1.3. Уровни (ступени) системы электроснабжения

Деление системы электроснабжения по напряжению до 1 кВ и выше традиционно. Однако такое деление не учитывает, что система электро­снабжения до 1 кВ и выше также многоступенчата, иерархична. Напри­мер, проектирование и эксплуатация РП 10 кВ отличается от проекти­рования ГПП, а вопросы, решаемые при проектировании ГПП, отлича­ются от вопросов, решаемых для границы раздела с энергосистемой. Многоуровневость нужно учитывать при расчете электрических нагру­зок, регулировании электропотребления, компенсации реактивной мощности, оптимизации потерь в сетях и т. д.

При развитии промышленного предприятия развивается и его элект­рическое хозяйство. Как техническая система оно рассматривается в качестве объекта проектирования, планирования, управления, обес­печения функционирования. Выделение электрического хозяйства в самостоятельный объект исследований определилось в период экстен-

сивного развития (30-80-е годы), когда произошло резкое увеличе­ние количества установленного электрооборудования.

В проектном задании для любого завода в целом и для каждого цеха в 30-е годы приводился полный перечень устанавливаемых элект­родвигателей, трансформаторов. Прямым счетом определялись провод­никовые материалы, низковольтные аппараты, электросчетчики. В 1929 г. для полного развития типового доменного цеха предполага­лось установить 107 электродвигателей (для прокатного — 287). На всем Магнитогорском металлургическом заводе проектом предусматри­валось установить 1334 электродвигателя, на Кузнецком - 1042, на Сталинградском тракторном заводе — 1548. Электроснабжение — через заводские РП (ЦРП) от ТЭЦ на генераторном напряжении 6-10 (иног­да 3) кВ. Связь с энергосистемой совмещалась с открытым распредели­тельным устройством ТЭЦ ОРУ 35(110) кВ. Практически имели дело с двумя ступенями по напряжению: распределительным напряжением 6-10 кВ и низковольтным 380/220 В (сначала 220/127 В).

В 50-х годах для связи с энергосистемой стали сооружаться район­ные подстанции с высшим напряжением 110(154) и 220(330) кВ, а затем 500 и 750 кВ. Рациональным было признано строительство ГПП и ПГВ, максимально приближаемых к потребителям электроэнергии и во многих случаях совмещаемых с РП цехов. Количество уровней системы электроснабжения увеличилось, сама схема усложнилась. На каждом уровне стала проявляться специфика, влияющая на принимае­мые технические решения.

Теоретически и практически следует различать следующие уровни (ступени) системы электроснабжения (рис. 1.1):

отдельный электроприемник, агрегат (станок) с много двигательным приводом или другой группой электроприемников, связанных техно­логически или территориально и образующих единое изделие с опреде­ленной (документально обозначенной заводом-изготовителем) паспорт­ной мощностью, - первый уровень, питающийся по одной линии, 1УР;

щиты распределительные напряжением до 1 кВ переменного тока и до 1,5 кВ постоянного тока, щиты управления, шкафы силовые, вводно-распределительные устройства, шинные выводы, сборки, магистра­ли - второй уровень, 2УР;

щит низкого напряжения трансформаторной подстанции 10(6)/ 0,4 кВ или сам трансформатор (при рассмотрении следующего уров­ня - загрузка трансформатора с учетом потерь в нем) - третий уро­вень, ЗУР;

шины распределительной подстанции РП 10(6) кВ (при рассмотрении следующего уровня - загрузка РП в целом) - четвертый уровень, 4УР;

шины главной понизительной подстанции, подстанции глубокого ввода, опорной подстанции района - пятый уровень, 5УР;

граница раздела предприятия и энергосистемы - шестой уровень,

6УР [заявляемый (договорной), лимитируемый, контролируемый и отчетный уровень].

Указанное количество уровней, если рассматривать систему электро­снабжения предприятия в целом, можно рассматривать как минималь­ное. Близкие (подобные) схемы и подход можно применить к системе обслуживания и ремонта электрооборудования, к другим вопросам, связанным с созданием электрического хозяйства и управлением им.

Возможно появление заводских распределительных пунктов на ПО (220) кВ, которые питаются от районных источников питания и предназначены для увеличения количества присоединений (ячеек) и

экономии проводниковой продукции. От распределительных под­станций РП 10 кВ могут питаться не только ТП 10/0,4 кВ и высоко­вольтные двигатели, но и вновь РП 10 кВ. Есть случаи, когда и эти РП в свою очередь питают еще РП 10 кВ. В связи с внедрением напряже­ния 10 кВ как преимущественного возникают подстанции 10/6 кВ с соответствующим РУ 6 кВ. Для 2УР распространено питание распреде­лительного щита 0,4 кВ от другого щита (появление еще нескольких подуровней), что особенно характерно для удаленных и маломощных потребителей.

Развернем схему на рис. 1.1 на примере крупного металлургиче­ского комбината. Представим 6УР по возможности полностью, а каждый более низкий уровень последовательно будем представлять одним из элементов, раскрывая его (рис. 1.2-1.6). Таким образом, мож­но получить реальное представление обо всей системе электроснабжения

завода, считая, что каждая ячейка питает электроустановку более низ­кого уровня, а общее количество установок не меньше числа отходя­щих линий. Оценочно примем, что количество элементов от уровня к уровню изменяется в 10 раз (на порядок).

Завод (рис. 1.2) питается от районной ТЭЦ энергосистемы, где будет установлено пять турбогенераторов (2 х 100 + 2 х 120 + 1 х 150 МВт), и от трех районных подстанций энергосистемы 220/110 кВ, которые подключены к двум УРП 500/220 кВ "Сарбала" и "Металлургическая"

Узловая распределительная подстанция энергосистемы имеет большую мощность и отличается тем, что мощность, получаемая ею от объединен­ной энергосистемы, распределяется (без трансформации или с трансфор­мацией) линиями 110(220) кВ между районными подстанциями или ПГВ предприятия. Трансформация на напряжение 110(220) , 154(330) кВ на УРП применяется в тех случаях, когда она получает питание на напря­жении 500, 750 кВ. В ряде случаев происходит своеобразное совмещение подстанций, в результате которого можно отказаться от районных подстанций, аналогичных приведенным на рис. 1.2. Такое решение было принято для района Старого Оскола, где сооружена районная (узловая) подстанция 750/500/330/110 кВ с выходом по 750 кВ на Курск и подстанция 500/330/110 кВ с выходом 500 кВ на Воронеж. С каждой из

этих подстанций на металлургический комбинат осуществлено по два глубоких ввода на подстанцию 330/110 кВ.

Граница раздела 6УР проходит по отходящим ячейкам районных подстанций энергосистемы "Восточная", "Лесная", "Степная" и ЗРУ ПО кВ районной ТЭЦ, от которых идут воздушные линии к заводской РП 110 кВ и заводским ГПП. Одна из них изображена на рис. 1.3 и со­ответствует 5УР. От ее ячеек питается распределительная подстанция РП-128 "Лужба", составляя 4УР (рис. 1.4). От подстанции питаются высоковольтные электродвигатели (ячейки № 7, 8, 19, 20) и 20 транс­форматорных подстанций. От ячеек № 35 и 44 запитаны два трансфор­матора электроремонтного цеха (рис. 1.5) по 1000 кВ • А с выходом на магистраль, образующую ЗУР. Цех выбран как объект, на котором уста-

новлено массовое оборудование, применяющееся во всех отраслях про­мышленности, и как объект, где электрики выступают как технологи, принимая технологические решения, определяющие не только электри­ческую часть, но и строительную, санитарно-техническую и др. От маги­стралей 1МГ, 2МГ, выполненных шинопроводом ШМА-73, питаются отдельные электроприемники, распределительные шкафы ШР, распреде­лительные шинопроводы ШРА и троллеи. На рис. 1.6 показана часть 2УР и электроприемников 1УР.

В общем случае 6УР - уровень потребителя электроэнергии - это в целом предприятие, организация, территориально обособленный цех, строительная площадка. Уровень, называемый заводским электроснаб­жением, интегрирует нагрузки ГПП, ПГВ, ОП, ЦРП и распределитель­ных устройств заводских ТЭЦ. С системой внешнего электроснабже­ния 6УР связан линиями электропередачи, которые присоединены к источникам питания энергосистемы: районным и узловым подстанци­ям энергосистемы; ГРУ и РУ ТЭЦ, ГРЭС, ТЭС, ГЭС, АЭС; ГПП энер­госистем, находящимся на территории предприятия. Сейчас эти внешние источники питания имеют номинальное напряжение от 6 до 750 кВ.

Особенность 6УР заключается в том, что для этого уровня имеются наиболее достоверные, сравнимые и обширные данные по заявленному получасовому максимуму нагрузки Р_зтах, фактическому максимуму в режимные дни, среднегодовой и среднесуточной нагрузке и др. Это же относится к сведениям по качеству электроэнергии, зна­чению реактивной энергии, значению напряжения, значению токов КЗ и другим сведениям, определенным техническими условиями. Но имен­но на этом уровне в наибольшей степени неприменима классическая электротехника, нет аналога, имеющего классический физический смысл: нет одной ЛЭП, трансформатора, выключателя и т. д. Связей (если сделать сечение по 6УР) всегда несколько, и их количество может доходить до нескольких десятков (на рис. 1.2 показана лишь часть связей).

Высшее напряжение трансформаторов ГПП определяется шкалой напряжений, сложившейся в энергосистеме. На большей части страны существует система 500/220/110 кВ (тогда техническими условиями на присоединение задается напряжение ПО или 220 кВ), в европейской части развивается система 750/330/154 кВ (задается 154 или 330 кВ). Напряжение 35 кВ для системы электроснабжения не рекомендуется и применяется, например, для дуговых сталеплавильных печей (это связано с надежной конструкцией печных трансформаторов и выклю­чателей на 35 кВ), для удаленных потребителей небольшой мощности (шлаковые отвалы, отстойники очистных сооружений, временные подстанции строителей).

Распределительные подстанции 4УР получают электроэнергию от ГПП или ТЭЦ на напряжении 10(6) кВ и предназначены для ее приема и распределения между цеховыми ТП и отдельными электронриемника-

ми высокого напряжения (электродвигатели, преобразователи, элект­ропечи). Функции РП могут выполнять распределительные устройства ПГВ. В некоторых случаях РП совмещаются с цеховыми ТП для удоб­ства питания цеховых потребителей электроэнергии. 5УР и 4УР относят к внецеховому электроснабжению, сети называют межцеховыми (маги­стральными), а напряжение — распределительным (обычное 10 кВ, иногда оно достигает 110 кВ, 6 кВ сохраняется для реконструируемых заводов или при большом количестве высоковольтных двигателей сред­ней мощности 6 кВ). От 5УР осуществляется электроснабжение круп­ного цеха или района (район конвертерного цеха, район ремонтных цехов и др.), от 4УР питаются цеха, отдельные здания и сооружения. Обслуживание 5УР осуществляется цехом сетей и подстанций. Часть подстанций 4УР тесно связана с производственным процессом — тех­нологией (частое включение высоковольтного оборудования) — и об­служивается производственным персоналом технологического цеха. Количество подстанций 5УР для крупного завода составляет несколько штук, достигая иногда 10 и более; количество подстанций 4УР на одну ГПП составляет 3—8 с двумя-тремя вводами на каждое РП.

Цеховые ТП предназначены для преобразования электроэнергии напряжением 10(6) кВ в напряжение 220/380, 660 В и питания на этом напряжении цеховых электрических сетей. К цеховым электрическим сетям 220/380 и 660 В присоединено большинство электроприемников промышленных предприятий. Одними из элементов системы электро­снабжения являются преобразовательные подстанции, которые пред­назначены для преобразования переменного тока в постоянный, а также для преобразования энергии одной частоты в другую. При на­чальном рассмотрении схемы электроснабжения ПП рассматриваются аналогично ТП как потребители ЗУР.

При современных тенденциях развития систем распределения элект­роэнергии на 0,4 кВ через ТП низковольтных щитов непосредственно у трансформатора может и не быть, тогда распределительные функции выполняет щит станций управления при применении схемы блок транс­форматор - ЩСУ или токопровод при применении схемы блок транс­форматор — магистраль.

Количество силовых элементов для ЗУР крупных заводов велико, например трансформаторов I-III габаритов 500-1500 шт. (высоковольт­ных двигателей и других высоковольтных электроприемников может быть меньше или больше).

Расчет, который жестко определяет каждый элемент на стадии тех­нико-экономического обоснования предприятия, возможен лишь при многих допущениях для 6УР, 5УР и в отдельных случаях - для 4УР. Для низких уровней возможны лишь локальные расчеты (выбор ка­беля, цеховой ТП, распределительного шкафа), так как количество элементов системы электроснабжения растет в направлении сверху

вниз, т. е. от границы раздела предприятия с энергосистемой до ко­нечных электроприемников в сети напряжением до 1 кВ.

Уровни отражают сложившуюся или проектируемую систему элект­роснабжения, представленную различными схемами. Они могут быть упрощенными (на всех уровнях) для принятия принципиальных ре­шений по схеме электроснабжения завода в целом (см. рис. 1.2), от­дельного производства, цеха, отделения или участка или единичного электроприемника. На таких схемах указываются не все коммутацион­ные аппараты, секции и пр. Так называемые принципиальные схемы отдельных ГПП (рис. 1.3), РП (рис. 1.4), элементов ЗУР (рис. 1.5) и 2УР (рис. 1.6) содержат все необходимые сведения, соответствуя ра­бочей документации — фактическому состоянию уровня.

Схемы электроснабжения и отдельных элементов того или иного уровня дополняются планами (для 6УР и 5УР они составляются на основе генерального плана в масштабах 1 : 500, 1 : 2000, 1 : 5000, для 4УР, ЗУР, 2УР — на основе строительного или технологического плана). Такие планы представляют собой планы-схемы (рис. 1.7) или планы, целью которых является размещение электрооборудования или элект­рического сооружения в целом. На планах указываются справочные размеры и размеры, ответственность за которые несет электрик. При предварительных согласованиях планы-схемы могут быть без размеров.