7семестр / ЭСС_ (Барбашов)ЭЗ-31(12.06.14) / ТЛ-1_н

сти обмоток ВН и СН равны между собой, а обмотка НН имеет пониженную мощность). Достоинством трансформатора с расщепленной обмоткой является увеличение реактивного сопротивления между ветвями, что позволяет ограничивать ток короткого замыкания на стороне НН. Поэтому понижающие трансформаторы с расщепленными обмотками получили широкое распространение. Повышающие трансформаторы с расщепленными обмотками применяют редко. Их устанавливают на электростанциях, когда несколько генераторов целесообразно присоединить к одному трансформатору. В этом случае число расщепленных обмоток трансформатора должно соответствовать числу подключаемых генераторов.

Сердечники трансформаторов собирают из листов специальной электротехнической стали, и вместе со всеми крепежными конструкциями и деталями они образуют остовы.

Для охлаждения трансформаторов и автотрансформаторов используют следующие системы:

1)естественное воздушное охлаждение, при котором сердечник и другие части трансформатора имеют непосредственное соприкосновение с окружающим воздухом или через защитный кожух. Охлаждение происходит посредством излучения и естественной конвекции воздуха и применяется в трансформаторах до 10 кВ мощностью до 0,75−1 МВА;

2)естественное масляное охлаждение, предусматривающее разме-

щение сердечника с обмотками в баке с трансформаторным маслом. Обмотки и сердечник охлаждаются при этом путем естественной конвекции масла, а поверхность бака – посредством излучения и естественной конвекции воздуха. В некоторых случаях бак заполняют вместо масла негорючей синтетической жидкостью, например совтолом. Естественная система охлаждения маслом или другой жидкостью применяется в трансформаторах мощностью 0,01−10 МВА;

3)масляное охлаждение с дутьем, при котором теплоотдача с по-

верхности бака формируется путем ее обдувания вентиляторами при естественной конвекции масла внутри бака. Эта система охлаждения позволяет увеличить теплоотдачу примерно в 1,5−1,6 раза по сравнению с естествен-

ным охлаждением и применяется в трансформаторах мощностью

10−60 МВА;

101

4) масляное охлаждение с принудительной циркуляцией масла. Мас-

ло из бака откачивается насосом, прогоняется через водяной или воздушный теплообменник и охлажденное, возвращается в бак. Такое охлаждение применяется в трансформаторах мощностью 40 МВА и более.

Современные трансформаторы и автотрансформаторы изготовливают с устройствами регулирования напряжения. Для этого их обмотки снабжают специальными регулировочными ответвлениями, при переключении которых можно менять коэффициент трансформации. В зависимости от способа переключения регулировочных ответвлений различают трансформаторы с регулированием напряжения путем переключения ответвлений обмоток без возбуждения (ПБВ) при отключенном трансформаторе и с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН).

Количество и мощности трансформаторов, устанавливаемых на ПС, должны обеспечивать надежное электроснабжение потребителей в рамках экономической целесообразности при эффективном использовании установленной трансформаторной мощности.

В силу различных обстоятельств в энергосистемах реально работают ПС с одним, двумя и большим количеством трансформаторов. Опыт строительства и эксплуатации подсказывает, что и впредь в каждом конкретном случае могут найти применение ПС с различным количеством трансформаторов.

Действующие нормативные документы на всех этапах развития электрических сетей рекомендовали применение на ПС, как правило, двух трансформаторов. При определенных условиях допускалось применение однотрансформаторных ПС. Установка двух трансформаторов на ПС − в большинстве случаев наиболее оптимальное решение. Для повышения использования трансформаторной мощности необходимо в режиме отключения одного трансформатора учитывать резервирование со стороны вторичного напряжения, а при совпадении этого режима с максимумом нагрузки − возможность ее частичного ограничения.

Заслуживает внимания постановка вопроса о применении на ПС трех-четырех трансформаторов, вплоть до ПС по упрощенным схемам. Трех- и четырехтрансформаторная понижающая подстанция в практике

102

почти всех промышленно развитых стран − типовое решение при росте ее нагрузки.

3.4.5. Распределительные устройства

По конструктивному исполнению РУ бывают открытыми (ОРУ) и закрытыми (ЗРУ).

Открытым называется РУ, все или основное оборудование которого расположено на открытом воздухе, а закрытым − РУ, оборудование которого размещено в здании. По стоимости ЗРУ дороже ОРУ, поэтому их, как правило, сооружают при напряжениях до 20 кВ включительно. ЗРУ более высоких напряжений (35, 110 и даже 220 кВ) сооружают в тех случаях, когда строительство ОРУ невозможно по условиям территории города или промышленного предприятия, а также вблизи морского побережья, в районах большой загазованности и т. п. Во всех остальных случаях РУ 35, 110, 220 кВ и выше, а также комплектные РУ (КРУ) наружной установки и мачтовые ПС (с расположением оборудования на специальных конструкциях или опорах ВЛ) до 20 кВ выполняют открытыми.

Различают сборные РУ, собираемые из отдельных элементов и узлов (шкафов, ячеек, панелей), изготовленных на заводах, и комплектные РУ, полностью изготавливаемые на заводах. КРУ для наружной установки сокращенно обозначается КРУН.

Блоки КРУ и КРУН предназначены не только для комплектования отдельных РУ, но и формирования комплектных трансформаторных и преобразовательных ПС − КТП и КПП. КТП состоит из трансформаторов или преобразователей и блоков оборудования, поставляемых в собранном или полностью подготовленном для сборки виде. КТП и КПП устанавливают в закрытых помещениях и на открытом воздухе и широко применяют в электрических сетях до 110 кВ. В последние годы получили распространение КРУ, заполненные элегазом − КРУЭ. Они обладают высокой надежностью, занимают небольшую площадь, особенно экономичны при сооружении ПГВ на территории с высокой плотностью застройки, а также в районах с загрязненной атмосферой или плохими климатическими условиями (низкие температуры, гололедообразования, туманы). До последнего времени применялись КРУЭ только внутренней установки, теперь они все шире выпускаются для наружной установки. При этом на ПС 110 кВ они зани-

103

мают примерно в 10 раз меньшую площадь, чем ОРУ, и в 3 раза меньшую, чем ЗРУ. Экономическая целесообразность применения КРУЭ возрастает при использовании их на СВН.

Как существенная часть РУ входят в состав не только ПС, но и РП, которые конструктивно выполняют в виде одноэтажных ЗРУ.

3.4.6. Преобразователи

Преобразователи предназначены для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямители) и выпрямленного тока в переменный (инверторы). В качестве преобразователей используют высоковольтные вентили, с помощью которых можно регулировать преобразуемый ток воздействием на сеточное изменение потока энергии. Автоматическое поддержание заданного режима работы передачи обеспечивается с помощью практически безынерционной системы управления вентилями. Надежность передачи постоянного тока и ее пропускная способность определяются в основном параметрами и свойствами вентилей.

Управляемые высоковольтные вентили являются основными элементами передачи постоянного тока. Из высоковольтных вентилей собирают схемы (мосты) преобразовательных ПС. От числа включенных мостов зависит напряжение передачи. В настоящее время применяются тиристорными преобразователи. Высоковольтные тиристорные блоки набирают из большого числа последовательно соединенных тиристоров (до 100 и более). Все тиристоры блока разделены на группы (модули), каждая из которых имеет свою систему управления и питание собственных нужд. Один высоковольтный тиристорный блок состоит из 10−15 таких модулей, включенных последовательно. В каждое плечо моста включается один тиристорный блок. К основным недостаткам тиристорных блоков следует отнести сравнительно большие потери энергии, высокую стоимость и большое количество составных элементов.

3.4.7. Компенсирующие устройства и реакторы

В ряде случаев на ПС устанавливают КУ, предназначенные для компенсации емкостной или индуктивной составляющей переменного тока и реактивных параметров линий. При этом компенсация реактивного сопротивления линии носит название продольной компенсации, а компенсация реактивной мощности и емкости линий − поперечной.

104

К устройствам продольной компенсации относятся включаемые по-

следовательно в линию батареи статических конденсаторов, реактивное сопротивление которых, складываясь с индуктивным сопротивлением линии, уменьшает его. Установки продольно-емкостной компенсации − емкостные УПК получили широкое распространение в сетях 0,38−500 кВ. Ведутся разработки УПК на напряжение 750 кВ. Такая обширная область применения УПК обусловлена их существенными преимуществами: снижением потерь мощности, увеличением пропускной способности линии, повышением устойчивости параллельной работы системы, повышением уровня напряжения в линиях, сглаживанием колебаний напряжения в сетях с резко переменной нагрузкой. Батареи конденсаторов включают в последовательные в цепочки, которые затем соединяют параллельно. Батарею изолируют от земли на полное рабочее напряжение линии и располагают на платформе, которую устанавливают либо на опорных изоляторах (опорный вариант − до 110 кВ), либо подвешивают на гирляндах изоляторов (подвесной вариант − 110 кВ и выше).

При последовательном включении в линию реакторов произойдет увеличение реактивного сопротивления линии. Это используют для уменьшения токов короткого замыкания. Такие реакторы называются токоограничивающими и выполняются в виде индуктивных катушек с малым активным сопротивлением. Витки реактора изолированы один от другого, а вся катушка изолирована от заземленных частей и закреплена на каркасе из изолирующего материала.

Поперечная компенсация изменяет реактивную мощность в сети. При этом повышается коэффициент мощности, что приводит к снижению потерь мощности и энергии в сети и увеличению уровней напряжения. К устройствам поперечной компенсации относятся СК, БСК поперечного включения, СД и СТК. К устройствам поперечной компенсации принадлежат и шунтирующие реакторы, устанавливаемые на ВЛ 330−750 кВ для компенсации емкости, вызывающей чрезмерное возрастание уровней напряжения в линиях. В отличие от токоограничивающих шунтирующие реакторы выполняют со стальным сердечником и воздушным зазором, что придает им сходство с трансформаторами. Помимо токоограничивающих и шунтирующих реакторов, на ПС могут устанавливаться заземляющие ре-

105

акторы, предназначенные для компенсации емкостных токов замыкания на землю.

На линиях СВН и УВН УПК и шунтирующие реакторы (вместе с соответствующей коммутационной аппаратурой) могут устанавливаться на специально сооружаемых в промежуточных точках линии секционных (переключающих) пунктах.

3.4.8. Элегаз как основа создания современных коммутационных аппаратов и распределительных устройств

Коммутационные аппараты, предназначенные для прерывания больших токов, протекающих в электрических сетях, используют активное воздействие какой-либо изолирующей среды на электрическую дугу в межконтактных промежутках аппаратов. Мировая практика высоковольтного аппаратостроения прошла последовательно этапы использования в качестве изолирующей среды сначала минеральных масел, а позднее − осушенного воздуха.

Возрастающие токи, коммутируемые воздушными выключателями, потребовали поиска другой изолирующей среды с более высокими изоляционными характеристиками. Такой изолирующей средой явился элегаз (электрический газ), позволивший создать качественно новую группу аппаратов передового технического уровня. Элегазовые аппараты, широкое применение которых в промышленно развитых странах началось более 40 лет назад, практически вытеснили в них воздушные выключатели на напряжениях класса 110 кВ и выше.

Элегаз (шестифтористая сера или гексофторид серы − SF6) − газ без цвета и запаха, химически инертен, состоит из 21,95 % серы и 78,05 % фтора. Газ не токсичен, не горит и не поддерживает горения, не взрывается и не образует взрывопожарных смесей. Элегаз является электроотрицательным газом, т. е. по своим свойствам является прекрасным изолятором. Его молекулы способны присоединять (захватывать) движущиеся свободные электроны, превращаясь таким образом в малоподвижные отрицательные ионы, имеющие примерно такую же скорость, что и положительные ионы, и поэтому легко рекомбинирующие с ними, снова превращаясь в нейтральные молекулы. Интенсивная рекомбинация электрически заряженных частиц быстро понижает проводимость межконтактного проме-

106

жутка коммутационного аппарата, чем существенно повышает скорость увеличения его электрической прочности после погасания дуги. По своей электрической прочности элегаз в 2,3–2,5 раза превышает воздух, а при давлениях 0,3–0,44 МПа соответствует прочности среднего качества трансформаторного масла. Хотя теплопроводность и удельная теплоемкость элегаза ниже, чем воздуха, и составляет 0,7 и 0,59 соответственно, за счет повышенной плотности (6,14 кг/м3) и более высоких конвекционных свойств, элегаз обладает хорошей охлаждающей способностью. Чем интенсивнее происходит отвод теплоты от ствола дуги, тем быстрее повышается ее сопротивление и электрическая прочность, тем меньше постоянная времени дуги.

Чистый элегаз не разлагается и не взаимодействует с специально подобранными металлами оболочек при температурах до 500 °С. Элегаз не вступает в реакцию с водородом, кислородом и другими активными веществами даже при температуре около 500 °С, не взаимодействует с медью и серебром. Применяемые диэлектрические материалы не изменяют свои свойства в атмосфере чистого элегаза.

Вследствие разложения элегаза под действием электрических разрядов (дугового, коронного, частичных), а также наличия примесей могут возникнуть чрезвычайно активные в химическом отношении и вредные для человека примеси, а также различные твердые соединения, оседающие на части конструкции аппарата и способные ухудшить его электроизоляционные характеристики. Интенсивность образования таких примесей и вредные последствия значительно усиливаются при наличии в элегазе примеси кислорода и особенно паров воды. Количество продуктов разложения (ПР) практически линейно возрастает с увеличением влагосодержания. Текущий систематический анализ элегаза на содержание примесей способствует раннему обнаружению внутренних неисправностей оборудования, снижению аварийности, повышению надежности работы. Анализ ПР является мощным средством, указывающим, когда необходим ремонт и какая наиболее вероятная причина отказа. В случае превышения максимально допустимого уровня примесей в оборудовании специализированные фирмы по производству элегаза производят его регенерацию. Каче-

107

ственные характеристики регенерированного газа полностью соответствуют элегазу в первоначальном состоянии.

К недостаткам элегаза, кроме способности образовывать вредные ПР, следует отнести высокую температуру сжижения. Так, при давлении 1,5 МПа температура сжижения составляет лишь плюс 6 °С, что требует, при необходимости, применения автоматических подогревателей.

Вцелях удешевления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешевым азотом. Смеси с содержанием азота до 40 % или тетрафторметаном по своей электрической прочности незначительно отличаются от чистого элегаза и обычно применяются в устройствах с большим заполняемым объемом, а также для работы при низких окружающих температурах.

3.4.9. Современное электротехническое оборудование ПС в Украине

Внастоящих условиях ПС являются важными элементами электроэнергетической системы, к которым предъявляются жесткие технические требования. Кроме того, они призваны эффективно обеспечивать и экономические интересы их владельцев − компаний, акционерных обществ. Эксплуатационные качества подстанционного оборудования все более становятся привалирующими при выборе технических решений по реконструкции или строительстве новых ПС.

Ранее закрытый и монополизированный внутренний рынок электротехнического оборудования, поставляемого отечественными производителями, к началу 2000-х годов в Украине практически превратился в рынок открытого типа, где конкурируют изделия разных производителей мирового уровня, в том числе и украинские.

Трансформаторы

Научно-технический потенциал и производственные мощности электротехнических предприятий Украины могут полностью обеспечить внутренние потребности энергетики страны в трансформаторном, реакторном и измерительном оборудовании (трансформаторы тока и напряжения) во всем диапазоне стандартных классов напряжений сетей Украины.

Кроме того, украинское трансформаторное оборудование производства ОАО «Запорожтрансформатор» активно экспортируется в разные страны мира.

108

Применение в качестве изоляционной среды элегаза вместо трансформаторного масла позволяет создавать мощные пожаро- и взрывобезопасные трансформаторы. А сочетание элегазовых трансформаторов с элегазовыми токопроводами и комплектными распределительными устройствами с элегазовой изоляцией (КРУЭ) открывает возможность для создания безопасных и компактных ПС, которые можно размещать даже внутри зданий в густонаселенных районах или под землей. Высокий качественный уровень трансформаторов отечественного производства при умеренных ценах на это оборудование ставит эти изделия вне конкуренции на внутреннем рынке Украины.

Выключатели

Собственное производство выключателей в Украине (фирмы производители − АВВ РЗВА, г. Ровно и «Таврида электрик», г. Севастополь) ограничено выключателями классов напряжения 6, 10, 35 кВ. Организация производства в Украине выключателей 110 кВ достаточно проблематична, хотя и не может быть исключена в перспективе. Однако в настоящее время для напряжений 110 кВ и выше украинская энергетика может использовать только импортные выключатели (западноевропейских производителей или заводов России). Такая ситуация практически безальтернативно ориентирует инвестора, ведущего реконструкцию или новое строительство ПС, на применение оборудования исключительно современного технического уровня и на выбор наиболее приемлемых аппаратов как по цене, так и по качеству. Замена изношенного оборудования на аналогичное является крайне нецелесообразной, т. к. при этом не будут существенно улучшены такие показатели, как надежность, эксплуатационные расходы, экологическая совместимость с окружающей средой, не будет достигнуто соответствие обновленным техническим нормам. Всё это, а также высокие темпы снижения остаточного ресурса выключателей 110−750 кВ на действующих ПС, ведущие к снижению надежности несмотря на значительные затраты, связанные с поддержанием их работоспособности (закупка запасных частей, не производимых в Украине, ремонт пневмокомпрессорных систем и т. п.) побудило Минэнерго Украины перейти к использованию элегазовых выключателей. В 1998 г. Минэнерго Украины запретило применение масляных и воздушных выключателей при новом строительстве и рекон-

109

струкции подведомственных ПС 220−750 кВ, отдав предпочтение элегазовым аппаратам. К началу 2000-х годов на рынке Украины прочно заняли место не только традиционные поставщики из России (Урал ЭТМ), но и ведущие фирмы по производству электротехнического оборудования − АВВ, SIEMENS, ALSTOМ и др.

Конструктивно элегазовые выключатели имеют различные типоисполнения: колонковые с общим приводом до 170 кВ и пофазным на все классы напряжения 72−800 кВ; Т- и Y-образные на напряжения свыше 245 кВ; баковые.

Колонковое исполнение выключателя очень удобно при проведении реабилитационных работ на ПС. Практически остаются фундаментные основания от демонтированных выключателей и требуется лишь соответствующая переходная платформа, увязывающая присоединительные размеры закрепления, − «фундамент-выключатель». Замена воздушных выключателей на элегазовые исключает на ПС хозяйство по подготовке и транспортировке воздуха (компрессоры, трубопроводы, системы осушки воздуха).

Исключение воздушного хозяйства существенно снижает энергопотребление собственных нужд ПС, так как не требуются затраты на почти непрерывную работу компрессоров.

Компактные распределительные устройства

Новые типоисполнения элегазовых выключателей позволяют компактировать ОРУ, что открывает возможности для более эффективного использования площадей, занимаемых действующими ПС. К таким разновидностям относятся баковые элегазовые выключатели и модули элегазовых ячеек. Элегазовые баковые выключатели с горизонтальным разрывом контактов, пружинным приводом и встроенными трансформаторами тока послужили основой созданию новых компактных конструкций РУ. Напри-

мер, фирма ALSTOM разработала ОРУ типа CAIS (Compact Air Insulated Switchgear) классов напряжения 70−170 кВ. Фирма АВВ поставляет на рынок ячейки серии ПААС МО классов напряжения 110−150 кВ, которые конструктивно объединяют следующие подмодульные блоки: баковый выключатель горизонтального исполнения; один или несколько разъедините-

110