Электрические схемы подстанций

С развитием науки, технологий и даже политики принципиально меняются постановки и подходы к решению задач в технике. Это касается и схем распределительных устройств станций и подстанций. Если в этой области техники до 60-х годов была тенденция к усложнению при повышении надежности, то теперь наблюдается упрощение схем при повышении надежности и удешевлении сметной стоимости подстанции.

Рассмотрим историю развития наиболее распространенных схем подстанций и область их использования.

Самой простой электрической схемой (рис. 1.3) является схема с одной несекционированной системой шин. Каждое присоединение подключается к шине через свой выключатель и разъединители. Работа этой схемы заключается в том, что источники работают на одну сборную шину, с которой питаются потребители. Достоинства: простота, наглядность, минимальные затраты на сооружение. Недостаток – низкая надежность, которая проявляется при аварийном или ремонтном режимах сборной шины или выключателя присоединения.

Для повышения надежности сборную шину секционируют (рис. 1.4), т.е. делят на две части и более. Источники с потребителями распределяются равномерно по секциям. Такая схема широко применяется на распределительных устройствах (РУ) станций и подстанций напряжением до 10 кВ и напряжением до 220 кВ. Однако значительного снижения отключений при аварии или ремонте достигаются при секционировании, когда число секций равно числу присоединений, что неэкономично.

Производной от предыдущей является схема (рис. 1.5) с одной системой сборных шин, секционированной и соединенной в кольцо. Надежность такой схемы несколько выше рассмотренных ранее, и она применяется обычно на генераторном напряжении 6–10 кВ тепловых электростанций.

Дальнейшее совершенствование одной системы сборных шин привело к добавлению к рабочей системе (рис. 1.6) дополнительной обходной системы шин. Так как каждое присоединение подключено к обходной системе через свой разъединитель, то при выводе в ремонт выключателя присоединения достаточно включить дополнительный обходной выключатель и обходной разъединитель, выключатель которого должен ремонтироваться, и отключить выводимый выключатель. Достоинство такой системы – ремонт выключателя любого присоединения может производиться без перерыва электроснабжения. Недостатки: необходима установка обходного и секционного выключателей; ремонт основной рабочей системы шин невозможен без отключения питания, короткое замыкание на рабочей системе шин приводит к отключению питания всех потребителей поврежденной секции, повреждение секционного выключателя приводит к потере питания потребителей обеих секций. Такая схема применяется при ограниченном числе присоединений в РУ среднего напряжения 110–220 кВ станций и подстанций.

Следующей более совершенной является схема (рис. 1.7) с двумя ра­бочими системами шин. Каждое присоединение имеет выключатель и два шинных разъединителя. Причем каждая система шин может быть секционирована, что зависит от количества присоединений. Преимуществом такой схемы является быстрое восстановление питания присоединений при КЗ на шине путем переключения их на неповрежденную систему шин, а при секционировании каждой системы шин появляется оперативная гибкость, т. е. возможность произвольного разделения присоединений между системами шин. Недостаток – неизбежное усложнение схемы; вывод в ремонт выключателя присоединения вызывает кратковременное отключение питания этого присоединения. Схему с двумя системами сборных шин до 1960 г. принято было считать универсальной. В настоящее время она используется на станциях и подстанциях 110–220 кВ и большом числе присоединений.

Последний недостаток устраняется при добавлении к двум рабочим системам обходной системы шин (рис. 1.8). Важно отметить, что при высокой надежности на одно присоединение приходится один выключатель. Первая и вторая система сборных шин постоянно находятся в работе, а питание и нагрузки распределяются между ними. Обе рабочие системы могут быть также секционированы при большом числе присоединений. Обходная система шин (нижняя на схеме) и обходные выключатели вводятся в работу при выводе в ремонт выключателей без перерыва питания соответствующих присоединений. Область использования этой схемы, как и предыдущей, – РУ станций и подстанций напряжением 110–220 кВ.

Схема РУ (рис. 1.9) с двумя системами сборных шин и двумя выключателями на присоединение получили наибольшее распространение в США. В бывшем СССР по этой схеме выполнены несколько крупных станций. Достоинство – высокая надежность. Так как основную стоимость РУ составляют выключатели, то исключительно высокая стоимость является основным и существенным недостатком такой схемы. К тому же при коротком замыкании на шинах во время ремонта одной из системы шин произойдет полное отключение всех присоединений.

Сейчас распределительные устройства с двумя выключателями на каждое присоединение уступили место подобным устройствам, но с меньшим числом выключателей.

Такой является схема РУ с 3/2 выключателями на присоединение (рис. 1.10), иногда называемая полуторной схемой.

Каждое присоединение подключается через два выключателя. В нормальном рабочем режиме все выключатели включены и обе системы шин находятся под напряжением. Достоинство схемы: при ревизии любого выключателя все присоединения остаются в работе. Вероятность отключения ветвей при ремонте выключателей и внешних замыканиях в этой схеме меньше. Недостаток: отключение поврежденного присоединения двумя выключателями увеличивает общее количество ремонтов выключателей; усложнение цепей релейной защиты и др. В настоящее время такие схемы используются в РУ напряжением 330–750 кВ на мощных элек-тростанциях.

Подобной (здесь не приведенной) является схема РУ с 4/3 выключателями на присоединение. Она обладает такими же достоинствами, что и полуторная. Схема применяется в РУ напряжением 330–500 кВ мощных КЭС и АЭС.

На рисунке 1.11. изображена главная электрическая схема понижающей подстанции с одной системой сборных шин. Электрическая энергия напряжением U1 = 110 кВ (или 220 кВ) поступает по линии W1 и через включенные разъединители QS1, QS2, выключатель Q1 подается на обмотку высокого напряжения понижающего силового трансформатора Т1. От его обмотки низкого напряжения с U = 6 кВ (или 10 кВ) электроэнергия подается к потребителям:

– через включенный разъединитель QS3 и защитный предохранитель F2 к трансформатору собственных нужд (ТСН) Т2, который обеспечивает потребности подстанции в электроэнергии (для работы приводов механизмов, электрических схем релейных защит и автоматики, освещения, обогрева и т.д.);

– через включенные разъединители QS4, QS5 и выключатель Q2 к сборным шинам подстанции напряжением U2 = 6 или 10 кВ, от которой и происходит перераспределение энергии.

Рис. 1.11

 

От сборных шин питаются потребители P1, P2, P3, M1, M2 через соответствующие включенные коммутационные аппараты. Например, потребитель Р1 первого присоединения получает энергию через QS6, Q3, QS12, кабельную линию W2, понижающий силовой трансформатор цеховой подстанции (с U2 = 6 кВ или 10 кВ до напряжения U3 = 0,38 кВ или 0,66 кВ) Т3 и автоматический выключатель QF1. Электроприемниками потребителей P1, P2, P3 могут быть освещение, низковольтные двигатели механизмов, установки электролиза, электрические печи, сварочные аппараты и другие электроустановки промышленного назначения. Высоковольтные двигатели М1 и М2 питаются без понижающего силового трансформатора, непосредственно от шин с U2 = 6 или 10 кВ соответственно через QS8, Q5, QS14, W4 и QS9, Q6, QS15, W5. На всех уровнях напряжений производится измерение расхода электроэнергии, обеспечивается защита от повреждений и автоматическое управление электроустановками. В качестве датчиков используются измерительные трансформаторы тока, обозначенные на схеме символами ТА1–ТА8, и трансформаторы напряжения TV1, TV2.

Для защиты оборудования от перенапряжений устанавливаются разрядники FV1–FV4.

Как вы уже, наверное, заметили, каждый из выключателей Q1–Q7 с обеих сторон подключен к разъединителям. Так делается всегда для того, чтобы можно было производить ремонт выключателя с видимым разрывом цепи при включенном смежном оборудовании (например, ремонт Q3, когда на сборных шинах подстанции присутствует напряжение U2, или ремонт Q1, когда линия W1 находится под напряжением U1, ведь от нее могут питаться и другие подстанции).

Рассматриваемая подстанция является сложным “организмом”, который при “заболевании” должен защищаться. На подстанции такие “заболевания” возможны как внутри ее (короткие замыкания, перегрузка и др.), так и снаружи (понижение или повышение напряжения, частоты и др.).

Как любой организм борется с болезнями, так и всевозможные устройства релейной защиты (РЗ) и автоматики подстанции пытаются выявить и отключить поврежденный элемент, попробовать вновь включить, повысить напряжение на шинах потребителей и т.д.

Применение устройств РЗ и автоматики является обязательным средством повышения надежности электроснабжения. Релейной защитой называется комплекс устройств, которые производят отключение поврежденных узлов или участков систем электроснабжения, а также обеспечивают локализацию аварии. К наиболее распространенным средствам автоматизации относятся устройства автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического ввода резерва (АРВ). Первое предназначено для восстановления питания потребителей по воздушным или кабельным линиям путем автоматического включения отключившихся выключателей. Подавляющая часть коротких замыканий (КЗ) в воздушных электрических сетях происходят из-за атмосферных перенапряжений, набросов, схлестываний проводов и т.п. Участок линии в этом случае отключается, оставаясь, по существу, работоспособным. Для восстановления питания используется устройство, которое с выдержкой времени 0,5–3 с (определяется условиями защиты) производит АПВ. Если после отключения КЗ исчезло (оно называется неустойчивым), то после действия устройства АПВ (оно называется успешным и случается в 50–85 % от общего числа срабатываний) линия остается в работе. Если же КЗ устойчивое, то работа устройства АПВ (в этом случае неуспешное) приводит вновь к действию РЗ, отключению линии и блокировке АПВ. После устранения повреждения и включения линии в работу устройство АПВ через 20 с автоматически вводится в работу.

На устранение устойчивого КЗ обслуживающему персоналу требуется время, и для обеспечения бесперебойного питания некоторых ответственных потребителей используется устройство АВР, которое осуществляет переключение таких приемников на резервное питание по исправной линии электропередачи.

Рассмотрим случай, когда произошло КЗ на кабельной линии W2. К месту повреждения потечет ток в десятки раз больше номинального, его обычно называют током КЗ, так как он протекает через ТА4, к которому подключены устройства РЗ. Защита сработает и подействует на механизм отключения выключателя Q3. Кабельная линия W2 обесточится. Естественно, потребитель этого присоединения также перестанет получать электроэнергию, но зато значительный ток КЗ не сможет больше воздействовать на здоровые элементы подстанции и энергосистемы, что позволяет сохранить их работоспособность.

Если на рассматриваемом элементе установлено устройство АПВ, то через время 0,5–3 с, оно включит выключатель Q3. При условии исчезновения причины КЗ через это время, что вполне вероятно, питание потребителей восстановится. В противном случае РЗ опять даст сигнал Q3 на отключение и, пока эксплуатационный персонал не устранит повреждение, нельзя включать Q3.

Схема другой подстанции (рис. 1.12) с потребителями P1–P4, M1 имеет следующие отличия. Выключатели Q1–Q6 конструктивно выполнены на выкатных тележках и при массе каждого около полутонны могут свободно транспортироваться одним человеком на расстояния в пределах распределительного устройства (РУ).

Поэтому для вывода в ремонт выключатель отключается и выкатывается из ячейки РУ. Так как видимый разрыв обеспечен (выключатель одновременно выполняет роль разъединителей, в связи с чем специальная их установка не требуется), можно производить необходимые работы.

Вторая особенность: отсутствует выключатель на стороне высокого напряжения U1 подстанции, но появились другие коммутационные аппараты. Это короткозамыкатель QN1 и отделитель QR1. А работает эта система при возникновении КЗ в силовом трансформаторе Т1 следующим образом. При таком повреждении РЗ (на схеме не показана) питающей линии W1, установленная в “голове” линии, может не почувствовать такой ток КЗ, а РЗ трансформатора, подключенная к ТА2 и ТА4, должна обязательно сработать. Последняя подействует на QN1, который замкнется и сделает искусственное КЗ, сопровождающееся большим током, значительно превышающим ток при КЗ в трансформаторе. Релейная защита линии W1 такой ток КЗ почувствует и подаст сигнал на отключение своего выключателя (на схеме не показан). После его срабатывания в бестоковую паузу отключится QR1, а АПВ линии W1 вновь включит головной выключатель, и у других потребителей восстановится питание.

Схема подстанции (рис. 1.13) отличается от предыдущих тем, что потребители P1–P4, M1, M2 питаются от силового трансформатора, выполненного с расщепленными обмотками низкого напряжения (т.е. имеются две обмотки низшего напряжения, обычно одинаковые по мощности). Это делается для того, чтобы при больших мощностях силовых трансформаторов ограничить ток КЗ. В противном случае трудно будет найти выключатель Q1, который будет способен отключить ток КЗ без физического разрушения своей конструкции.

При проектировании систем электроснабжения необходимо учитывать категории потребителей электроэнергии. По степени надежности все потребители делятся на три категории.

Потребители первой категории – потребители, нарушение электроснабжение которых может повлечь опасность для жизни людей, повреждение оборудования, привести к значительному экономическому ущербу, массовому браку продукции, расстройству сложного технического оборудования. К таким потребителям относятся, например, химические производства, ряд металлургических производств, зрелищные мероприятия, на которых присутствует большое количество людей и т.д.

Электроснабжение потребителей первой категории в любых случаях должно быть надежно обеспечено и при его нарушении автоматически восстановлено. В связи с чем электроприемники первой категории должны иметь два или более независимых источника питания, каждый из которых мог бы полностью обеспечить их электроснабжение в нужных количествах.

Перерыв электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Потребители второй категории – потребители, нарушение электроснабжения которых может повлечь простой рабочих, механизмов, расстройств технологического процесса, нарушение нормальной жизни значительного числа городских и сельских жителей.

Потребители второй категории могут иметь резервный источник электроснабжения, подключение которого осуществляется через некоторое время после отказа основного источника. При нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала.

Потребители третьей категории – это неответственные потребители, которые не подходят под определения первой и второй категории. Например, вспомогательные цехи, небольшие поселки, небольшие односменные кустарные предприятия и т.д.

Возможность использования резервного источника определяется из сопоставления материальных затрат на создание системы резервирования и ущерба от перерыва электроснабжения. Установление резерва целесообразно, если ущерб от перерыва электроснабжения превышает затраты на построение системы электроснабжения с резервированием.

Приемники третьей категории резервным источником питания не обеспечиваются. Перерывы электроснабжения электроприемников третьей категории, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не должны превышать одних суток.

Cхемы электроснабжения (рис. 1.11–1.13) предназначены для приемников третьей категории.

Рис. 1.12

 

 

Рис. 1.13

 

На рисунке 1.14. изображена подстанция с двумя питающими вводами, силовыми трансформаторами и секциями сборных шин. Такая конструкция подстанций отличается от предыдущих повышенной надежностью и может использоваться для электроснабжения потребителей первой и второй категорий.

В нормальном режиме питание потребителей P1–P3, М1 первой секции производится от шины W1, через Т1 и включенные Q1, Q3, а потребителей Р6–Р8, М2 второй секции – от W2 через Т2 и включенные Q2, Q4. При этом так называемый секционный выключатель QB обычно отключен (также для ограничения токов КЗ). При возникновении КЗ, например, в Т1 релейная защита отключает Q1 и Q3, потребители первой секции теряют питание. На выключателе QB обычно устанавливается устройство АВР. Оно срабатывает при отключении Q1, Q3 и исчезновении напряжения U2 на сборных шинах первой секции. В результате АВР обеспечивает электрическую связь между первой (обесточенной) и второй (под напряжением) секциями благодаря включению QB. Питание потребителей восстанавливается от исправного трансформатора Т2. Потребители Р4 и Р5 имеют АВР по напряжению U3 = 0,38 кВ (0,66 кВ) и поэтому, независимо от положения выключателя QB, они могут питаться как от первой системы шин, так и от второй.