Предисловие
Настоящее пособие составлено в соответствии с государственным образовательным стандартом и предназначено для изучения курса «Электрические станции и подстанции» студентами университетов, осуществляющих подготовку по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника», профили подготовки «Электроэнергетические системы и сети» и «Электроснабжение» всех форм обучения.
Курс «Электрические станции и подстанции» служит для создания теоретической и практической базы при изучении последующих специальных дисциплин, связанных с проектированием и созданием электроэнергетических систем и сетей, электроснабжением и электрооборудованием соответствующих отраслей.
Выбор проектных решений при разработке электрической части станций и подстанций определяется структурой электроустановки, которая отражается схемами электрических соединений. Выделяют схемы первичных и вторичных соединений. В первичных цепях происходит производство, распределение и потребление электроэнергии. Вторичные цепи служат для управления элементами первичных схем. Схемы первичных соединений подразделяются на главные схемы электрических соединений и схемы собственных нужд.
Проектирование главных схем сопровождается обоснованием и выбором структурных схем электростанций и подстанций, принимаются схемы электрических соединений распределительных устройств различного уровня напряжений, производится расчет токов короткого замыкания и определяются способы их ограничения, осуществляется выбор проводников и аппаратов.
Электростанции и крупные подстанции являются опорными коммутационными узлами внутренних и межсистемных линий электропередач, оказывают заметное влияние на надежность и экономичность работы электроэнергетических систем. В этих узлах осуществляется поддержание требуемого качества электроэнергии и регулирование параметров графиков нагрузки электроэнергетических систем. Поэтому главные схемы электрических соединений и соответствующие им конструкции РУ являются важными элементами энергосистем.
Проф. Исмагилов Ф. Р.
Введение
Производство электрической энергии осуществляется преимущественно на крупных электростанциях, работающих параллельно. Центры потребления электрической энергии (города, предприятия, сельские районы и т.п.) удалены от электрических станций на десятки и более километров и распределены на значительной территории. В результате необходимости транспорта электроэнергии от центров ее производства к центрам ее потребления образовались энергетические системы.
Для характеристики энергосистем вводят некоторые понятия, термины и определения.
Электростанция – электроустановка, служащая для производства (генерации) электрической энергии (ЭЭ) в результате преобразования энергии, заключенной в природных энергоносителях (уголь, газ, вода и т.д.) при помощи турбо- и гидрогенераторов.
Подстанция – электроустановка, предназначенная для приема, преобразования (трансформации) и распределения электроэнергии, состоящая из трансформаторов (автотрансформаторов) и других преобразователей электрической энергии, распределительных и вспомогательных устройств. Подстанция может быть повышающей, если преобразование величины напряжения переменного тока осуществляется с низшего напряжения на высшее (подстанции электростанций) и понижающей – в случае трансформации высшего напряжения на низшее.
Центр, источник электропитания – источник ЭЭ, на сборных шинах (зажимах) которого осуществляется автоматическое регулирование режима напряжения. Наряду с электростанциями, это шины подстанции с трансформаторами, оснащенными регуляторами напряжения под нагрузкой (РПН), регулируемыми источниками реактивной мощности, линейными регуляторами и др.
Распределительное устройство (РУ) – электроустановка, входящая в состав любой подстанции, предназначенная для приема и распределения электроэнергии на одном напряжении (до 1000 В и более). РУ содержат коммутационные аппараты, устройства управления, защиты, измерения и вспомогательные сооружения.
Линия электропередачи (ЛЭП) – электроустановка, предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние с возможным промежуточным отбором. Линии выполняются воздушными, кабельными, а также в виде токопроводов на промышленных предприятиях и электростанциях и внутренних проводок в зданиях и сооружениях.
Под энергосистемой понимают совокупность электростанций, подстанций, электрических и тепловых сетей, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии [1, 2, 3,4].
Объединение изолированных станций и создание энергосистем дает ряд технических и экономических преимуществ:
- повышает надежность и экономичность электроснабжения;
- позволяет производить такое распределение нагрузки между станциями, при котором достигается наиболее экономичная выработка электроэнергии в целом по системе при наилучшем использовании энергетических ресурсов района (топлива, водной энергии);
- улучшает качество электроэнергии, т.е. обеспечивает постоянство частоты и напряжения, так как колебания нагрузки воспринимаются большим количеством агрегатов;
- при параллельной работе нескольких станций нет необходимости устанавливать резервные агрегаты на каждой станции, а достаточно иметь общую для всей энергосистемы резервную мощность, величина которой составляет обычно порядка 10 – 12 % мощности агрегатов системы, но не менее мощности самого крупного агрегата, установленного на станциях системы (на случай аварийного отключения или планового ремонта).
Особенностями проектирования объектов электроэнергетики (электростанций, подстанций и электрических сетей) является многофакторность задачи, их значительные капиталоемкость и заблаговременность принятия решений [5].
Например, при обосновании целесообразности сооружения электростанции необходимо решить комплекс социальных, экологических, технических, финансовых и организационных задач. Затраты, связанные с вводом генерирующих мощностей во многих странах мира достигают 1 тыс. дол. США/кВт и более. Сооружение электростанции мощностью 1000 МВт обходится в 1 млрд долл. Продолжительные сроки сооружения электростанций и крупных подстанций в течении 5–10 лет и более вынуждают проектировщиков принимать решения заблаговременностью за 10–15 лет. В таких условиях проектирование должно базироваться на комплексном рассмотрении объекта с учетом множественности его свойств и неопределенности исходной информации. Реализация такого подхода приводит к иерархической системе принятия решений, где есть этапы перспективного и конкретного проектирования.
Основная задача первого этапа – проектирование энергосистем. Обоснованию и выбору подлежат решения, определяющие развитие энергосистем и их объединений, электростанций, электрических сетей, а также средств управления ими. Принимаемые решения должны обеспечивать целесообразный уровень надежности снабжения потребителей энергией требуемого качества и экономическую эффективность, рациональное использование природных ресурсов, защиту окружающей среды.
Второй этап – конкретное проектирование энергетических объектов. Данный этап ведется в две стадии. Первая стадия – это проект. Вторая стадия – рабочая документация, по которой ведутся строительные, монтажные и пусконаладочные работы. Для обоснования и выбора параметров объектов требуются детальные проработки. Применительно к отдельно взятой электростанции важной внестадийной работой является ТЭО целесообразности ее сооружения, где электрической части отводится раздел, называемый «схема выдачи мощности».
В ТЭО сооружения электростанции предлагается несколько (2–4) площадок сооружения. Окончательное решение о выборе места строительства принимается с учетом технических и экономических характеристик технологической части (экологические и геологические условия, топливо- и водоснабжение, сопутствующие производства и т.д.) и схемы выдачи мощности.
Раздел «Схема выдачи мощности электростанции» содержит следующие положения:
Обоснование необходимости, сроков ввода, типа, мощности и режимов работы электростанции. Применительно к зоне ее сооружения анализу подвергается существующее состояние сети (зоной влияния может быть региональная или объединенные энергосистемы). Для этого составляются балансы мощности и электроэнергии, строятся графики нагрузки для характерных сезонных периодов, в том числе на перспективу 10 – 15 лет.
2. Обоснование и выбор схемы присоединения к энергосистеме. Определяются номинальные напряжения и число линий выдачи мощности, распределение генераторов между РУ повышенных напряжений, пропускная способность связей между сетями различного напряжения на сборных шинах электростанции, предельные токи к.з. в ее РУ и прилегающей сети. Выполняются расчеты потокораспределения в нормальном и послеаварийных режимах, статической и динамической устойчивости, токов к.з. Даются рекомендации по регулированию уровней напряжения и компенсации реактивной мощности. Формулируются требования к коммутационной аппаратуре. Оцениваются объем электросетевого строительства и финансовые затраты.
3. Рекомендации по выбору схем коммутации. Формируются варианты схем с учетом преимущественно одного из наиболее жестких технических ограничений. Оно заключается в том, что при расчетных авариях критерием допустимости значения одновременного сброса генерирующей мощности на электростанции является сохранение устойчивости параллельной работы энергосистем по линиям системообразующей сети. В ряде случаев даются рекомендации по резервному питанию собственных нужд.
4. Определение коридоров воздушных линий (ВЛ). Рассматриваются административная принадлежность, топографические, гидрологические, геологические и метеорологические условия по трассам коридоров.
5. Обоснование и выбор средств общесистемного управления – релейной защиты и автоматики (РЗА), противоаварийной автоматики (ПА), автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), телемеханики, диспетчерского управления, связи. Даются рекомендации по перечисленным средствам общесистемного управления, формируются их структурные схемы и выбираются технические средства их реализации.
В целом, схемы развития энергосистем и ТЭО сооружения являются основанием для разработки проектов электростанций и подстанций. От разработки ТЭО до начала выполнения проекта проходит около двух лет. За это время проверяется приемлемость принятых ранее решений. Иногда формируются дополнительные варианты схемы выдачи мощности. Выбираются схемы коммутации. Уточняются сроки ввода первой очереди электростанции и поэтапность ее развития.
1. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН
Первые электрические станции и электроустановки в нашей стране стали строиться в конце XIX века. В 70-х годах XIX века на Нижне-Салдинском металлургическом заводе создается одна из первых отечественных электроустановок, используемая для освещения заводской конторы. В 1882 − 1883 годах на реке Мойка в Петербурге была построена одна из первых российских электростанций, вырабатывающая ток для общественных потребностей. На этой станции действовали 3 паровых локомобиля и 12 динамо-машин, которые обслуживал 21 рабочий.
В 90-е годы XIX века развернулось строительство электростанций и электроустановок в губернских центрах, на многих крупных промышленных предприятиях. В 1891-1900 годах Россия по темпам промышленного роста занимала первое место в мире. Достаточно отметить, что за десятилетие промышленное производство в стране удвоилось, выплавка чугуна возросла почти в 4 раза, производство стали – в 7,2 раза, добыча нефти – в 2,9 раза, общая стоимость продукции машиностроения – в 3,7 раза.
В конце столетия в главных отраслях промышленности основная масса продукции изготавливалась предприятиями, оборудованными машинами, работающими на паровой или электрической тяге. Преобладающей была паровая энергетика, однако в промышленное производство все настойчивее внедрялась электроэнергетика. В 1895 году, по имеющимся в исторической литературе сведениям, на Путиловском заводе мощность электродвигателей достигла - 9,7 тыс. HP, на Коломенском машиностроительном заводе - 0,55 тыс. HP, на Пермском пушечном заводе в Мотовилихе - 0,5 тыс. HP.
Электроэнергия стала применяться в городском хозяйстве. На улицах крупных городов зажглись электрические фонари, налаживалось трамвайное сообщение. Первый трамвай в России пошел в 1892 году в Киеве, второй - в Казани, третий - в Нижнем Новгороде.
Электроэнергетика в Уфимской губернии. В этот период электроэнергетика стала находить применение на предприятиях, расположенных на территории современного Башкортостана. Ведущее место в экономике края занимала горно-металлургическая промышленность. В конце XIX века в Уфимской губернии и Белорецком округе действовали 23 чугунолитейных и железоделательных завода. Фабрично-заводскую промышленность представляли предприятия, связанные с переработкой сельскохозяйственного сырья. В конце века в Уфимской губернии имелось 128 винокуренных, мукомольных, крупяных, кожевенных, деревообрабатывающих и других предприятий. С развитием производительных сил росла их энерговооруженность.
Паровая энергетика. В период ускоренного индустриального развития 1891-1900 годов на горнозаводских предприятиях успешно осуществлялась перестройка энергетического хозяйства в сторону усиления паровой энергетики, замены устаревших водяных колес более совершенными гидротурбинами, строительства электростанций и электроустановок. Так, на Архангельском чугунолитейном заводе, расположенном в Стерлитамакском уезде Уфимской губернии, было установлено 4 паровых котла, налажено электрическое освещение от динамо-машины, действовавшей от гидротурбины на плотине, сооруженной на реке Аскын, правом притоке Инзера. В 1894 году небольшая электростанция была введена на Саткинском заводе Златоустовского уезда Уфимской губернии. Электрическое освещение использовалось на Катав-Ивановском заводе. На Богоявленском (Красноусольском) стекольном заводе заводской пруд обеспечивал работу 14 водяных колес мощностью 120 л.с. В дополнение к ним на предприятии была построена электростанция представлявшая собой динамо-машину, приводимую в действие паровым локомобилем. Практически на каждом крупном предприятии была своя электростанция или электроустановка, позволившие накапливать практический опыт использования электроэнергии в промышленном производстве.
Первая стационарная электростанция в Уфе. В конце XIX века в городе Уфе была введена в действие первая стационарная электростанция общего пользования.
На улице Александровской (Карла Маркса), горным инженером Николаем Владимировичем Коншиным была построена электростанция, сооружены городские электрические сети длиной около 10 километров. 1 февраля 1898 года электростанция дала ток. Мощность ее по тому времени была немалая − 560 кВт и рассчитывалась на питание 12 тысяч ламп накаливания в 16 свечей каждая и 300 дуговых уличных фонарей по 1200 свечей каждый. Электроэнергия тогда в Уфе была роскошью и стоила необычно дорого − до 40 копеек за кВт∙час (для сравнения − литр керосина стоил 12 копеек).
В дореволюционный период энергетическая база Башкортостана неуклонно расширялась. На территории Уфимской губернии в 1908 году товарищество «Магнезит» стало возводить электрометаллический завод для получения бронированной стали в электрических печах. На порогах реки Сатка началось строительство каменной плотины, на которой были установлены турбины, приводящие в движение генераторы электрического тока. Это был первый в России завод для получения стали электрическим путем. Открыт он был в 1910 году под названием «Пороги» и принадлежал электрометаллургическому акционерному обществу.
Рис. 1.1. Уфимская городская электростанция. 1898 г.
Турбогенератор «Атлас». 1911 г. С установки в 1910 г. турбогенератора «Атлас» мощностью 500 кВт началась электрификация Белорецкого металлургического завода. Вся вырабатываемая энергия потреблялась на нужды завода. Осенью 1911 года от завода в поселок была проведена первая линия электропередачи. В первую очередь электрифицировались дома заводской администрации. В 1914 году был пущен второй генератор. С введением в действие заводской электростанции были установлены новые прокатные станы, оборудованные электродвигателями. В том же 1914 году в центре заводского поселка была установлена первая трансформаторная будка.
Небольшие электростанции были построены в городах Белебее, Бирске, Стерлитамаке, поселке Баймак, в селе Давлеканово. В 1917 году в г. Уфе кроме городской электростанции действовали около полутора десятка небольших электростанций и электроустановок.
Очередные шаги в электрификации республики были сделаны в 20-е годы, в условиях новой экономической политики. Для финансирования местной электрификации создавались акционерные кредитные общества, членами которых становились также государственные организации и кооперативные товарищества. Развитие осуществлялось за счет строительства мелких электростанций. Так, для нужд Красноусольского стекольного завода была сооружена ГЭС мощностью 200 кВт на реке Усолке, начала работать электростанция на Нижне-Троицкой суконной фабрике. В 1926 году в Уфе на берегу Солдатского озера (ныне детский парк им. И. С. Якутова) была построена локомобильная электростанция мощностью 400 кВт. В 1927 году дала ток Топорнинская электростанция мощностью 360 кВт.
Рис. 1.2. Машинный зал электростанции с.Топорнино. 1920 г.
Введение Топорнинской электростанции позволило электрифицировать 4 мельницы, лесопильный завод, зажечь электрические лампочки в домах сельских жителей.
Еще несколько электростанций было построено в Месягутовском, Зилаирском, Стерлитамакском и других районах республики. По подсчетам М.А. Садретдинова, в 1928 году в Башкирской АССР действовали 23 электростанции. Установленная мощность всех электростанций и электроустановок республики составляла 9000 кВт, они вырабатывали 32,3 млн. кВт-часов электроэнергии.
В годы первых пятилеток. Решающими в становлении башкирской энергетики стали годы первых пятилеток, когда в стране осуществлялась программа «социалистической» индустриализации.
Успешное претворение в жизнь намеченных планов требовало создания собственной энергетической базы. Прежде всего встал вопрос о кардинальном улучшении энергоснабжения столицы республики. Уфа в конце 20-х годов занимала площадь в 1778 гектаров, в ней насчитывалось 8349 домовладельцев и проживало 98500 жителей. В городе имелось электроосвещение, водопровод, а для передвижения жителей – автобусное сообщение. Промышленность была развита слабо и имела почти исключительно местное значение. Уфимская городская электростанция, построенная Н. В. Коншиным в конце XIX века, перестала удовлетворять потребностям растущего города. В ходе 30-летней эксплуатации ее оборудование основательно износилось. В городе почти не имелось уличного освещения, не производилось присоединения новых абонентов, в зимние месяцы для уменьшения вечернего максимума ежедневно на несколько часов выключалось несколько фидеров. Карликовые энергетические установки общей мощностью около 1980 л.с., имевшиеся на некоторых предприятиях, не могли поправить положения.
Первенцем индустриального строительства в Башкирии явилась центральная электростанция (ЦЭС) в Уфе, торжественная закладка которой состоялась 16 сентября 1928 года. Первая очередь Уфимской ЦЭС мощностью 4 тыс. кВт была построена, смонтирована и введена в эксплуатацию 29 августа 1931 года - первая паротурбинная электростанция Башкирии дала промышленный ток. Одновременно с ее вводом были построены первая линия электропередачи на переменном токе (напряжением 22 кВ, длиной свыше 10 километров), 24 трансформаторные будки, низковольтные распределительные линии.
Подан переменный ток. Первого сентября 1931 года в город был подан переменный ток. С этого времени старая городская электрическая станция Н. В. Коншина, работавшая на постоянном токе, прекратила свою работу, так как потеряла практическое значение.
Уфимская ЦЭС вошла в состав Башкирского энергокомбината, созданного в 1933 году и вошедшего в систему Наркомата тяжелой промышленности СССР. Помимо ЦЭС энергокомбинат объединил городские электрические сети с понижающими подстанциями, строительное управление второй очереди ЦЭС и торфоуправление.
В 1936 году в строй действующих была введена вторая очередь Уфимской ЦЭС. Мощность станции была доведена до 10 тысяч кВт. Вплоть до 1940 года ЦЭС (впоследствии городская электростанция – ГЭС-1) была самой крупной электростанцией республики и служила основной энергетической базой развития промышленных и культурно-бытовых объектов столицы Башкортостана.
Рис. 1.3. Уфимская ЦЭС. 1931 г.
Огромное значение для развития энергетики республики имело открытие в мае 1932 года Ишимбайского месторождения нефти и его освоение. В 1933 году в Ишимбаеве была введена в действие временная нефтеперегонная установка, вырабатывающая бензин, мазут и машинное масло, а в 1935 году было развернуто строительство первого в Башкортостане нефтеперерабатывающего завода. Одновременно с заводом сооружалась Ишимбайская центральная электрическая станция. Высокие темпы строительства, позволили уже в конце 1936 года ввести в действие нефтеперегонный завод мощностью 500 тысяч тонн в год и первую очередь ЦЭС, состоявшую из трех паровых котлов, сжигающих мазут, и двух паровых турбин. В годы Великой Отечественной войны электростанция была расширена, что позволило обеспечить энергоснабжение нефтепромыслов, НПЗ, а также всех предприятий, эвакуированных в Ишимбай и Стерлитамак из западных районов страны.
Рис. 1.4. Ишимбайская ЦЭС. 1936 г.
В 1935 году началось возведение корпусов Уфимского нефтеперерабатывающего завода, в составе которого строилась теплоэлектроцентраль (ТЭЦ). 10 июня 1938 года первые агрегаты Уфимской ТЭЦ-1 были введены во временную, а в начале следующего года - в промышленную эксплуатацию. Она вошла в параллельную работу по ЛЭП-35 кВ с Уфимской ЦЭС.
С сентября 1931 года в районе Черниковки велось строительство крупного моторостроительного завода. В июле 1936 года началось возведение заводской теплоэлектроцентрали. В октябре 1940 года первая очередь Уфимской ТЭЦ-2 была сдана в эксплуатацию. С ее вводом параллельно работали уже 3 электростанции.
Приказами Наркомата электростанций СССР и Наркомата коммунального хозяйства РСФСР от 15 ноября 1940 года был образован Уфимский энергокомбинат, создана его диспетчерская служба и переданы в его ведение ТЭЦ Уфимского крекинг-завода Наркомата нефтяной промышленности СССР, ТЭЦ Уфимского моторного завода Наркомата среднего машиностроения СССР, городскую электростанцию мощностью 10 тыс. кВт и городские электрические сети Уфы Наркомата коммунального хозяйства РСФСР.
Рис. 1.5. Уфимская ТЭЦ-1. 1938 г.
Рис. 1.6. Уфимская ТЭЦ-2. 1940 г.
Единая Уфимская энергосистема. Создание единой Уфимской энергосистемы повысило экономичность и надежность электроснабжения потребителей Уфы, положило начало созданию единой энергетической системы республики, помогло решить труднейшую проблему энергоснабжения народного хозяйства и населения столицы Башкортостана в годы Великой Отечественной войны.
С началом войны промышленный потенциал страны переместился в восточные районы. Одним из важнейших центров перебазирования промышленности стала Башкирская АССР. На территорию республики было эвакуировано 172 предприятия, отдельных цеха и установки. За военные годы вошли в строй 364 завода, фабрики, цеха и промысла. Всем им требовалась дополнительная электроэнергия. К началу войны мощность всех электростанций Башкирии составляла всего 66 МВт. Весь период военного времени действовали крайне жесткие ограничения в электроснабжении потребителей. На бытовые нужды населению в Уфе и Черниковске электроэнергия подавалась всего 3 часа в сутки: утром на 1 час и вечером на 2 часа.
В годы Великой Отечественной войны. Энергетикам пришлось в тяжелых условиях срочно наращивать объемы производства. В 1941 году мощность Уфимской ТЭЦ-1 была доведена до 22 МВт, в 1942 году она увеличилась еще на 12 МВт. В мае 1942 года вступил в строй второй агрегат Уфимской ТЭЦ-2 мощностью 12 МВт. До 17 МВт была доведена мощность Ишимбайской ЦЭС. Одновременно строились линии электропередачи и понижающие подстанции. Только в Уфе было построено 45 трансформаторных подстанций, около 40 километров высоковольтных ЛЭП. Протяженность всех линий электропередачи в республике составила свыше 700 километров.
Установленная мощность Уфимской энергосистемы в 1944 году составляет 69 МВт. Рабочая мощность колеблется в пределах 53 − 57 МВт, в период капитальных и текущих ремонтов основного оборудования снижается до 41 − 48 МВт.
Из анализа баланса электроснабжения Уфимского промышленного узла вытекало, что, начиная с 1945 года, Уфимская энергосистема будет работать в условиях непрерывно нарастающего дефицита электрической мощности, который до конца 1945 года составит 10,5 МВт, а в конце 1947 года − 34,1 МВт.
Дефицит электроэнергии, ощущаемый заводами Башкирии и Челябинской области, может быть снижен ускорением строительства Павловской гидростанции на реке Уфа мощностью 100 тыс. кВт. (Башкирия в годы Великой Отечественной войны: Сборник документов и материалов. − Уфа, 1995. − С. 121-122).
Наркомат электростанций СССР 14 сентября 1945 года издал приказ о преобразовании Уфимского энергокомбината в Уфимское районное энергетическое управление «Уфимэнерго». В его подчинение на правах самостоятельных хозрасчетных предприятий перешли в г. Уфе ТЭЦ-1, ГЭС-1, Энергосбыт, городские электрические сети, а также все производственные службы, подсобные предприятия Уфимской энергосистемы (Уфимская ТЭЦ № 2 работала на общую сеть со станциями РЭУ «Уфимэнерго»).
Послевоенные годы. 1946-1960 гг. В четвертой пятилетке началось возведение Павловской ГЭС, завершено строительство ЦЭС на Туймазинском нефтепромысле, Ермолаевском углеразрезе, расширена ТЭЦ-2 в Черниковске. В 1951 году вошла в эксплуатацию Уфимская ТЭЦ-3, первая электростанция высокого давления (100 атм, 510°С), в 1954 году ее мощность была доведена до проектной. В 1953 году была введена Салаватская ТЭЦ для электроснабжения Салаватского нефтехимкомбината.