CC BY
357
УДК 621.316.3
АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Ю.А. Шатова, А. А. Кривощапов Пензенский государственный университет
В мировой практике явно сложились 2 принципа построения схем распределительных устройств (РУ): кольцевой и радиальный. В радиальных схемах на каждое присоединение устанавливается 1 выключатель, а в кольцевых - 1 и более. Первый тип схем более экономичен по величине капитальных вложений на коммутационную аппаратуру. Однако по сравнению с радиальными кольцевые схемы более надежны. В них между смежными присоединениями есть 1 или более выключателей, в то время как в радиальных схемах присоединения группируются на отдельно взятых системах или секциях систем сборных шин. Другими словами, кольцевые схемы обеспечивают секционирование РУ через каждое присоединение.
Различные страны, как правило, отличаются индивидуальным подходом к выбору и использованию схем РУ. Однако можно выделить 3 группы стран, для которых характерно наличие общего подхода к решению этого вопроса.
Первая группа стран - это западноевропейские государства. Они в течение длительного времени используют в основном радиальный принцип для схем РУ в распределительных и системообразующих сетях напряжением соответственно 100-200 и 400кВ.
Ранее схемы с тремя и более системами сборных шин считались характерными только для стран Западной Европы, однако в последнее время они стали применяться и в восточноевропейских государствах. Например, схемы с тремя системами сборных шин появились в Болгарии, Польше, Румынии, Югославии. Пример схемы РУ с тремя системами сборных шин приведен на рис.1.
Рис.1 - Схема РУ подстанции 380/220/110 кВ (Югославия)
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. Кроме того, одна из систем сборных шин, если их 2 и более, в нормальном режиме может быть не задействована и используется в качестве резервной системы. Так, в схеме на рис.1 в нормальном режиме присоединения к РУ 110 и 220 кВ распределены между двумя системами сборных шин, а третья система является резервной.
Раздельная работа систем сборных шин обеспечивает ограничение уровней токов короткого замыкания (т.к.з.) и возможность надежного электроснабжения потребителей от двух независимых источников питания. То есть в схеме присутствуют элементы, единичный отказ которых приводит к одновременному погашению систем или секций систем сборных шин, имеющих подключение к рассматриваемым источникам питания.
Таким образом, появление схем РУ с большим числом систем сборных шин было вызвано необходимостью секционировать сеть с целью обеспечения:
- необходимого, произвольного с режимных позиций распределения присоединений между системами сборных шин;
- ограничения т.к.з.;
- определенной надежности электроснабжения потребителей.
Вместе с тем, раздельная работа систем сборных шин не накладывает
ограничений на создание единой, связанной сети.
Недостатком раздельной работы систем сборных шин является часто возникающее неэкономичное потокораспределение активной мощности в энергосистеме, что связано с дополнительными перетоками мощности и увеличением потерь электроэнергии в сетях. Это отрицательное влияние ослабляет принцип построения структуры сети, получивший название «сети с концентрированной структурой». Он используется при небольших межузловых расстояниях в сети, когда центры производства и потребления расположены довольно близко. Роль сети высшего напряжения в этом случае состоит не в транспорте электроэнергии, а во взаиморезервировании различными генерирующими источниками.
Наконец, надежность электроснабжения потребителей обеспечивается также выбором структурных схем понижающих подстанций, а в ряде случаев, как например, в Германии и Италии, и электростанций. Для подстанций часто предусматривается установка трансформаторов (автотрансформаторов) в количестве более двух штук. В частности, трехчетырехтрансформаторная понижающая подстанция при росте ее нагрузки является типовым решением почти во всех промышленно развитых странах. Сборные шины РУ таких подстанций, как правило, секционируются по числу питающих вводов. При этом требование к необходимости электроснабжения потребителей от двух источников питания может реализовываться
независимо от положения шиносоединительных или секционных выключателей.
Вторая группа стран - это главным образом США, Канада и, частично, Австралия, где принципиально не используются радиальные схемы с несколькими системами сборных шин. Считается, что основной причиной отказов в энергосистемах являются отказы оборудования при проведении с ним 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 применяют схему с одной секционированной системой сборных шин с обходной системой шин и кольцевые схемы. В сетях более высоких напряжений 500-765 кВ используются в основном кольцевые схемы. В первую очередь - это схема 3/2, далее - многоугольники (причем значительно распространены 10-12-угольники) и схема 4/3. В схеме с одной секционированной системой сборных шин (с обходной системой или без нее) применяется ее многократное секционирование через один - два выключателя.
Другой способ повышения надежности радиальных схем состоит в том,
что:
- сборные шины секционируются двумя последовательно включенными выключателями (что приблизительно в 1990-х годах также было введено в отечественную практику);
- или источники питания подключают к секциям системы сборных шин через два выключателя, в то время как воздушная линия электропередачи (ЛЭП) - одним выключателем. Это решение широко распространено в сетях 132 и 330 кВ в Австралии.
В последние 20-25 лет в рассматриваемых странах все заметнее тенденция массового внедрения кольцевых схем для РУ напряжением 100300 кВ. Хотя еще в 40-х годах прошлого века некоторые американские и канадские компании уже использовали только кольцевые схемы для сетей класса 60 кВ и выше.
В радиальных схемах, как уже указывалось ранее, в каждом присоединении требуется 1 выключатель, в кольцевых - 1 и более на 1 присоединение, в полуторной схеме, например, 1,5 выключателя. Таким образом, затраты, связанные с капиталовложениями, на РУ с радиальными схемами при прочих равных условиях могут быть ниже, чем для РУ с кольцевыми схемами. Тем не менее, единичный отказ в радиальной схеме любого выключателя присоединения к системе или секции системы сборных шин может привести к отключению смежных элементов (как показывает статистика, это примерно 60% общего числа отказов) и к полному погашению шин. Для сравнения, в схеме 3/2 при наиболее тяжелой расчетной аварии, используемой чаще всего при проведении технико-экономических сопоставлений и заключающейся в отказе 1 выключателя во время планового ремонта другого, возможна потеря максимально всего двух присоединений.
Поэтому с точки зрения учета фактора 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 и соответственно затрат, связанных с капитальными вложениями. Именно такой способ был принят при выборе схемы КРУЭ (комплектного элегазового распределительного устройства) 800 кВ для подстанции в ЮАР (рис.2).
Анализ схемы на рис.2 показывает, что на 8 присоединений предусмотрено 12 ячеек выключателей. Столько же их потребовалось бы для более надежной полуторной схемы с 8 присоединениями. В связи с этим, можно заключить, что экономические сопоставления не всегда являются главным критерием при выборе схем РУ: решающее значение могут иметь сложившиеся традиции, связанные с вопросом унификации технических решений.
К третьей группе можно отнести те страны, где применяются схемы, выполненные по обоим принципам, - Россия, Индия, Китай, Япония и др. Для отечественных электроустановок на напряжение до 220 кВ включительно в основном применяется схема с двумя системами сборных шин с обходной системой шин, при напряжении 330 кВ и выше - схема 3/2 (для электростанций), трансформатор - шины и четырехугольник (для подстанций).
Основная причина использования в нашей стране радиальной схемы с двумя (а не с одной) системами сборных шин заключается в том, что при наличии более одной системы сборных шин возможна любая группировка присоединений к ним. 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.
Если в нашей стране области применения радиальных схем в зависимости от номинального напряжения сети раньше были достаточно жестко зафиксированы (при напряжении до 220 кВ), то в других странах рассматриваемой группы существует несколько иной подход. Так, в Индии и в Японии использование радиальных схем, имеющих, как правило, не более двух систем сборных шин, распространено наряду с кольцевыми схемами (преимущественно это полуторная схема) вплоть до напряжения 400 кВ (Индия) и 500 кВ (Япония). Причем кольцевые схемы предусматриваются, когда фактор надежности выдачи мощности электростанций или электроснабжения потребителей оказывается главенствующим.
Другой особенностью отечественной практики применения радиальных схем в распределительных сетях 110-220 кВ является тот факт, что в наиболее распространенной схеме с двумя системами сборных шин и обходной системой шин в нормальном режиме шиносоединительный выключатель включен (режим фиксированных присоединений). В то же время, в распределительных сетях западноевропейских стран при использовании таких схем шиносоединительный выключатель часто отключен в нормальном режиме.
Замкнутое положение шиносоединительного выключателя, с одной стороны, объяснимо. Во-первых, межузловые расстояния в отечественных распределительных сетях 110-220 кВ в несколько раз превышают межузловые расстояния даже для системообразующих сетей 400 кВ западноевропейских стран. Во-вторых, отечественные системы характерны значительной несбалансированностью по активной мощности энергоузлов при концентрации генерирующих мощностей на отдельных электростанциях или в отдельных регионах. В таких условиях нормально отключенное положение шиносоединительных выключателей приведет к нарушению естественного потокораспределения активной мощности в сетях 110-220 кВ, что экономически невыгодно. С другой стороны, если шиносоединительный выключатель нормально замкнут, то его отказ, связанный с отключением смежных элементов, при отсутствии секционирования систем сборных шин приведет к полному погашению РУ.
Таким образом, в схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шин или без нее при нормально включенном шиносоединительном выключателе не обеспечивается одно из основополагающих требований к схемам электрических соединений, используемое большим количеством стран и связанное с необходимостью электроснабжения потребителей от двух независимых источников питания. Таким образом, можно сделать вывод, что обоснование целесообразности использования тех или иных типов схем РУ должно быть увязано с общими принципами построения энергосистем в целом.
В схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шин их секционирование за счет установки дополнительных (секционных) выключателей способствует решению задачи обеспечения электроснабжения
потребителей от двух независимых источников питания, но не является эффективным [1].
Во-первых, при секционировании сборных шин общее число выключателей в схеме может оказаться равным их числу в более надежной кольцевой схеме (см. рис.2).
Во-вторых, Р.Г. Гурьев и Р.Л. Станиславский предложили модификацию схемы с двумя системами сборных шин с обходной системой шин. Из шиносоединительного выключателя и выключателя какого-то присоединения образуется развилка с выходом на 2 рабочие и обходную систему шин (рис.3). Коммутация прочих присоединений остается как в типовой схеме. Данная схема по сравнению со схемой на рис.2 не требует дополнительной коммутационной аппаратуры, обеспечивает экономию площади и при подключении, например, на понижающей подстанции к этой развилке воздушной линии (ВЛ) полностью устраняет недостаток, связанный с погашением всего РУ при отказе шиносоединительного выключателя. Данное решение может быть распространено и на схему с одной секционированной системой сборных шин с обходной системой шин.
Рис.3 - Модификация схемы с двумя системами сборных шин с обходной
системой шин
Наличие в схеме с двумя системами сборных шин разъединителей сказывается на ее надежности. В частности, авария на любой развилке из двух шинных разъединителей при выполнении ими коммутаций приведет к полному погашению РУ при несекционированных сборных шинах.
Итак, анализ принципов формирования схем РУ электроустановок позволил выявить некоторые закономерности в их использовании и сформулировать ряд выводов:
1. Принципы построения схем РУ электроустановок следует увязывать с общими принципами построения структуры энергосистем.
2. Применение схем РУ с большим числом систем сборных шин вызвано потребностью секционировать сеть с целью обеспечения необходимого с режимных позиций распределения присоединений между системами сборных шин, ограничения т.к.з., определенной надежности электроснабжения потребителей.
3. В общем случае, если в энергосистеме обеспечивается самосбалансированность энергоузлов по генерирующей мощности с учетом взаиморезервирования, то для сетей, выполняющих функции реализации межсистемного эффекта, можно допустить применение менее надежных, чем в распределительных сетях, схем РУ электроустановок.
4. Структура сетей влияет на предпочтительный режим работы радиальных схем РУ. В распределительных сетях при «концентрированной» структуре (центры производства и потребления электроэнергии совмещены, обеспечивая самосбалансированность энергоузлов) для шиносоединительных выключателей РУ типично нормально отключенное положение. При отходе от указанного принципа построения энергосистем или в системообразующих сетях при самобалансе энергоузлов, для схем РУ характерен режим фиксированных присоединений. Они по возможности симметрично распределяются между обеими системами сборных шин, а шиносоединительный выключатель нормально включен.
5. Одна из наиболее распространенных в сетях 110-220 кВ отечественных энергосистем схема с двумя системами сборных шин с обходной системой шин не обеспечивает электроснабжения потребителей от двух независимых источников питания.
Литература
1. Балаков Ю. Н., Васильчиков А. И., Лаврентьев В. М., Шевченко А.
Т., Шунтов А. В. Коммутационные узлы энергосистем. Под ред. А.В. Шунтова. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 240 с.
2. Двоскин Л. И. Схемы и конструкции распределительных устройств.
М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.
