4. Проектування головної електричної схеми

Електротехнічна частина електричної станції характеризується не тільки параметрами її елементів, але і схемою їх з'єднання. Розрізняють головну електричну схему та електричну схему власних потреб електричних станцій. Проте виділення останньої із загальної схеми електричних з’єднань умовне. Оскільки джерелами енергії для електропостачання власних потреб являються генератори станції і енергосистема, то схема власних потреб повинна бути органічно зв’язана з головною електричною схемою. Особливо часто цей зв’язок проявляється для пікових та напівпікових електростанцій.

Головна електрична схема значною мірою визначає властивості електричної частини, і деякою мірою якість самої електричної станції у цілому: надійність, економічність, ремонтопридатність, безпека обслуговування, зручність експлуатації, ефективність компонування, можливість розширення.

Головна електрична схема електричної станції є частиною схеми енергосистеми. Електроенергія, що виробляється генераторами, передається через трансформатори та електричні з’єднання головної схеми і потрапляє в енергосистему з допомогою повітряних і кабельних ліній. Тому при її виборі необхідно враховувати ряд системних вимог.

Вибір головної електричної схеми являє собою дуже складну задачу. Різноманітність вихідних даних виключає можливість типових універсальних рішень, справедливих для будь-яких умов. Оптимізація рішення можлива тільки при врахуванні всього комплексу впливаючих на головну схему факторів, що потребує великого обсягу робіт з використанням найновіших методів автоматизованого проектування.

Процес розробки головної електричної схеми можна розділити на наступні етапи:

- вибір генераторів та їх систем збудження;

- вибір схеми приєднання електричної станції до енергосистеми;

- вибір структурної (принципової) схеми;

- вибір доцільного способу обмеження струмів КЗ;

- вибір схем електричних з'єднань розподільчих пристроїв основних напруг;

- розрахунок струмів КЗ;

- вибір електричних апаратів та провідників.

Потрібно звернути увагу на те, що вищезазначений розподіл на окремі етапи не означає жорстку хронологічну послідовність рішення перерахованих питань.

4.1. Вибір схеми приєднання електричної станції до енергосистеми

Сучасна електрична станція працює в складі енергосистеми. Від неї може бути здійснене електропостачання місцевого району навантаження. Для видачі енергії, що виробляється на проектованій електростанції, необхідна електрична мережа. При цьому треба враховувати, що схема видачі потужності електростанції залежить від напруги і схеми електричної мережі існуючої енергосистеми в якій буде працювати проектована електростанція. Якщо проектується потужна електростанція, то вона в свою чергу буде значно впливати на подальший розвиток мережі самої енергосистеми.

Вибір схеми приєднання до системи потужної електричної станції, яка сильно впливає на роботу цієї енергосистеми, входить до складу проекту розвитку самої енергосистеми.

Для ЕС невеликих потужностей схеми їх приєднання до енергосистеми розглядаються на стадії складання завдання на проект.

Проектування схеми приєднання електричної станції до системи включає:

- вибір напруг, на яких буде видаватися електроенергія;

- вибір числа, напрямку та пропускної здатності повітряних ЛЕП на кожній напрузі;

- визначення бажаного розподілу потужності, що генерується, між РП різних напруг.

Схема електропостачання споживачів містить у собі три рівні високої напруги електричних мереж:

- розподільчі мережі споживачів для передачі електроенергії від центрів постачання даного навантаження до окремих груп;

- розподільчі мережі системи, що служать для розподілу електроенергії між окремими споживачами в радіусі 30 – 100 км;

- основні (системоутворюючі) мережі системи, що зв'язують між собою ЕС і центри споживання даної енергосистеми.

Напруги 6–10 кВ використовують для розподільчих мереж у містах, сільській місцевості і на промислових підприємствах. Переважно застосовується напруга 10 кВ як більш економічна. Напруга 6 кВ використовується головним чином на промислових підприємствах, де встановлена велика кількість електродвигунів з номінальною напругою 6 кВ.

Напруги 35 – 110 – 150 кВ використовують для розподільчих мереж енергосистем. Мережа 150 кВ розвинута тільки в Дніпроенерго і районних мережах сусідніх енергосистем. Напруга 35 кВ поширена головним чином у сільськогосподарських районах.

Напруги 220 – 330 – 500 кВ використовують для формування основної системоутворюючої мережі енергосистем.

Міжсистемні зв'язки звичайно виконують на напругах 500 і 750 кВ, а в деяких випадках і на більш високих.

Границі між мережами різних рівнів напруг системи (розподільними й основними) умовні і динамічні. Так у міру збільшення щільності навантажень і потужності електричних станцій доцільно підвищувати рівень напруги розподільчих мереж.

Рис. 4.1. Зони використання ліній електропередач різних напруг. 1-1150 і 500 кВ; 2 – 750 і 330 кВ; 3 – 500 і 220 кВ; 4 – 330 і 150 кВ; 5 – 220 і 110 кВ; 6 – 150 і 35 кВ; 7 – 110 і 35 кВ.

Для попередньої оцінки рівнів напруг, на яких може видаватися електроенергія, що виробляється електричними станціями, на Рис. 4.1 дані граничні криві, що визначають економічні зони застосування різних напруг, а в Табл. 4.1 - граничні значення потужностей, які можна передавати по високовольтним ЛЕП в залежності від напруги і довжини передачі.

Потужні ЕС районного типу велику частину виробленої електроенергії видають в основні (системоутворюючі) мережі енергосистеми, для яких дана станція споруджується. Електростанція може мати місцевий район навантаження. І тоді необхідна району потужність видається в розподільчу мережу цією частиною системи. Можливі випадки, коли станція буде приєднана до лінії, що зв’язує дві енергосистеми. Відповідно до різноманітності вихідних умов видача електроенергії від потужних ЕС може здійснюватися на одній, двох і трьох підвищених напругах.

Граничні значення потужностей ліній та їх довжин. Таблиця 4.1.

Номінальна напруга лінії, Uном, кВ	Найбільша потужність, що передається по одному ланцюгу, МВт	Найбільша довжина лінії електропередачі, км
110	25-50	50-150
220	100-200	150-250
330	300-400	200-300
400	500-700	600-1000
500	700-900	600-1200
750	1800-2200	800-1500
1150	4000-6000	1200-2000

Одна напруга зустрічається рідко (приблизно на 10% електричних станцій) – головним чином на пікових ГАЕС чи ГТЕС. У більшості випадків (до 60%) видача потужності здійснюється на двох напругах: 110 – 220 кВ – у місцевий район навантаження, 330 – 500 кВ – в основну мережу енергосистеми, або в основні мережі двох напруг – 220 - 330 і 500 – 750 кВ.

Наявність трьох підвищених напруг сильно ускладнює електричну схему ЕС. Таке рішення може бути прийняте в двох випадках. Коли поряд з видачею потужності в дві основні мережі системи (наприклад, 220 і 500 кВ) виявляється доцільним здійснювати електропостачання місцевого району на більш низькій напрузі (наприклад, 110 кВ). Чи коли від ЕС, що видає потужність у свою систему на двох напругах (220 і 500 кВ), відходить ще лінія (чи лінії) зв'язку з другою енергосистемою, що має інші рівні напруг (330 і 750 кВ).

Лінії основної мережі системи особливо важливі. Їх відключення зв'язане зі зниженням стійкості паралельної роботи генераторів системи, обмеженням виданої станцією потужності, зниженням якості електроенергії. Тому при виборі числа і пропускної здатності ВЛ основних мереж, що відходять від ЕС, враховуються наступні системні вимоги:

- при роботі всіх ліній електропередач, що відходять від станції, а також при відключенні кожної з них, повинна забезпечуватися видача всієї наявної потужності ЕС при нормальному рівні стійкості і належній якості електроенергії в споживачів;

- при одночасному відключенні двох ліній мережі (двох її елементів) в повній схемі (до аварійного відключення всі її елементи були в роботі), чи при аварійному відключенні однієї лінії в ремонтному стані схеми мережі, допускається обмеження виданої електричною станцією потужності.

Підхід до вибору кількості ВЛ, що відходять, помітно залежить від розміщення ЕС відносно центрів навантаження системи. Якщо електрична станція споруджується в центрі навантаження, то її розподільчі пристрої стають потужними комутаційними вузлами системи. Число високовольтних ліній, що відходять, визначається, в основному, не значенням виданої ЕС потужності, а перетоками обмінної потужності між вузлами мережі системи. Сумарна пропускна здатність ВЛ, що відходять від даної ЕС, звичайно, значно перевищує сумарну потужність генераторів, що підключені до РП даної напруги станції.

Якщо електрична станція розташована далеко від центрів навантаження, то число ВЛ і їх пропускна здатність вибираються строго у відповідності зі значеннями виданої ЕС потужності. При цьому економічно доцільно вибирати можливо меншу кількість ліній (з урахуванням надійності).

ТЕЦ споруджують поблизу центрів місцевого навантаження (міст, промислових підприємств). Тому частина виробленої електроенергії вони можуть видавати в розподільчі мережі місцевого навантаження на генераторній напрузі, а іншу частину – у розподільчу мережу системи на напругах 110 – 220 кВ. Сучасні ТЕЦ з теплофікаційними агрегатами 100 і 250 МВт охоплюють електропостачанням великі території і майже всю потужність видають у розподільчі мережі системи 110 і 220 кВ.

Під час вирішення питань приєднання ЕС до системи, на початку проектування головної електричної схеми ЕС, повинні бути відомі:

- характеристики навантажень на цих напругах;

- схеми мереж, число і довжина ліній, що відходять, на кожній напрузі, оснащення ліній (шунтуючі реактори, конденсатори, загороджувальні високочастотні пристрої);

- величини допустимих втрат потужності, що генерується , за умовами стійкості паралельної роботи і достатнього резерву потужності в системі з урахуванням пропускної здатності ліній;

- рекомендовані графіки активної та реактивної потужності генераторів відповідно до місця ЕС у покритті графіка навантаження системи;

- дані по струмах короткого замикання від системи.