4.2. Основные требования, предъявляемые к схемам распределительных устройств электроустановок
К схемам электрических соединений электроустановок предъявляется целый комплекс требований, из которых можно выделить семь основных: надежность, экономичность, удобство эксплуатации, технологическая гибкость, экологическая чистота, компактность и унифицированность
По степени надежности главные схемы ЭС должны выбираться исходя из важности и значения электростанции в энергосистеме с точки зрения надежного электроснабжения потребителей электрической энергии. Выбранная схема, в частности, должна обеспечивать:
допустимую (минимальную) потерю генераторной мощности ЭС в расчетных аварийных режимах (например, при устойчивом коротком замыкании на одной из систем шин ВН или СН);
сохранение транзита системных связей через шины РУ при авариях на электростанции;
ликвидацию аварий в РУ по возможности только операциями с выключателями;
питание РУ с.н. от энергосистемы после полной остановки электростанции.
В зависимости от конкретных условий (например, при сооружении электростанций в зонах повышенной сейсмичности, вечной мерзлоты и др.) к надежности главных схем могут предъявляться и другие требования.
При выполнении схем ГРУ ТЭЦ и ПС должны учитываться требования, связанные с категорией потребителей по степени ответственности их электроснабжения.
В соответствии с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) все потребители делятся на три категории:
I категория — электроприемники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение особо важных элементов городского хозяйства. Такие потребители должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания, иметь 100 %-ный резерв по питающим линиям электропередачи. Перерыв в электроснабжении таких потребителей допускается лишь на время автоматического ввода резервного питания (АВР), допустимого по условию самозапуска электродвигателей.
II категория — электроприемники, перерыв в электроснабжении которых связан с массовым недоотпуском продукции, простоем рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушением нормальной деятельности значительного числа городских жителей. Для таких потребителей допускается перерыв в электроснабжении на время, необходимое для включения резервного питания дежурным персоналом или выездной оперативной бригадой. Питание таких потребителей допускается осуществлять через один силовой трансформатор (при наличии передвижного резерва) по одной линии электропередачи.
III категория — все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категорий (например, электроприемники цехов несерийного производства, вспомогательных цехов, небольших поселков и т.п.). Для таких потребителей допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для ремонта или замены поврежденного элемента сети, но не более одних суток.
Под экономичностью схемы подразумевается принятие решений с учетом необходимых капитальных вложений и ежегодных издержек на производство тепловой и электрической энергии при обеспечении требуемой степени надежности. Принятие того или иного уровня надежности схемы производится на основании сопоставления затрат на его обеспечение с экономическими потерями (ущербом), связанными с нарушением ее работоспособности.
Под удобством эксплуатации схемы понимаются надежность работы и простота ее исполнения, снижение вероятности ошибок обслуживающего персонала в процессе эксплуатации, минимизация количества коммутаций в первичных и вторичных цепях, уменьшение количества аварий из-за ошибок персонала и отказов электрооборудования во время производства оперативных переключений.
Под технологической гибкостью схемы понимается ее способность адаптироваться к изменяющимся условиям работы при плановых ремонтах, аварийно-восстановительных работах, расширении, реконструкции и испытаниях.
Под экологической чистотой схемы понимается степень воздействия электроустановки на окружающую среду (шум, электрические и магнитные поля, выбросы, отходы и т.п.) и на человека.
Компактность схемы подразумевает минимизацию площадей, занимаемых РУ [например, применение элегазового распределительного устройства (КРУЭ) в 10 раз и более уменьшает площадь отчуждаемых земель для его сооружения по сравнению с традиционным решением].
Унифицированность схемы есть не что иное, как использование типовых решений, позволяющих снизить материальные, трудовые и финансовые затраты на проектирование, монтаж, пусконаладочные работы и эксплуатацию электроустановки.
4.3. Классификация схем распределительных устройств
На выбор схем РУ любого напряжения большое влияние оказывает совокупность следующих факторов:
тип электрической станции;
количество и мощность установленных генераторов;
количество линии связи с энергосистемой и категория их ответственности;
схема и уровень напряжения электрических сетей энергосистемы;
значение токов короткого замыкания (КЗ);
наличие оборудования требуемых параметров и его надежность;
параметры территории для сооружения РУ по намеченной схеме;
возможная конструкция РУ (ЗРУ, ОРУ).
В принятом условном делении схем РУ определяющим условием послужило количество выключателей на одно присоединение. Под присоединением в данном случае понимаются один или несколько трансформаторов, линии электропередачи, подключаемые через отдельные коммутационные аппараты средства компенсации реактивной мощности. В соответствии с принятым условным делением различают четыре основные группы схем РУ:
схемы с коммутацией присоединения одним выключателем (рис. 4.2) — одна-две (в западных странах одна-две-три, реже — четыре и даже пять) системы сборных шин с обходной системой шин либо без нее;
схемы с коммутацией присоединения двумя выключателями (рис. 4.3) — две системы сборных шин с двумя выключателями на присоединение (схема 2/1), две системы сборных шин с тремя выключателями на два присоединения (схема 3/2 или полуторная), две системы сборных шин с четырьмя выключателями на три присоединения (схема 4/3), многоугольники (треугольник, четырех-, пяти- и шестиугольник, в США и Канаде считаются приемлемыми для использования и десяти-, двенадцатиугольники);
схемы с коммутацией присоединения тремя и более выключателями (рис. 4.4) — связанные многоугольники, генератор—трансформатор—линия с уравнительно-обходным многоугольником, трансформаторы—шины;
схемы упрощенные, в которых число выключателей меньше числа присоединений (рис. 4.5) — блочные, ответвления от проходящих линий, мостики, расширенный четырехугольник, заход-выход. В некоторых схемах выключатели могут отсутствовать, вместо них используются отделители и короткозамыкатели или только отделители.
Схемы первой группы нередко именуются радиальными, второй и третьей групп — кольцевыми. В соответствии с этим принято говорить о радиальном и кольцевом построении схем РУ.
Классификация схем РУ в зависимости от числа выключателей на присоединение имеет под собой технико-экономическую основу.
4.4. Схемы, применяемые на генераторном напряжении
Одиночная несекционированная система сборных шин (рис. 4,6) является простейшей схемой РУ.
В этой схеме число выключателей равняется числу присоединений к сборным шинам. В каждой цепи кроме выключателя предусмотрена установка шинного и выходного (линейного) разъединителей, обеспечивающих отделение выключателя от других частей схемы (от шин и от сети) во время ремонта. Для ремонта любого выключателя и выходного разъединителя необходимо отключить от сборных шин соответствующее присоединение. Ремонт сборных шин и шинных разъединителей требует отключения всего РУ. При КЗ на сборных шинах происходит отключение всей установки, поэтому такие схемы применяются только для питания электроустановок потребителей 2-й категории надежности.
Одиночная секционированная система сборных шин (рис. 4.7) по степени надежности превосходит предыдущую схему. Она позволяет распределить присоединения источников энергии и резервирующих друг друга линий электроснабжения потребителей I категории надежности таким образом, чтобы при аварии на одной из секций сборных шин или ее ремонте питание ответственных потребителей могло осуществляться от секции, оставшейся в работе. Надежность этой схемы может быть повышена, если для ее реализации применить КРУ, позволяющее производить быструю замену выкатной части тележки с выключателем, что сводит к минимуму время, в течение которого питание ответственных потребителей осуществляется по одной из линий электропередачи. Количество секций РУ выбирают исходя из числа и мощности генераторов. Выход из строя одной секции не должен приводить к отключению генераторной мощности, не восполнимой за счет резерва мощности ближайшего узла электрической системы.
При большом числе секций, во избежание перетоков мощности вдоль сборных шин и для создания для крайних и средних секций одинаковых условий эксплуатации, одиночная секционированная система сборных шин замыкается в кольцо (рис. 7.7). Для ограничения токов КЗ применяются токоограничивающие реакторы, которые устанавливаются между секциями и в цепях питающих линий.
Приведенные схемы имеют общий недостаток — во время ремонта одной рабочей секции питание ответственных потребителей осуществляется по одной рабочей линии, что существенно снижает их надежность.
Для повышения надежности питания потребителей применяется двойная система сборных шин (рис. 4.9), где кроме секций рабочих шин предусмотрена резервная система шин. Каждое присоединение имеет развилку из двух разъединителей, позволяющих подключать его к рабочей секции или резервной системе шин. В данной схеме оба шинных разъединителя помимо функции отделения ремонтируемого выключателя от шин выполняют и функцию аппаратов, с помощью которых производятся оперативные переключения при переводе присоединения с одних шин на другие.
Во избежание ошибочных операций с разъединителями (разрыв цепи с током) данная операция производится в строго установленной последовательности. Например, перевод присоединений со 2-й рабочей секции на резервную систему шин следует производить в следующем порядке:
подается напряжение на резервную систему шин, для чего включаются оба шинных разъединителя шиносоединительного выключателя (ШСВ) 2-й секции, а затем и сам ШСВ;
далее включают шинный разъединитель переводимого присоединения на резервную систему шин и затем отключают шинный разъединитель от рабочей секции. Во избежание разрыва разъединителем цепи с током предусмотрена блокировка, запрещающая отключение одного из указанных разъединителей при отключенном другом;
эти операции поочередно повторяются с каждым из переводимых присоединений, включая секционный выключатель (СВ);
по окончании перевода отключается ШСВ 2-й секции и с этого момента роль 2-й рабочей секции переходит к резервной системе шин.
Схема с резервной системой шин позволяет производить ремонт рабочих секций при сохранении резерва цепей питания ответственных потребителей. Ограничение токов КЗ осуществляется путем установки секционных и линейных токоограничивающих реакторов. Наряду с указанными преимуществами данная схема имеет следующие недостатки: вдвое увеличивается число шинных разъединителей; усложняется конструкция, а следовательно, и обслуживание РУ; увеличивается стоимость РУ.