5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ АЭС

5.1. Общие сведения

На электрических станциях для электрической связи различных элементов электрооборудования сооружаются распределительные устройства.

Распределительным устройством называется сооружение, которое служит для приема и распределения электрической энергии и содержит коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, токопроводы, вспомогательные устройства (компрессорные, аккумуляторные и другие установки), а также устройства релейной защиты и автоматики, измерительные и вычислительные комплексы.

В распределительном устройстве все присоединения посредством выключателей и разъединителей подключаются к общим участкам токоведущих шин (сборным шинам). В общем случае на ЭС сооружаются РУ на нескольких напряжениях, которые, как правило, связаны между собой через трансформаторы (автотрансформаторы). Различают распределительные устройства генераторного, высшего, и среднего напряжений, а также распределительные устройства собственных нужд.

По способу исполнения распределительные устройства бывают открытого – ОРУ и закрытого – ЗРУ исполнения. Все или основное оборудование ОРУ располагается на открытом воздухе (вне помещения), тогда как оборудование ЗРУ располагается в специальном здании. Как ОРУ, так ЗРУ могут быть комплектными (КРУН и КРУ соответственно), т.е. состоящими из полностью или частично закрытых шкафов или блоков со встроенными в них аппаратами, устройствами релейной защиты и автоматики. Шкафы КРУН и КРУ поставляются заводами изготовителями в собранном или полностью подготовленном к сборке виде.

Схему электрических соединений электростанции можно разделить на две основные части – главную схему электрических соединений и схему соединения собственных нужд.

Главная схема электрических соединений представляет собой совокупность основного электрооборудования (генераторы, трансформаторы, линии электропередачи), сборных шин, коммутационной и другой первичной аппаратуры со всеми выполненными между ними соединениями. Схема электрических соединений собственных нужд есть не что иное, как главная схема электрических соединений, относящаяся к потребителям собственно электростанции.

Кроме указанных схем различают принципиальные, оперативные и монтажные схемы электрических соединений, а также схемы вторичных соединений.

К схемам вторичных соединений относятся электрические схемы цепей управления, релейной защиты и автоматики, контроля состояния оборудования, автоматизированной системы управления и т.д.

Принципиальные электрические схемы выполняются при проектировании, используются при обучении и анализе.

Оперативные схемы служат для отображения истинного состояния элементов схемы на текущий момент времени и используются оперативным персоналом в повседневной работе.

Монтажные схемы используются при монтаже и наладке электрооборудования.

Главная, принципиальная и оперативная схемы изображается в однолинейном исполнении, как правило, при отключенном положении всех элементов электроустановки (исключая оперативную схему). Все элементы схемы и связи между ними изображаются в соответствии со стандартами единой системы конструкторской документации (ЕСКД) в виде условных графических обозначений.

5.2.Требования, предъявляемые к схемам распределительных устройств

Ксхемам электрических соединений электроустановок предъявляется целый комплекс требований, из которых можно выделить семь основных, таких как: надежность, экономичность, удобство эксплуатации, технологическая гибкость, экологическая чистота, компактность и унифицированность.

По степени надежности главные схемы электростанции должны выбираться исходя из важности и значения станции в энергосистеме с точки зрения надежного электроснабжения потребителей электрической энергии. Выбранная схема, в частности, должна обеспечивать:

– допустимую (минимальную) потерю генераторной мощности электростанции в расчетных аварийных режимах (например, при устойчивом коротком замыкании на одной из систем шин высшего или среднего напряжения);

– сохранение транзита системных связей через шины распределительного устройства при авариях на станции;

– возможность ликвидации аварий в распределительном устройстве по возможности только операциями с выключателями;

– питание распределительного устройства собственных нужд от энергосистемы после полной остановки станции.

В зависимости от конкретных условий (например, при сооружении электростанций в зонах повышенной сейсмичности, вечной мерзлоты и др.) к надежности главных схем могут предъявляться и другие требования.

В соответствие с Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) все потребители делятся на три категории:

– 1-я категория – электроприемники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение особо важных элементов городского хозяйства. Такие потребители должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания, иметь 100%-ный резерв по питающим линиям электропередачи. Перерыв в электроснабжении таких потребителей допускается лишь на время автоматического ввода резервного питания (АВР), допустимого по условию самозапуска электродвигателей.

–2-я категория – электроприемники, перерыв в электроснабжении которых связан с массовым недоотпуском продукции, простоем рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушением нормальной деятельности значительного числа городских жителей. Для таких потребителей допускается перерыв в электроснабжении на время, необходимое для включения резервного питания дежурным персоналом или выездной оперативной бригадой. Питание таких потребителей допускается осуществлять через один силовой трансформатор (при наличии передвижного резерва) по одной линии электропередачи.

–3-я категория – все остальные электроприемники, не подходящие под определения 1-й и 2-й категорий (например, электроприемники цехов несерийного производства, вспомогательных цехов, небольших поселков и т.п.). Для таких потребителей допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для ремонта или замены поврежденного элемента сети, но не более одних суток.

Под экономичностью схемы подразумевается принятие решений с учетом необходимых капитальных вложений и ежегодных издержек на производство тепловой и электрической энергии при обеспечении требуемой степени надежности. Принятие того или иного уровня надежности схемы производится на основании сопоставления затрат на его обеспечение с экономическими потерями (ущербом), связанными с нарушением ее работоспособности.

Под удобством эксплуатации схемы понимается надежность работы и простота ее исполнения, снижение вероятности ошибок обслуживающего персонала в процессе эксплуатации, минимизация количества коммутаций в первичных и вторичных цепях, уменьшение количества аварий из-за ошибок персонала и отказов электрооборудования во время производства оперативных переключений.

Под технологической гибкостью схемы понимается ее способность адаптироваться к изменяющимся условиям работы при плановых ремонтах, аварий- но-восстановительных работах, расширении, реконструкции и испытаниях.

Под экологической чистотой схемы понимается степень воздействия электроустановки на окружающую среду (шум, электрические и магнитные поля, выбросы, отходы и т.д.) и на человека.

Компактность схемы подразумевает минимизацию площадей, занимаемых распределительным устройством (например, применение элегазового распределительного устройства – КРУЭ в 10 и более раз уменьшает площадь отчуждаемых земель для его сооружения по сравнению с традиционным решением).

Унифицированность схемы есть не что иное, как использование типовых решений, позволяющих снизить материальные, трудовые и финансовые затраты на проектирование, монтаж, пуско-наладочные работы и эксплуатацию электроустановки.

5.3. Классификация схем распределительных устройств

На выбор схем распределительного устройства любого напряжения большое влияние оказывает совокупность следующих факторов:

– тип электрической станции;

–число и мощность установленных генераторов;

–число линий связи с энергосистемой и категория их ответственности;

–схема и уровень напряжения электрических сетей энергосистемы;

–величина токов короткого замыкания;

–наличие оборудования требуемых параметров и его надежность;

–параметры территории для сооружения распределительного устройства по намеченной схеме;

–возможная конструкция распределительного устройства (ЗРУ, ОРУ).

В принятом условном делении схем распределительных устройств определяющим условием послужило число выключателей на одно присоединение. Под присоединением в данном случае понимается один или несколько трансформаторов, линии электропередачи, подключаемые через отдельные коммутационные аппараты средства компенсации реактивной мощности. В соответствии с принятым условным делением различают четыре основные группы схем распределительных устройств:

–схемы с коммутацией присоединения одним выключателем (рис. 5.1) – одна-две (в западных странах одна-две-три, реже – четыре и даже пять) системы сборных шин с обходной системой шин либо без нее;

–схемы с коммутацией присоединения двумя выключателями (рис. 5.2) – две системы сборных шин с двумя выключателями на присоединение (схема 2/1), две системы сборных шин с тремя выключателями на два присоединения (схема 3/2 или полуторная), две системы сборных шин с четырьмя выключателями на три присоединения (схема 4/3), многоугольники (треугольник, четы- рех-, пяти- и шестиугольник, в США и Канаде считаются приемлемыми для использования и десяти-, двенадцатиугольник);

–схемы с коммутацией присоединения тремя и более выключателями (рис. 5.3) – связанные многоугольники, генератор-трансформатор-линия с уравнительно-обходным многоугольником, трансформаторы-шины;

–схемы упрощенные, в которых число выключателей меньше числа присоединений.

Рис. 5.1. Примеры схем распределительных устройств первой группы при наличии обходной системы шин:

а) – с одной секционированной системой сборных шин с отдельными обходными выключателями на каждой секции; б) – то же, но с системой сборных шин, секционированной двумя последовательно включенными выключателями; в) – с одной секционированной системой сборных шин с одним обходным выключателем; г) – то же, но с системой сборных шин, секционированной двумя последовательно включенными выключателями; д) – с двумя системами сборных шин; е) – то же, но с секционированием обеих систем сборных шин с двумя шиносоединительными и двумя обходными выключателями; ж) – то же, но с совмещением функций обходного и шиносоединительного выключателей; з) – то же, но с секционированием одной системы сборных шин. ОВ – обходной выключатель; СВ – секционный выключатель; ШСВ – шиносоединительный выключатель.

Рис. 5.2. Примеры схем распределительных устройств второй группы:

а) – схема 2/1; б) – схема 3/2; в) – схема 4/3; г) – многоугольник (четырехугольник)

Рис. 5.3. Примеры схем распределительных устройств третьей группы:

а) – связанные многоугольники (четырехугольники); б) – трансформаторы-шины; в) – гене- ратор-трансформатор-линия с уравнительно-обходным многоугольником; г) – трансформаторы шины с полуторным присоединением линий

Схемы, применяемые на высшем и среднем напряжениях

На практике используют схему, в которой присоединение подключается к сборным шинам через развилку из двух выключателей. Наличие двух выключа-

телей позволяет производить поочередный их ремонт без отключения присоединения (для этого необходимо отключить только ремонтируемый выключатель и его разъединители). Данная схема является самой дорогостоящей, так как требует двойного комплекта оборудования (выключателей).

Капитальные вложения в схему с двумя выключателями на присоединение можно уменьшить, сохранив все ее основные преимущества, если через три выключателя к двум сборным шинам подключить два присоединения (схема 3/2 или полуторная).

Рис. 5.4. Двойная система сборных шин с двумя выключателями на присоединение

Вданной схеме отключение присоединения производится двумя выключателями, что дает возможность производить их поочередный ремонт. Однако,

вслучае аварийного отключения одного из присоединений, смежное присоединение оказывается подключенным только к одной системе сборных шин через один выключатель. Попарное подключение к трем выключателям источников энергии и линий электропередачи позволяет продолжать электроснабжение потребителей даже в случае отключения обеих систем сборных шин.

Аналогичными свойствами обладает и схема с двойной системой сборных шин с четырьмя выключателями на три присоединений (схема 4/3).

Враспределительных устройствах высшего напряжения также используются схемы, получившие название многоугольников. В этих схемах, как и в схемах рис. 5.2б и 5.4, каждое присоединение подключается к узлу через два выключателя, что дает возможность производить их поочередный ремонт без отключения присоединения. В схемах многоугольников число выключателей равно числу присоединений, поэтому такие схемы значительно дешевле. На практике схемы с числом углов более шести не применяются. Это обусловлено тем, что с ростом числа углов увеличивается время, в течение которого один из выключателей находится в ремонте. Во время ремонта одного из выключателей схема многоугольника превращается в одиночную многократно секционированную систему сборных шин. Такая схема при коротком замыкании на любом из присоединений распадается на две несинхронно работающие части, что может привести к нарушению транзита энергии.