Методика синтеза схем распределительных устройств при проектировании систем электроснабжения объектов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Kuznetsova Anna Dimitrievna, master, gor tiila aramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Lipireva Polina Sergeevna, master, gor tulaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Shashaeva Vladislava Andreevna, master, gor tulaaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.316.1; 658.26(075.8)

МЕТОДИКА СИНТЕЗА СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ

В.М. Степанов, В.С. Косырихин

Представлены общие требования к РУ напряжением 10(6 кВ) и методика их синтеза при проектировании электрических сетей и электрооборудования систем электроснабжения промышленных объектов.

Ключевые слова: промышленные объекты, электрические сети, силовое электрооборудование, синтез, распределительные устройства.

Синтез схем РУ цеховых трансформаторных подстанций (ТП) определяются характеристикой ЭП и схемами межцехового и внутрицехового распределения электроэнергии. Их, как и схемы ГПП, следует проектировать без сборных шин первичного напряжения при радиальном и магистральном питании.

Радиальное питание небольших однотрансформаторных подстанций (до 630 кВ*А) производят по одиночной радиальной линии без резервирования на стороне ВН при отсутствии нагрузок 1-й категории.

Взаимное резервирование в объёме 25...30% на однотрансформаторных подстанциях следует осуществлять с помощью перемычек на напряжении до 1 кВ (при схеме «трансформатор-магистраль») для тех отдельных подстанций, где оно необходимо.

Радиальные схемы цеховых двухтрансформаторных бесшинных подстанций следует осуществлять от разных секций РП, питая каждый трансформатор отдельной линией. Каждую линию и трансформатор рассчитывают на покрытие всех нагрузок 1-й и основных нагрузок 2-й категории при аварийном режиме. При отсутствии точных данных о характере нагрузок каждая линия и каждый цеховой трансформатор можно выбрать предварительно, причём мощность трансформатора должна составлять 80.90% от суммарной расчётной мощности нагрузок, подключаемых к подстанции.

Магистральные схемы_питания подстанций должны применяться:

а) при линейном расположении подстанций, обеспечивающем прямое прохождение магистралей от источника питания до потребителей. Число трансформаторов, присоединяемых к одной магистрали, должно быть два-три при мощности трансформаторов 1600.2500 кВ*А и четыре-пять при мощности 250.630 кВ*А;

б) при необходимости (по условиям бесперебойности питания) резервирования подстанции от другого источника в случае планового вывода их работы или выхода из строя основного питающего пункта;

в) во всех других случаях, когда магистральные схемы имеют технико-экономические преимущества по сравнению с другими схемами.

При отсутствии ЭП напряжением свыше 1 кВ и радиальном питании по схеме блок линия - трансформатор схемы цеховых ТП выполняются упрощёнными, без сборных шин на первичном напряжении -10 кВ и с глухим присоединением трансформатора к питающей линии.

Коммутационные аппараты на вводе необходимо устанавливать в следующих

случаях:

1) при питании от пункта, находящегося в ведении другой эксплуатационной организации;

2) при удалении пункта питания от ТП на 3.. .5 км;

3) при питании от воздушной линии;

4) если отключающий аппарат нужен по условиям защиты, например, для воздействия газовой защиты на выключатель нагрузки.

В магистральных схемах электроснабжения на вводе устанавливают разъединитель или выключатель нагрузки с предохранителями, что необходимо для селективного отключения трансформатора при его повреждении.

Согласно ПУЭ применение выключателя нагрузки с предохранителем разрешается для трансформаторов мощностью до 1600 кВ*А, электродвигателей - до 1500 кВт, батарей статических конденсаторов до 400 квар. В этом случае обеспечивается защита их от ненормальных режимов работы, а расчётные параметры допускают установку выключателя по всем показателям.

Распределительный щит до 1 кВ не устанавливается при питании цеховых ЭП по схеме блока трансформатор-магистраль. Магистральный шинопровод подключается непосредственно к трансформатору через автомат, обеспечивающий быстрое отключение магистрали при аварии, пожаре, несчастном случае и т.п.

Радиальные схемы питаются от щита НН, к которому через рубильники и предохранители или автоматы подключаются линии отдельных цеховых РП или крупные ЭП. На двухтрансформаторных подстанциях сборные шины щитов НН секционируются рубильниками или автоматами. При раздельном питании силовой и осветительных нагрузок соответствующие щиты НН получают питание каждый от своего трансформатора.

Питание ЭП свыше 1 кВ или наличие связи с соседними подстанциями при ра-диально-проходных схемах электроснабжения требуют распределения электроэнергии на напряжении 6.10 кВ. При этом цеховая ТП может совмещаться с РУ, выполняемым с одной не секционированной или секционированной системой шин.

Не секционированная системы шин применяется при питании по одной линии и неответственных ЭП третьей категории надёжности. Наличие ЭП первой и второй категории требуют секционирования шин нормально разомкнутым разъединителем или выключателем. Каждая секция питается по отдельной линии. Секционный аппарат включается при исчезновении напряжения на шинах и отключении питающей линии. Тип аппарата определяется характеристикой потребителя. Выключатели устанавливаются при автоматическом резервировании питания, применении релейной защиты и дистанционном управлении. Обычно на цеховых РУ выполняются две секции шин.

Схемы подстанций со сборными шинами используют только при невозможности применения блочных схем. При этом следует применять одну секционированную систему шин и предусматривать АВР потребителей 1-й категории. Применение двух систем шин допускается только на мощных ТП ответственного назначения с большим числом присоединений. На всех присоединениях малой и средней мощности при напряжении 6-10 кВ рекомендуется применять выключатели нагрузки в комплекте с предохранителями ПК или без них, когда параметры этих аппаратов удовлетворяют рабочему и аварийному режимам установки.

К подстанциям с вторичным напряжением до 1 кВ относятся главным образом цеховые подстанции промышленных предприятий, получающие питание от 11111 и РП, размещённых на территории предприятия. Если потребитель имеет приёмники 2-й и 3-й

категорий, то на подстанции может устанавливаться один трансформатор без сборных шин на стороне ВН. Наиболее простыми и надёжными в этом случае считаются схемы цеховых подстанций, подключаемые радиально к 11111 или РП, с выключателями нагрузки или предохранителями на стороне ВН и с автоматами или рубильниками с предохранителями на стороне НН (рис. 1, а.).

При магистральном подключении цеховых подстанций к ГПП или РП на стороне ВН подстанции устанавливаются предохранитель или выключатели (рис. 1, б). При мощности трансформаторов 630 кВ*А и выше дополнительно устанавливается трансформатор напряжения для питания цепей газовой защиты. При наличии у потребителя приёмников 1-й категории бесперебойность их электроснабжения должна быть обеспечена резервированием, осуществляемым автоматически со стороны НН другой цеховой подстанции. Более надёжным считается электроснабжение потребителей 1-й категории при использовании на цеховой ТП двух трансформаторов с устройствами АВР, установленными на стороне НН.

Если силовые и осветительные ЭП питаются раздельно, а потребитель имеет нагрузки с резко колеблющимся графиком, требующим регулирования включённой мощности, то на цеховой ТП устанавливают более двух трансформаторов для силовой и осветительной нагрузок.

Схема двухтрансформаторной подстанции приведена на рис. 1, в. Подстанция выполняется с выключателями на вводах на стороне ВН. Выключатель ВЗ в нормальном режиме отключён, и каждая секция шин питается от своего ввода. При аварийном отключении одного из вводов с помощью устройства АВР включается секционный выключатель ВЗ и электроснабжение подстанции переводится на один ввод (I или II).

На рис. 1 приведена схема ТП, в которой на стороне ВН питание осуществляется по двум лучам (магистралям). Подстанция имеет устройство АВР на стороне НН, работающее при отключении одного из трансформаторов. Защита трансформаторов со стороны ВН осуществляется плавкими предохранителями с кварцевым наполнением типа ПК, со стороны НН и отходящие к потребителям линий - плавкими предохранителями типа ПН2.

На цеховых ТП следует применять РУ ВН (если к подстанции подключены ЭУ ВН) и РУ РУ ВН (при магистральных схемах с несколькими магистралями и радиальных семах внутрицехового электроснабжения). ТП со соборными шинами (с РУ ВН и РУ НН) рекомендуется устанавливать в тех случаях, когда невозможно применение блочных схем.

Выкатные тележки КРУ рекомендуется применять:

а) в крупных и ответственных установках, в которых необходима быстрая взаимозаменяемость при повреждении основного аппарата - выключателя;

б) в машинных залах металлургических и химических предприятий; компрессорных, насосных и других электромашинных помещениях;

в) в электроустановках с числом камер более 15-20, когда по условиям общей компоновки подстанций возможно двустороннее обслуживание камер.

Камеры типа КСО рекомендуется применять: - для подстанций, на которых возможно применение выключателей типа ВМП или выключателей нагрузки типа ВНП;

- для временных подстанций, строительных площадок и т.п.

Комплектные распределительные устройства (КРУ) предназначены для работы в распределительных устройствах сетей трехфазного переменного тока с изолированной или заземленной через дугогасительный реактор нейтралью. КРУ набираются из отдельных камер, в которые встроены электротехническое оборудование, устройства релейной защиты и автоматики, измерительные приборы и т. п. Камеры определенной серии независимо от схемы электрических соединений главной цепи имеют аналогичную конструкцию основных узлов и, как правило, одинаковые габаритные размеры. В зависимости от конструктивного исполнения все КРУ можно разбить на следующие группы:

стационарного исполнения; выкатного исполнения; моноблоки, заполненные элегазом.

а б в

Рис. 1. Схемы электрических соединений цеховых трансформаторных подстанций: а - радиальное присоединение; б - магистральное присоединение;

в - для силовой и осветительных нагрузок

Рис. 2. Схема электрических соединений двухтрансформаторной двухлучевой

подстанции

В комплектных распределительных устройствах стационарного исполнения коммутационные аппараты, трансформаторы напряжения, трансформаторы собственных нужд небольшой мощности устанавливаются в камерах неподвижно.

В комплектных распределительных устройствах выкатного исполнения вышеперечисленное оборудование устанавливается на выкатных тележках.

Моноблок представляет собой компактное распределительное устройство на три—пять присоединений, заполненное элегазом (выпускаются моноблоки с возможностью расширения), предназначенное для небольших распределительных пунктов и РУВН трансформаторных подстанций 6...20 кВ. Моноблоки имеют принципиально новую конструкцию, использующую современные технологии и аппараты. В России первый элегазовый моноблок «Ладога» выпускается с 2004 г. предприятием ПО «Элтехни-ка».

Комплектные распределительные устройства выпускаются для внутренней (внутри здания, в том числе модульного) и наружной установки.

В последние годы много внимания уделялось созданию малогабаритных комплектных распределительных устройств выкатного и стационарного исполне-

ния. Таким требованиям удовлетворяют камеры КС0-202 (ЧЭАЗ), камеры КРУ/ТЕL («Таврида Электрик»), камеры К-66, КСО-ЗУЩ (ОАО «Самарский завод «Электрощит»), камеры КСО «Аврора» (ПО «Элтехника») и ряд других.

Предприятия электротехнической промышленности выпускают различные серии комплектных распределительных устройств, в том числе КРУ целевого назначения, с различными техническими характеристиками, габаритными размерами, параметрами оборудования, схемами первичных соединений.

Сравнительная характеристика наиболее современных комплектных распределительных устройств разных групп приведена в табл. 1.

Таблица 1

Технические характеристики комплектных распределительных устройств

Параметр Стационарное исполнение серии Выкатное исполнение Моноблоки*

КСО-300 КСО-200

Номинальное напряжение, кВ 6; 10 До 35 До 20

Основной коммутационный аппарат ВН В В (В и ВН)

Номинальный ток сборных шин, А 630 До 1600 До 3150 (4000) (До 630)

Минимальный номинальный ток выключателя, А 400 630 630 (В-200) (ВН-200)

Электродинамическая стойкость, До 51 До 128 н.д.

Термическая стойкость, кА До 20 До 50 (25)

Габаритные размеры камер (моноблока на одно присоединение), мм: ширина глубина 500—600 800 2086 300—750** 800**2180-2380** От 750*** От1150*** 2300*** (ВН - 532) (В - 632)

Масса, кг 400 350** 600*** 135

Примечания:

1. Принятые сокращения: В — высоковольтный выключатель; ВН — выключатель нагрузки.

2. Данные в скобках относятся к устройствам зарубежных фирм.

* Информация по моноблокам приводится по имеющейся информации.

** Информация дана по КСО «Аврора». Наиболее малогабаритными камерами стационарного исполнения являются камеры КРУ/ТЕЬ на три присоединения на токи до 630 А (550-850 х 550 х 2000).

*** Размеры зависят от схемы и номинального тока камеры. В таблице приведены значения для /н до 1600 А.

Для каждой серии комплектных распределительных устройств заводом-изготовителем предлагается сетка схем первичных соединений камер (схемы электрических соединений главных цепей). Для комплектных распределительных устройств принципиально новой модульной конструкции серии КРУ/ТЕL схемы первичных соединений приводятся не для камеры, а для модуля, а предприятие-изготовитель предлагает варианты схем типовых камер, составленных из отдельных модулей.

Схемы первичных соединений камер подразделяются на следующие виды: с высоковольтным выключателем (вводы, отходящие линии, секционирование); с выключателем нагрузки или с выключателем нагрузки и предохранителем (вводы, отходящие линии, секционирование); с разъединителями (секционирование); с измерительным трансформатором напряжения и др. (табл. 2).

На схеме первичных соединений камер показываются все основные элементы установленного электротехнического оборудования. В камерах, предназначенных для среднего расположения в РУ, т. е. такого, при котором с обеих сторон камеры установлены смежные камеры, сборные шины проходят в обе стороны, что и отображается в схеме. При крайнем положении камеры в распределительном устройстве у сборных шин ставится вертикальная линия, показывающая, что в этом месте сборные шины кон-

чаются. В камерах выкатного исполнения отсек сборных шин в этом месте закрывается металлической заглушкой или перегородкой. Такая же линия ставится при наличии в схеме камер секционирования.

Таблица 2

Схемы первичных соединений камер КРУ/TEL

Схема главных цепей

Номер модуля

1

"Л

ОН

фоф

1

ф^фф^ф

фоффс*ф 7 у

Назначение модуля

Линия сОКП

Линия с ДКП

Линия с ДКП, ТН и ОПН

Линия с ДКП

Схема главных цепей

фоффсф

Номер модуля

i . Л

фоф

6и 7

Назначение модуля

Линия с ДКП, ТН и ОПН

Секционные модули

ОПН ТН и ОПН

Схема главных цепей

Т

фоф

s

фоф

Л

фоф

Номер модуля

10

11

12

13

14

Назначение модуля

ЗР

Линия с ОКП, ТН и ОПН

Линия с ОКП, ТНиОПН

Линия с ОКП

Схема главных цепей

•к

•Н

фоф

Номер модуля

А

ф<)ф

фоф

фоф

15

16

17

18

Назначение модуля

Линия с ОКП

CP

Секционные модули

Линия с ОКП

Примечание. В таблице используются следующие сокращения: ОКП — однокабельное

присоединение; ДКП — двухнедельное присоединение;

ЗР — заземляющий разъединитель; ТН — трансформатор напряжения.

Камеры на напряжение 6 и 10 кВ комплектуются электрооборудованием на но-

минальное напряжение 10 кВ, трансформаторы напряжения, разрядники, силовые предохранители, трансформаторы собственных нужд устанавливаются на напряжение 6 и 10 кВ.

По новым правилам в комплектных распределительных устройствах должна предусматриваться защита от дуговых коротких замыканий. Существует два наиболее распространенных типа дуговой защиты, которыми оснащаются производимые в России КРУ: фототиристорная и клапанная. Принцип действия первой основан на контроле светового потока, появляющегося в момент возникновения дуги, с помощью фототиристоров. Фототиристорная дуговая защита обладает хорошей чувствительностью и быстродействием, позволяет локализовать повреждение в начальный момент возникновения дуги, но имеет существенный; недостаток — низкую надеж-

ность фототиристоров. С развитием производства волоконной оптики стало возможным применение волоконно-оптических кабелей в качестве датчиков обнаружения электрической дуги, что позволило повысить надежность дуговой защиты и улучшить ее характеристики. Современной оптоволоконной защитой, оснащены камеры КСО «Аврора» (табл. 3).

Таблица 3

_Схемы типовых шкафов КРУ/ТЕЬ__

Схема главных цепей

т

нК1

•н

фск>

т

•iK1

•ч

фоф

т

•(К1

•-t

ф<>ф

т

•iK1

•н

фоф

т

•iK1

•ч

фоф

т

•iK1

•н

фоф

г

л

л

фаф

Номер модуля

Номер шкафа

0111

1116

Схема главных цепей

I

фоффсэф У У

3

фс*ф

фофффф У

I

фаф

Номер модуля Номер шкафа

0*296

0496

Схема главных цепей

I

фс>ф фс У У

Л

I

фоф фоф

Номер модуля

Номер шкафа

0792

0794

Схема главных цепей

Л

т

•"К1

et

ф(ф

т

•н

фоф

т

"К1

•-I

фоф

Л

т

"К

•н

фоф

J

■iK1

—I

Ф<*Ф

Номер модуля Номер шкафа

10

7111

1

0(10)11

Клапанная защита реагирует на увеличение давления внутри объема ячейки, возникающего при горении дуги, что приводит к срабатыва-1 нию выхлопного клапана. Недостаток клапанной защиты — низкая чувствительность.

Камеры всех серий снабжены блокировками, исключающими оши- бочные действия обслуживающего персонала с коммутационными ап-паратами, что создает безопасные условия эксплуатации камер.

Подбор модулей, например, в камере КРУ/ТЕЬ, может осуществляться по схемам, приведенным в табл. 2. Схемы этих камер даны в табл. 3. Представленные схемы камер не исчерпывают всего их многообразия. При синтезе схем РУ могут быть сформированы любые комбинации модулей в пределах камеры КРУ/ТЕЬ.

Список литературы

1. Степанов В.М., Косырихин В.С. Проектирование систем электроснабжения объектов: учебно-методическое пособие для вузов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 372 с.

2. Степанов В.М., Косырихин В.С. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по системам электроснабжения промышленных предприятий: учебно-методическое пособие для вузов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 227 с.

3. Степанов В.М., Косырихин В.С. Расчёт и проектирование электрических сетей и систем. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 350 с.

4. Степанов В.М., Косырихин В.С. Электронные аппараты электропитающих систем и электропривода: учебно-методическое пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 225 с.

5. Правила устройств электроустановок. Седьмое издание. СПб: ДЕАН. 2007,

330 c.

6. Степанов В.М., Косырихин В. С. Расчет и проектирование систем промышленного электроснабжения: учебное пособие для вузов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 100 с.

7. Степанов В.М., Косырихин В.С. Проектирование систем внутрицехового электроснабжения промышленных предприятий: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению 654500, 181300, 650900 и 100400. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 87 с.

8. Степанов В.М., Косырихин В.С. Проектирование цеховых трансформаторных подстанций: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению 654500, 181300, 650900 и 100400. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 60 с.

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, директор УТЦ ««Энергоэффективность» еnergy®,tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Косырихин Виктор Семенович, канд. техн. наук, доцент, rerugyatuu. tula.uu, Россия, Тула, Тульский государственный университет

SYNTHESIS TECHNIQUE OF DISTRIBUTION DEVICES SCHEMES WHEN DESIGNING ELECTRICAL SUPPLY SYSTEMS OF OBJECTS

V.M. Strpaeov, V.S. Kouyuikhie

Thr grerual urquiurmretu fou a 10 (6 kV) uwitchgrau aed a methodfou thriu uyethruiu ie thr druige of rlrctuical ertwouku aed rlrctuical rquipmret fou powru supply syutrmu of industrial facilitiru aur pururetrd.

Kry woudu: ieduutuialfacilitiru, rlrctuical ertwouku, powru rlrctuical rquipmret, uyethruiu, uwitchgrauu.

Strpaeov Vladimiu Mikhaylovich, doctou of trcheical ucirecru, puofruuou, hrad of thr drpautmret, diurctou of thr rducatioeal aed trcheical cretru «Eerugorffrktiveout» rerugyatuu. tula.uu, Ruuuia, Tula, Tula utatr ueivruuity,

Kouyuikhie Victou Srmreovich, caedidatr of trcheical ucirecru, docret, rerugy@,tuu. tula.uu, Ruuuia, Tula, Tula utatr ueivruuity