2. Схемы понизительных подстанций

2.1. Трансформаторы

На подстанциях напряжением 35 – 220 кВ следует устанавливать трансформаторы с устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (с устройствами РПН). Как правило, при наличии потребителей 1 и 2 категории надежности электроснабжения устанавливаются два трансформатора. Большее количество трансформаторов (одного напряжения) на подстанциях в отечественной проектной практике применяют при соответствующем обосновании.

При выборе мощности трансформаторов двухтрансформаторных подстанций следует исходить из их допустимой правилами технической эксплуатации перегрузочной способности: масляный трансформатор способен в течение двух часов нести перегрузку 30%. Тогда формула для выбора номинальной мощности каждого из трансформаторов, устанавливаемых на двухтрансформаторной подстанции, следующая

.

Необходимо иметь ввиду, что отраслевые требования могут более жесткими: так, например, для подстанций предприятий нефтехимического комплекса может быть задано, что трансформатор в аварийных режимах должен работать с нагрузкой, не превышающей его номинальную мощность.

Трехобмоточные трансформаторы используются для связи сети среднего напряжения 35 кВ с сетью более высокого напряжении 110 – 220 кВ. Обмотка низшего напряжения выполняется на 6 – 10 кВ.

Автотрансформаторы используются для связи электрических сетей, когда на средней стороне автотрансформатора напряжение не ниже 110 кВ. Следует иметь ввиду, что трансформаторная обмотка автотрансформатора выполняется на мощность меньшую, чем его номинальная мощность: она может составлять 50 %, 40 %, 25 %.

Такое избирательное применение трансформаторов и автотрансформаторов связано с режимом заземления нейтралей в электрических сетях. Сети напряжением 35 кВ работают с изолированной нейтралью, а нейтраль у автотрансформаторов обязательно заземляется, что и обусловливает вследствие электрической связи между обмотками среднего и высшего напряжения их применение для связи вышеуказанных напряжений.

Со стороны выводов низшего напряжения трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов могут устанавливаться линейные регуляторы. По принципу работу – это трансформатор, номинальный коэффициент трансформации которого равен 1. Поскольку в автотрансформаторах устройство РПН устанавливается со стороны обмотки среднего напряжения, то для выдерживания необходимого напряжения с его низшей стороны можно использовать дополнительный регулировочный аппарат – линейный регулятор.

2.2. Комплектные блочные трансформаторные подстанции

напряжением 35 – 220 кВ

В курсовом проекте в первую очередь следует использовать комплектные трансформаторные подстанции.

Комплектные трансформаторные подстанции блочные (КТПБ) выпускаются на напряжение 35 – 220 кВ. Они могут стационарными или передвижными на салазках. Последние выпускаются для нефте- и газодобывающих отраслей, стройиндустрии, горнодобывающей промышленности. Конструкция подстанций предусматривает установку высоковольтного электрооборудования без железобетонных элементов. Трансформаторы устанавливаются мощностью от 1 до 125 МВА. Распределительные устройств (РУ) выполняются открытыми (ОРУ).

В состав КТПБ входят: силовые трансформаторы; линейные регулировочные трансформаторы (устанавливаются при необходимости независимого регулирования напряжения на стороне НН, так как РПН силового трансформатора регулирует напряжение на стороне СН); ОРУ; КРУН 6-10 кВ; жесткая и гибкая ошиновка; кабельные конструкции; общеподстанционное устройство (ОПУ); осветительные устройства; фундамент; молниезащита и заземление; ограда. ОРУ на все напряжения выполняется из унифицированных транспортабельных блоков, состоящих из металлического несущего каркаса со смонтированным на нем высоковольтным оборудованием. РУНН выполняется либо как КРУН, либо в модульных зданиях с КРУ внутренней установки. В ОПУ устанавливаются релейные шкафы.

В настоящее время освоен выпуск РУ-35 кВ с комплектными распределительными устройствами.

Рассмотрим, какие схемы распределительных устройств используются для подключения подстанций к электрической сети. Эти схемы должны выбираться в привязке к схеме электрической сети.

При радиальных и магистральных схемах электроснабжения, рис. 2.1, применяются блочные схемы подключения подстанций КТП1 и КТП2.

а) б)

Рис. 2.1. Схема магистральной электропередачи:

а – расположение подстанций на местности;

б – принципиальная схема

Также, если на рис. 2.1а считать, что вместо КТП2 подключена системная подстанция и двухцепная линия служит для передачи мощности транзита, то КТП1 может подключиться на отпайках к магистрали по блочной схеме, рис. 2.2. В настоящее время схемы на отделителях и короткозамыкателях на применяются в новом строительстве, а на подобных подстанциях, находящихся в эксплуатации, идет замена отделителей и короткозамыкателей на выключатели.

Пунктиром показано подключение трансформаторов напряжения: на 35 кВ устанавливаются однофазные ТН; на 110 и 220 кВ – трехфазные ТН.

В местах, помеченных знаком _*, устанавливаются разъединители, если возможна подача напряжения на сторону ВН со стороны СН (что возможно при установке автотрансформаторов и трехобмоточных трансформаторов).

Ремонтные перемычки, рис. 2.2, могут не устанавливаться по желанию заказчика. Они целесообразны при сезонных отключениях одного из трансформаторов. Тогда параллельная работа линий обеспечивает снижение потерь электроэнергии.

а) б)

Рис. 2.2. Блочные схемы подстанций 35 – 220 кВ:

а – блок (линия-трансформатор) с выключателем;

б – два блока с выключателями и неавтоматической

перемычкой со стороны линии

На 35 кВ в мостиковых схемах ремонтные перемычки (на разъединителях), как правило, не устанавливаются. На 110 и 220 кВ они также могут исключаться из схем при соответствующем обосновании. В этом случае РУ выполняется согласно рис. 2.3, но трансформаторы напряжения устанавливаются трехфазные, а трансформаторы тока устанавливаются во всех трех фазах. Данные схемы, рис. 2.3 и рис. 2.4, применяются при подключении трансформаторов мощностью до 63 МВА включительно.

Для повышения бесперебойности электроснабжении и снижения потерь мощности в трансформаторах и линиях в аварийных режимах (при отключении трансформатора или линии) мостиковые схемы могут применяться и для тупиковых подстанций или же подстанций, подключаемых на отпайках к магистрали, рис. 2.1.

В схеме рис. 2.5а на тупиковых и ответвительных подстанциях ремонтная перемычка и перемычка с выключателем нормально разомкнуты. При отключении одной из линий автоматически отключается соответствующий линейный выключатель и включается выключатель в перемычке. Отключение линии при повреждении трансформатора является недостатком данной схемы.

Рис. 2.3. Схема кольцевой электрической сети:

а – расположение подстанций на местности;

б – принципиальная схема

На проходных подстанциях перемычка с выключателем нормально замкнута, через нее осуществляется транзит мощности.

Особенность схемы рис. 2.5б в том, что при аварии в линии автоматически отключаются поврежденная линия и трансформатор. При аварии в трансформаторе после автоматических переключений в работе остаются две линии и два источника питания. Учитывая, что отключения трансформаторов в сравнении с отключениями линий происходят реже не менее чем на порядок, более предпочтительной является схема рис. 2.5а.

Схема четырехугольника, рис. 2.6, применяется в РУ 110 – 750 кВ при четырех присоединениях (две линии и два трансформатора) и необходимости секционирования транзитной линии при мощности трансформаторов от 125 МВА и более при напряжениях 110 – 220 кВ и при любой мощности трансформаторов при напряжениях 330 кВ и выше. Очевидно, что данная схема более надежна в сравнении с мостиковыми схемами, так как авария в линии и трансформаторе приводит к отключению только поврежденного элемента.

а) б)

Рис. 2.4. Мостиковые схемы РУ 35 кВ:

а – мостик с выключателями в цепях линий; б – мостик с выключателями в цепях трансформаторов.

Рис. 2.5. Мостиковые схемы РУ 110 – 220 кВ:

а – мостик с выключателями в цепях линий и ремонтной перемычкой со стороны линий;

б – мостик с выключателями в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов

Рис. 2.6. Схема четырехугольника.

При необходимости распределения электроэнергии и для повышения надежности электроснабжения применяются схемы со сборными шинами следующих видов на напряжениях 35 – 220 кВ:

– с одной несекционированной системой шин;

– с одной секционированной системой шин;

– с одной секционированной и обходной системами шин;

– с двумя системами шин;

– с двумя секционированными системами шин;

– с двумя системами шин и обходной;

– с двумя секционированными системами шин и обходной.

Схема «с одной несекционированной системой шин» применяется в сетях 6 – 35 кВ. В сетях 6(10) кВ схему называют одиночной системой шин. Объединение двух таких схем через секционный выключатель, рис. 2.7, обеспечивает подключение подстанции к двум независимым источникам со стороны ВН. Эту схему широко применяют в промышленных и городских электрических сетях на напряжениях до 35 кВ включительно. Допускается также ее применение при пяти и более присоединениях в РУ 110 – 220 кВ из герметизированных ячеек с элегазовой изоляцией, а также в РУ 110 кВ с выкатными выключателями при условии возможности замены выключателей в эксплуатационный период. В настоящее время такие выкатные выключатели на 110 кВ отсутствуют в отечественной практике (на 35 кВ есть), но в связи с разработкой вакуумных выключателей на 110 кВ в перспективе возможно применение данной схемы на базе ячеек КРУ-110 кВ.

Одним из главных недостатков схемы рис. 2.7 является отключение присоединения при выводе в ремонт соответствующего выключателя. Также, при ремонте одной из шин необходимо отключать все присоединения данной секции шин.

Первый недостаток устраняется при использовании обходной системы шин, а второй – при использовании двух систем шин. Данные схемы широко освещены в учебной литературе, поэтому на рис. 2.8 приведены только отдельные ячейки. Схемы с двумя рабочими системами шин от схем с одной секционированной системой шин легко отличить по «вилке» из двух разъединителей, рис. 2.8г, так как при одной секционированной системе шин (с обходной или без обходной шины), каждое присоединение содержит один шинный разъединитель, рис. 2.7.

В электрическом отношении ячейки «в» и «е» на рис. 2.8 одинаковые. Отличие заключается в разном монтажном исполнении: в первом случае шинные разъединители конструктивно расположены в РУ в одном ряду, во втором случае – в разных рядах..

К обходной шине к фазе «b» глухо присоединяется, как правило, однофазный трансформатор напряжения. Однако могут устанавливаться по желанию заказчика и трехфазные трансформаторы напряжения, что обеспечивает полный контроль за всеми тремя фазами обходной шины.

Рис. 2.7. Схема одна секционированная система шин

Секционный выключатель находится в отключенном состоянии в нормальном режиме в РУНН 6 – 10 кВ двухтрансформаторных подстанций. Это обеспечивает снижение токов короткого замыкания и выбор более дешевой коммутационной аппаратуры. На стороне СН и ВН подстанций секционные и шиносоединительные выключатели, как правило, включены, что связано с необходимостью перераспределения потоков электроэнергии на подстанции от питающих линий по отходящим присоединениям.

В технической литературе высказываются аргументы в пользу как схемы «с одной секционированной и обходной системами шин», так и схемы «с двумя системами шин и обходной» в отношении их надежности. В настоящее время нет общего установившегося мнения и руководствуются следующим: при числе присоединений 5 – 8 применяют первую схему; для ответственных системных подстанций, начиная с 5 присоединений, применяют вторую из упомянутых схем.

Однако в новых разработках института «Энергосетьпроект» (г. Москва), могут появиться и иные рекомендации. Специалисты этой организации склоняются в пользу схемы рис. 2.7.

а) б) в) г) д) е)

Рис. 2.8. Ячейки схем с системами сборных и обходной шин:

а, б, в – ячейки схемы с одной секционированной и обходной системами шин соответственно линии, трансформатора и секционного выключателя; г, д, е – ячейки схем с двумя системами шин и обходной соответственно узла из шинных разъединителей, обходного выключателя и шиносоединительного выключателя

Схема с двумя системами шин, рис. 2.9, вышла из употребления достаточно давно так как предполагала частые переключения с помощью разъединителей, что существенно снижало ее надежность. При этом ремонт любого выключателя приводил к длительному отключению соответствующего присоединения. Однако в связи с появлением новых коммутационных аппаратов опять вернулись к ее использованию.

Рис. 2.9. Схема с двумя системами шин

Схему «две рабочие системы шин» допускается применять в РУ 110 – 220 кВ при числе присоединений от5 до 15, если РУ выполнено из герметизированных ячеек с элегазовой изоляцией, а также в РУ 110 кВ с выкатными выключателями при условии замены выключателя в удовлетворяющее эксплуатацию время.

Н а рис. 2.9 подробно показан узел заземления нейтрали силового трансформатора, состоящий из заземляющего однофазного ножа (ЗОН) и ограничителя перенапряжения нелинейного (ОПН). В электрических сетях напряжением 110 – 220 кВ именно так организуется заземление нейтрали. Дело в том, что если наглухо заземлить нейтрали всех трансформаторов, то может оказаться, что токи однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) превысят токи трехфазного замыкания и электрооборудование на них не будет рассчитано. Друга причина (в том числе и если токи ОЗЗ не выше токов трехфазных замыканий) состоит в том, что при выводе в ремонт трансформаторов или же при отключениях линий нарушается уровень токов ОЗЗ, который сильно зависит от количества заземленных нейтралей. В результате необходимо перенастраивать соответствующие виды релейной защиты (РЗ), реагирующие на токи нулевой последовательности.

Чтобы избежать этого, в результате расчетов режимными службами энергосистемы определяется число и место расположения трансформаторов, у которых нейтраль разземляется. Ограничением служит допустимая величина напряжения на разземленной нейтрали, т ак как на напряжении более 35 кВ нейтрали трансформаторов не рассчитаны по уровню изоляции на фазное напряжение. Если, например, все нейтрали разземлить, то при однофазных замыканиях в сети на землю на нейтрали будет по отношению к земле фазное напряжение.

При частичном разземлении нейтралей у соответствующих трансформаторов для защиты нейтрали от перенапряжений, возникающих в сети, служат ОПН. Понятно, что когда нейтраль заземлена, ОПН не работает. Как правило, на одной подстанции оба трансформатора не работают с разземленными нейтралями: если у одного нейтраль разземлена, то у другого заземлена. Это позволяет без перенастройки РЗ выводить в ремонт трансформаторы с заземленной нейтралью на данной подстанции – достаточно заземлить при этом нейтраль соседнего трансформатора.