релейной защитой отключается выключатель Q2 и подается импульс на привод короткозамыкателя QN, который, включаясь, создает искусственное КЗ. Релейная зашита линии W1 срабатывает и отключает выключатель Q1, после чего автоматически отключается отделитель QR. Транзитная линия должна остаться под напряжением, поэтому после срабатывания QR автоматически включается Q1. Пауза в схеме АПВ должна быть согласована с временем отключения QR, в противном случае линия будет включена на неустранённое повреждение в трансформаторе. Применение короткозамыкателей создает тяжелые условия для работы выключателя на питающем конце линии, так как он отключает неудалённое КЗ. Возможность применения схемы без выключателей ВН должна быть подтверждена соответствующим расчётом на возможность отключения неудалённого КЗ выключателем питающей линии. Надёжность рассмотренной схемы зависит от чёткости и надежности работы короткозамыкателей и отделителей. Такие схемы применяются для подстанций 110 кВ с трансформатором мощностью 25 MBА и меньше [9, 30].
На стороне ВН электростанций на первом этапе её развития возможно применение схемы мостика с выключателями (рис. 5.9) с возможностью перехода впоследствии к схемам со сборными шинами. В схеме для четырёх присоединений ВН устанавливаются три выключателя Ql, Q2, Q3. Нормально выключатель Q3 на перемычке между двумя трансформаторами (в мостике) включен. При повреждении на линии W1 отключается выключатель Q1, трансформаторы Т1 и Т2 остаются в работе, связь с энергосистемой осуществляется по линии W2. 
При повреждении в трансформаторе Т1 от
| Рис. 5.9. Схема мостика с ремонтной перемычкой |
Для сохранения в работе обеих линий при ревизии любого выключателя (Q1, Q2, Q3) предусматривается дополнительная перемычка из двух разъединителей QS3, QS4. Нормально один разъединитель QS3 перемычки отключен. Если этого не сделать, то при КЗ в любой линии (W1 или W2) отключаются обе линии. Для ревизии выключателя Q1 предварительно включают QS3, затем отключают Q1 и разъединители по обе стороны выключателя. В результате оба трансформатора и обе линии остались в работе. Если в этом режиме произойдет КЗ на одной линии, то отключится Q2, т. е. обе линии останутся без напряжения.
Для ревизии выключателя Q3 также предварительно включают перемычку, а затем отключают Q3. Этот режим имеет тот же недостаток: при КЗ на одной линии отключаются обе линии.
Вероятность совпадения аварии с ревизией одного из выключателей тем больше, чем больше длительность ремонта выключателя, поэтому как окончательный вариант развития эта схема на электростанциях не применяется.
Вкольцевых схемах (схемах многоугольников) выключатели соединяются между собой, образуя кольцо. Каждый элемент — линия, трансформатор — присоединяется между двумя соседними выключателями. Самой простой кольцевой схемой является схема треугольника (рис. 5.10, а). Линия W1 присоединена к схеме выключателями Q1, Q2, линия W2 — выключателями Q2, Q3, трансформатор — выключателями Q1, Q3. Многократное присоединение элемента в общую схему увеличивает гибкость и надёжность работы, при этом число выключателей в рассматриваемой схеме не превышает числа присоединений. В схеме треугольника на три присоединения — три выключателя, поэтому схема экономична.
В кольцевых схемах ревизия любого выключателя производится без перерыва работы какого-либо элемента. Так, при ревизии выключателя Q1 отключают его и разъединители, установленные по обе стороны выключателя. При этом обе линии и трансформатор остаются в работе, однако схема становится менее надежной из-за разрыва кольца. Если в этом режиме произойдет КЗ на линии W2, то отключаются выключатели Q2 и Q3, вследствие чего обе линии и трансформатор останутся без напряжения. Полное отключение всех элементов подстанции произойдет также при КЗ на линии и отказе одного выключателя: так, например, при КЗ на линии W1 и отказе в работе выключателя Q1 отключаются выключатели Q2 и Q3.
Рис. 5.10. Кольцевые схемы: а — схема треугольника; б — схема четырёхугольника; в — схема шестиугольника.
Вероятность совпадения повреждения на линии с ревизией выключателя, как было сказано выше, зависит от длительности ремонта выключателя. Увеличение межремонтного периода и надежности работы выключателей, а также уменьшение длительности ремонта значительно повышают надёжность схем.
В кольцевых схемах надёжность работы выключателей выше, чем в других схемах, так как имеется возможность опробования любого выключателя в период нормальной работы схемы. Опробование выключателя путём его отключения не нарушает работу присоединённых элементов и не требует никаких переключений в схеме.
На рис. 5.10, б представлена схема четырёхугольника (квадрата). Эта схема экономична(четыре выключателя на четыре присоединения), позволяет производить опробование и ревизию любого выключателя без нарушения работы ее элементов. Схема обладает высокой надежностью.Отключение всех присоединений маловероятно, оно может произойти при совпадении ревизии одного из выключателей, например Q1, повреждении линии W2 и отказе выключателя второй цепи Q4. При ремонте линии W2 отключают выключатели Q3, Q4 и разъединители, установленные в сторону линий. Связь оставшихся в работе присоединений W1, Т1 и Т2 осуществляется через выключатели Ql, Q2. Если в этот период повредится Т1, то отключится выключатель Q2, второй трансформатор и линия WI останутся в работе, но транзит мощности будет нарушен. Установка линейных разъединителей QS1 и QS2 устраняет этот недостаток.
Достоинством всех кольцевых схем является использование разъединителей только для ремонтных работ. Количество операций разъединителями в таких схемах невелико.
К недостаткам кольцевых схем следует отнести более сложный выбор трансформаторов тока, выключателей и разъединителей, установленных в кольце, так как в зависимости от режима работы схемы ток, протекающий по аппаратам, меняется. Например, при ревизии Q1 (см. рис. 5.10, б) ток в цепи Q2 возрастает вдвое. Релейная защита также должна быть выбрана с учетом всех возможных режимов при выводе в ревизию выключателей кольца.
Схема четырёхугольника применяется в РУ 330 кВ и выше электростанций как один из этапов развития схемы [8], а также на подстанциях при напряжении 220 кВ и выше [9].
Достаточно широкое применение получила схема шестиугольника (рис. 5.10, в), обладающая всеми особенностями рассмотренных выше схем. Выключатели Q2 и Q5 являются наиболее слабыми элементами схемы, так как их повреждение приводит к отключению двух линий W1 и W2 или W3 и W4. Если по этим линиям происходит транзит мощности, то необходимо проверить, не произойдет ли при этом нарушение устойчивости параллельной работы энергосистемы.
В заключение следует отметить, что конструктивное выполнение распределительных устройств по кольцевым схемам позволяет сравнительно просто переходить от схемы треугольника к схеме четырёхугольника, а затем к схеме блоков трансформатор — шины или к схемам со сборными шинами.
Схемы с одной рабочей и обходной системами шин применяется при большом количестве присоединений на повышенном напряжении (рис. 5.5). Эта схема обладает рядом существенных недостатков, в том числе необходимостью отключения линии или источников питания на всё время ремонта выключателя в их цепи. При напряжении 35 кВ отключение линии будет непродолжительным, так как длительность ремонта выключателей невелика. В этот период используется резерв по сети, чтобы обеспечить питание потребителей. При напряжениях 110 кВ и выше длительность ремонта выключателей, особенно воздушных, возрастает и становится недопустимым отключение цепи на все время ремонта, поэтому схема по рис. 5.5 применяется только для РУ 35 кВ.
Одним из важных требований к схемам на стороне высшего напряжения является создание условий для ревизий и опробований выключателей без перерыва работы. Этим требованиям отвечает схема с обходной системой шин (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Схема с одной секционированной и обходной системами шин
В нормальном режиме обходная система шин КВ находится без напряжения, разъединители QSB1, QSB2, QSB3 и т.д., соединяющие линии и трансформаторы с обходной системой шин, отключены. Обходные выключатели QB1 и QB2 на первой (К1)и второй секции (К2)отключены. Секции соединены между собой двумя последовательно включенными выключателями QK1, QK2 (рекомендация [9]). С помощью обходной системы шин любой выключатель линий и трансформаторов может быть заменен обходным выключателем, для чего надо произвести следующие операции: включить QB1 для проверки исправности обходной системы шин; отключить QB1; включить разъединитель от обходной системы шин к тому присоединению, где намечен ремонт выключателя (QSB1); включить обходной выключатель QB1; отключить выключатель Q1, намеченный для ремонта; отключить разъединители по обе стороны выключателя QS1 и QS2. После указанных операций линия W1 получает питание через обходную систему шин, выключатель QB1 — от первой секции сборных шин К1 (рис. 5.11, б). Все эти операции производятся без нарушения электроснабжения по линии W1, хотя они связаны с большим количеством переключений.
В рассмотренной схеме ремонт секции К1 или К2 связан с отключением всех линий, присоединенных к данной секции и одного трансформатора, поэтому такие схемы можно применять при парных линиях или линиях, резервируемых от других подстанций, а также радиальных, но не более одной на секцию. Число присоединений на секции РУ 35—220 кВ должно определяться экономической целесообразностью установки секционных выключателей с учетом стоимости на недоотпущенную электроэнергию при полном погашении РУ [9].
Обходная система шин не предусматривается для РУ 35 кВ и КРУЭ, так как длительность ремонта выключателей 35 кВ невелика, и на этот период можно воспользоваться резервом по сети или взаимозаменяемым оборудованием в комплектном РУ.
Для РУ 110—220 кВ с большим числом присоединений применяется схема с двумя рабочими и обходной системами шин с одним выключателем на цепь (рис. 5.12, а). Как правило, обе системы шин находятся в работе при соответствующем фиксированном распределении всех присоединений: линии W1, W3, W5 и трансформатор Т1 присоединены к первой системе шин К1, линии W2, W4, W6 и трансформатор Т2 — ко второй системе шин К2, шиносоединительный выключатель QK включён. Такое распределение присоединений увеличивает надёжность схемы, так как при КЗ на шинах отключаются шиносоединительный выключатель QK и только половина присоединений
Рис. 5.12. Схема с двумя рабочими и обходной системами шин: а — рабочие системы шин не секционированы; б — рабочие системы секционированы
Если повреждение на шинах устойчивое, отключившиеся присоединения переводят на исправную систему шин. Перерыв электроснабжения половины присоединений определяется длительностью переключений. Рассмотренная схема рекомендуется для РУ 110—220 кВ на стороне ВН и СНподстанций при числе присоединений 7—15 [9], а также на электростанциях при числе присоединений 11 [8].
Особенности схемы с двумя системами шин были рассмотрены ранее. Здесь следует подчеркнуть, что для РУ 110 кВ и выше существенными становятся недостатки этой схемы:
—отказ одного выключателя при аварии приводит к отключению всех источников питания и линий, присоединенных к данной системе шин, а если в работе находится одна система шин, отключаются все присоединения. Ликвидация аварии затягивается, так как все операции по переходу с одной системы шин на другую производятся разъединителями. Если источниками питания являются мощные блоки турбогенератор — трансформатор, то пуск их после сброса нагрузки на время более 30 мин может занять несколько часов;
—повреждение шиносоединительного выключателя равноценно КЗ на обеих системах шин, т. е. приводит к отключению всех присоединений;
— большое количество операций разъединителями при выводе в ревизию и ремонт выключателей усложняет эксплуатацию РУ:
— необходимость установки шиносоединительного, обходного выключателей и большого количества разъединителей увеличивает затраты на сооружение РУ.
Некоторого увеличения гибкости и надежности схемы можно достичь секционированием одной или обеих систем шин.
На ТЭС при числе присоединений 12 и более секционируются выключателями обе системы шин. Если к шинам РУ 110—220 кВ присоединяются два резервных трансформатора собственных нужд, то секционируются обе системы шин независимо от числа присоединений [8].
На подстанциях секционируется одна система шин 220 кВ при числе присоединений 12—15 или при установке трансформаторов мощностью 125 МВА и более; обе системы шин 110—220 кВ секционируются при числе присоединений более 15 [9].
Для увеличения надёжности рассматриваемой схемы моноблоки мощностью 500 МВт и выше и автотрансформаторы связи мощностью 500 МВА и выше присоединяются к РУ повышенного напряжения не менее чем через два выключателя к разным системам сборных шин (рис. 5.12, б). Эти выключатели в нормальном режиме выполняют функции шиносоединительного. При повреждении на любой системе шин AT или блок Г—Т остаются в работе. Исключается возможность потери обеих систем шин.
| Рис. 5.13. Схема с 3/2 выключателями на присоединение |
В распределительных устройствах 330—750 кВ применяется схема с двумя системами шин и тремя выключателями на две цепи. Как видно из рис. 5.13, на шесть присоединений необходимо девять выключателей, т.е. на каждое присоединение «полтора» выключателя (отсюда происходит второе название схемы: «полуторная», или «схема с 3/2 выключателя на цепь»).
Каждое присоединение включено через два выключателя. Для отключения линии W1 необходимо отключить выключатели Q1, Q2, дляотключения трансформатора Т1 — Q2, Q3.
В нормальном режиме все выключатели включены, обе системы шин находятся под напряжением. Для ревизии любого выключателя отключают его и разъединители, установленные по обе стороны выключателя. Количество операций для вывода в ревизию — минимальное, разъединители служат только для отделения выключателя при ремонте, никаких оперативных переключений ими не производят.
Достоинством схемы является то, что при ревизии любого выключателя все присоединения остаются в работе. Другим достоинством полуторной схемы является её высокая надежность, так как все цепи остаются в работе даже при повреждении на сборных шинах. Так, например, при КЗ на первой системе шин отключатся выключатели Q3, Q6, Q9, шины останутся без напряжения, но все присоединения сохранятся в работе. При одинаковом числе источников питания и линий работа всех цепей сохраняется даже при отключении обеих систем шин, при этом может лишь нарушиться параллельная работа на стороне повышенного напряжения. Схема позволяет в рабочем режиме без операций разъединителями производить опробование выключателей.
Ремонт шин, очистка изоляторов, ревизия шинных разъединителей производятся без нарушения работы цепей (отключается соответствующий ряд шинных выключателей), все цепи продолжают работать параллельно через оставшуюся под напряжением систему шин.
Количество необходимых oпeраций разъединителями в течение года для вывода в ревизию поочередно всех выключателей, разъединителей и сборных шин значительно меньше, чем всхеме с двумя рабочими и обходной системами шин.
Для увеличения надежности схемы одноименные элементы присоединяются к разным системам шин: трансформаторы Т1, ТЗ и линия W2 — к первой системе шин, линии W1, W3, трансформатор Т2 — ко второй системе шин. При таком сочетании в случае повреждения любого элемента или сборных шин при одновременном отказе в действии одного выключателя и ремонте выключателя другого присоединения отключается не более одной линии и одного источника питания.
Так, например, при ремонте Q5, КЗ на линии W1 иотказе в работе выключателя Q1 отключаются выключатели Q2, Q4, Q7, в результате чего, кроме поврежденной линии W1, будет отключён еще один элемент — Т2. После отключения указанных выключателей линия W1 может быть отключена линейным разъединителем и трансформатор Т2 включён выключателем Q4. Одновременное аварийное отключение двух линий или двух трансформаторов в рассмотренной схеме маловероятно.
В схеме на рис. 5.13 к сборным шинам присоединены три цепочки. Если таких цепочек будет более пяти, то шины рекомендуется секционировать выключателем.
Недостатками рассмотренной схемы являются:
— отключение КЗ на линии двумя выключателями, что увеличивает общее количество ревизий выключателей;
— удорожание конструкции РУ при нечетном числе присоединений, так как одна цепь должна присоединяться через два выключателя;
— снижение надежности схемы, если количество линий не соответствует числу трансформаторов. В данном случае к одной цепочке из трёх выключателей присоединяются два одноименных элемента, поэтому возможно аварийное отключение одновременно двух линий;
— усложнение цепей релейной защиты;
— увеличение количества выключателей в схеме.
Благодаря высокой надежности и гибкости схема находит широкое применение в РУ 330—750 кВ на мощных электростанциях.
На узловых подстанциях такая схема применяется при числе присоединений восемь и более. При меньшем числе присоединений линии включаются в цепочку из трёх выключателей, а трансформаторы присоединяются непосредственно к шинам, без выключателей, образуя блок трансформатор — шины [9].
Схема с двумя системами шин и с четырьмя выключателями на три цепи продолжает принятую идеологию предыдущей схемы.Всхеме на рис. 5.14, а на девять присоединений требуется 12 выключателей, т.е. на каждое присоединение 4/3 выключателя. Наилучшие показатели схема имеет, если число линий в 2 раза меньше или больше числа трансформаторов.
Рис. 5.14. Схема с 4/3 выключателя на присоединение
Схема с 4/3 выключателя на присоединение имеет все достоинства полуторной схемы, а кроме того:
— схема более экономична (1,33 выключателя на присоединение вместо 1,5);
— секционирование сборных шин требуется только при 15 присоединениях и более;
— надежность схемы практически не снижается, если в одной цепочке будут присоединены две линии и один трансформатор вместо двух трансформаторов и одной линии;
—конструкция ОРУ по рассмотренной схеме достаточно экономична и удобна в обслуживании,если принять компоновку с двухрядным расположением выключателей (рис. 5.14, б).
Схема находит применение в РУ 330—500 кВ мощных КЭС и АЭС.