Стартовая >> Архив >> Подстанции >> Справочник по проектированию подстанций

Надежность главных схем - Справочник по проектированию подстанций

Оглавление
Справочник по проектированию подстанций
Особенности, технология и принципы проектирования подстанций
Стадии проектирования, состав и объем проектной документации
Исходные данные для проектирования, продолжительность
Техническое задание на разработку ТЭО
Классификация подстанций и присоединение их
Надежность главных схем
Автоматичность, эксплуатационные удобства и экономическая целесообразность схемы
Классификация схем
Синхронные компенсаторы,  конденсаторные батареи и реаторы в схемах
Расчет токов короткого замыкания
Электродинамическое и термическое действия токов короткого замыкания
Ограничение токов короткого замыкания
Токи замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью
Типы и технические характеристики трансформаторов
Выборы мощности и числа устанавливаемых трансформаторов
Выключатели
Разъединители, отделители, короткозамыкатели
Источники реактивной мощности
Характеристики трансформаторов, выключателей
Провода, шины, кабели, изоляция
Механический расчет жесткой ошиновки
Механический расчет проводов гибкой ошиновки ОРУ
Защита от грозовых перенапряжений
Заземление
Собственные нужды переменного тока
Электрическое освещение
Нормы освещенности подстанций
Классификация и принципы выполнения схем управления, сигнализации и автоматизации
Организация управления элементами подстанций
Регулирование напряжения и охлаждение силовых трансформаторов
Автоматическая компенсация емкостного тока замыкания на землю
Организация сигнализации элементами ПС
Питание цепей оперативным током, аппаратура схем, маркировка
Электрические измерения и учет электроэнергии
Фасады и компоновка панелей, ряды зажимов схем управления, автоматики, защиты, сигнализации
Монтажные схемы и кабельные журналы
Оперативный ток, источники постоянного тока
Шкафы КРУ, КРУН, КТП, КТПН
Релейная защита
Релейная защита трансформаторов и автотрансформаторов
Релейная защита шунтирующих и компенсационных реакторов
Защита синхронных компенсаторов
Защита шин
АПВ и АВР
УРОВ
Защита элементов собственных нужд
Принципы компоновок распределительных устройств
Открытая установка маслонаполненного оборудования
Компоновка закрытых распределительных устройств и подстанций
Комплектные распределительные устройства с газовой изоляцией
Эксплуатационные и вспомогательные средства
Рельсовые пути для перекатки трансформаторов и стационарные анкеры
Ограды
Выбор площадки для строительства
Состав комиссии и акт выбора площадки
Особенности выбора и согласования площадки, размещаемой на территории города
Технико-экономическое сравнение вариантов выбора площадки
Генеральный план
Горизонтальная планировка
Внутриплощадочные автомобильные дороги и проезды
Инженерные сети
Вертикальная планировка
Озеленение и благоустройство территории
Технико-экономические показатели генерального плана
Приложение к генеральному плану
Режимы работы строительных конструкций ОРУ
Опоры под ошиновку и оборудование
Кабельные лотки, каналы
Здания и фундаменты синхронных компенсаторов
Отопление и вентиляция зданий
Водоснабжение, канализация, отвод масла
Противопожарные мероприятия
Приложение к здания и фундаменты
Защита окружающей среды
Защита от шума
Устройства связи и сигнализации
Внешняя связь
Требования к помещениям для узлов связи и к размещению оборудования связи
Пожарная сигнализация
Охранная сигнализация и охранное освещение
Основные положения по организации строительства и сметы
Особенности проектирования ПС в северных труднодоступных районах
Рекомендации но усилению стальных конструкций

2.2. НАДЕЖНОСТЬ ГЛАВНЫХ СХЕМ И МЕТОДЫ ЕЕ ОЦЕНКИ
Главная схема электрических соединений должна обладать высокой эксплуатационной надежностью.
Применительно к ПС I категории по упрощенным схемам требования, предъявляемые к надежности схемы, могут быть относительно снижены, однако построение схемы ПС и прилегающей сети должно обеспечивать нормальное электроснабжение потребителей при повреждении на любом участке ВЛ.
В общем виде показателями надежности схем ПС являются: среднее число (частота) отключений сборных шин, отдельных секций и присоединений (ВЛ, трансформаторов) и разрыв транзита, а также средняя длительность восстановления нормального электроснабжения и транзита мощности.
К числу основных сравниваемых показателей, определяющих уровень надежности главной схемы РУ и позволяющих с этой точки зрения произвести выбор ее, относятся: возможность аварийного отключения РУ (всего или части его); средняя частота отключений (поток отказов) 50% присоединений (при одной или двух системах шин); средняя частота отключений ВЛ и трансформаторов; средняя частота разрыва транзита (для ПС II и III категорий); возможность отключения одной или более ВЛ при отказе линейного выключателя повреждений ВЛ (для ПС III категории); средняя частота отключения двух ВЛ при совпадении отказа линейного выключателя поврежденной ВЛ и ревизии выключателя действующей ВЛ; средняя длительность восстановления нормального электроснабжения и транзита мощности.
Для повышения надежности схем электрических соединений необходимо стремиться к упрощению структуры схемы, т.е. уменьшению числа элементов, связей и аппаратов, главным образом выключателей, отказы которых являются основной причиной снижения надежности схемы; к созданию схем с ограниченным последствием отказов, т. е. локализацией аварий в пределах поврежденного элемента схемы.
Надежность схемы в целом будет определяться кроме частоты отказов оборудования также и временем, необходимым для восстановления нормального режима работы, т. е. временем аварийного ремонта или замены поврежденного оборудования, выключателя или его модуля.
Одной из основных характеристик надежности оборудования или устройства является удельная повреждаемость (частота или интенсивность отказов) λ определяемая как отношение числа элементов п, отказавших в работе в промежуток времени ∆t, к среднему числу элементов N, исправно работающих в течение времени ∆t (за период наблюдения t) отказ/год:

Обычно λ характеризует среднее число отказов в течение года.
Для количественной оценки надежности схемы следует пользоваться средними нормативными значениями удельной повреждаемости λ для оборудования, систем сборных шин, ВЛ и других элементов, полученными на основе анализа статистических данных по аварийности оборудования.
Удельную повреждаемость (частоту отказов) выключателя можно выразить следующим равенством:

где λв.н - удельная повреждаемость выключателя в состоянии покоя (неподвижном); λ0 - относительная частота отказов выключателя при опробованиях, оперативных переключениях и коммутациях рабочих токов; nоп - количество операций с выключателями в нормальном режиме эксплуатации за расчетный год;
λв.оэ- частота отказов выключателей при отключении КЗ;
λэ.п - удельная повреждаемость присоединенного к данному выключателю элемента схемы (трансформатора, ВЛ, секции сборных шин и др).
Удельная повреждаемость выключателя в состоянии покоя составляет около 10% соответствующего значения λв.о и в большинстве случаев в расчете надежности схемы не учитывается.
Отказы при нормальных операциях оцениваются величиной, примерно равной 60% общего числа отказов.
Основной характеристикой надежности выключателя следует считать удельную повреждаемость λв.о (поток отказов).
Удельная повреждаемость трансформаторов определяется из выражения

где λт1 - удельная повреждаемость единицы; nт- число единиц в группе одного присоединения.
Повреждаемость ВЛ пропорциональна ее длине и равна

где λуд- удельная повреждаемость ВЛ на 100 км/год.
Удельная повреждаемость ВЛ состоит из двух составляющих: удельной повреждаемости при неустойчивых повреждениях и удельной повреждаемости при устойчивых КЗ λп.у, оцениваемых соответственно в 70 и 30% общего числа повреждений.
На рис. 2.1 и 2.2 приведены средние значения удельной повреждаемости (потока отказов) трансформаторов и ВЛ (устойчивые повреждения) в зависимости от номинального напряжения.
Для количественной оценки надежности схемы прежде всего требуется определить частоту отключения каждого элемента схемы, вызванного отказом выключателя при повреждении присоединенного к последнему другого элемента, т. е.

Здесь λш - удельная повреждаемость сборных шин (системы в целом или секции), определяемая в основном количеством присоединенных шинных разъединителей.
Определив значение λ для элемента схемы или для схемы в целом и зная время восстановления нормального режима того или иного элемента схемы после аварии tав в часах или tав/8760 в долях года, можно определить ожидаемую длительность перерыва электроснабжения или длительность аварийного состояния схемы, ч/год, из выражения

или в относительных единицах

Ожидаемая длительность аварийного простоя ВЛ, отн. ед.,

где λл - суммарная удельная повреждаемость ВЛ (при устойчивых и неустойчивых КЗ).


Рис. 2.1. Средние значения удельной повреждаемости трансформаторов
Рис. 2.2. Средние значения удельной повреждаемости воздушных линий
Если для схем с однократным присоединением элементов (одна и две системы шин) для суждения о надежности схемы в целом достаточно определить значения λ и ν по элементам схем последующим их суммированием, то для схем с многократным присоединением элементов, т. е. с параллельными цепочками (многоугольники, "американская", полуторная схема и др.), для выяснения возможности выпадения двух смежных ВЛ (поврежденной и неповрежденной) необходимо дополнительно учитывать совпадение отказа выключателя поврежденного элемента с плановой ревизией выключателя работающего элемента (ВЛ). Для этого необходимо количественно оценить длительность (в часах или долях года) нахождения в плановом ремонте того или иного оборудования (выключателя) или элемента схемы (ВЛ, трансформатора, секции шин).
Ожидаемая длительность нахождения какого-либо элемента схемы в плановом ремонте или коэффициент планового простоя

где mр - число плановых ремонтов (ревизий) в течение года; tр - средняя длительность планового ремонта (ревизии) данного элемента, ч.
Относительная среднегодовая длительность планового ремонта системы (ревизии)

где nр - нормированное число дней ремонта в году.
Ожидаемая длительность ежегодного ремонта системы (секции) сборных шин

где n - длительность ежегодного ремонта одного разъединителя; к - количество
шинных разъединителей; р - количество секций или систем шин, т - количество одновременно ремонтируемых разъединителей.

Т а б л и ц а 2.3. Показатели надежности трансформаторов - автотрансформаторов

* Для однофазных,
** Для трехфазных,
*** На один трансформатор (фазу).
Таблица 2.4.
Показатели надежности выключателей

В соответствии с изложенным в табл. 2.3 - 2.6. приведены средние значения потока отказов (удельной повреждаемости) λ и τ = l/λ, характеризующие периодичность или повторяемость отказов, для различных элементов ПС (выключателей, трансформаторов, сборных шин, разъединителей, отделителей короткозамыкателей, выключателей нагрузки и линий электропередачи).
В качестве основных показателей надежности перечисленного оборудования и установок приняты; средняя удельная повреждаемость λ, 1 год (для ВЛ λл.у-при устойчивом КЗ, λп- суммарная удельная повреждаемость 1/год на 100 км); периодичность отказов τ = l/λ, лет; среднее время восстановления Тв(tав), ч.
В табл. 2.6 дан коэффициент, позволяющий, зная параметр потока устойчивых отказов линии, определить поток отказов при неустойчивых КЗ. Это важно потому, что при КЗ на ВЛ выключатель в ее цепи может отказать при устойчивом и неустойчивом КЗ, что в обоих случаях повлечет за собой потерю ВЛ. Следовательно, при определении уровня надежности схемы необходимо учитывать суммарный параметр отказа.

Таблица 2.5. Показатели надежности сборных шин
и аппаратов

Таблица 2. 6. Показатели надежности ВЛ

Согласно теории вероятности результат расчета уровня надежности (в том числе схемы) при независимых событиях математически определяется
произведением величин, характеризующих эти события. Так, если выключатель ремонтируется капитально 1 раз в 6 лет в течение 10 дней, а профилактика 3 дня ежегодно, то ожидаемое время нахождения выключателя в ремонте в момент КЗ на другой ВЛ определится из. выражения (суммарный коэффициент простоя)

На эту величину надо умножить величины, характеризующие вероятность совпадения остальных событий.

В табл. 2.7 и 2.8 приведены средние значения длительности аварийного и планового ремонтов (простоев) для различного оборудования, сборных шин и ВЛ.

Таблица 2.7. Длительность послеаварийного ремонта tав, ч, отдельных элементов для различного напряжения, кВ


Элементы сети

35

110-150

220

330

500

750 и выше

Трансформаторы и автотрансформаторы (220 кВ и выше)*

80

100

120

150

200

500

Выключатели воздушные
**

13

15

26

35

45

90

Выключатели масляные**

18

18

26

Секция сборных шин (на одно присоединение

4

4

4

5

6

15

Воздушные линии, одна цепь

9

9

9

10

15

35

* При наличии резервной фазы на ПС длительность замены поврежденной фазы 6- 8 ч без перекатки и 50-60 ч с перекаткой.
** Для всех схем, кроме схем с обходным или подменным выключателем, в этих схемах длительность замены 0,5 ч.
Таблица 2.8.
Длительность планового ремонта tпл, ч/год, отдельных элементов для различного напряжения, кВ


Элементы сети

35

110-150

220

330

500

750 и выше

Трансформаторы

30

70

80

90

90

150-200

Выключатели воздушные

40

60

125

185

240

360-400

Выключатели масляные

15

45

55

 

Сборные шины (на одно присоединение)

2

2

3,5

5

5

7-10

Воздушные линии со снятием напряжения

18

20

45

60

90

120-150

Воздушные линии под напряжением

1

2

4

5

7

15-20

Следует иметь в виду, что при сравнительной оценке надежности той или иной схемы необходимым условием является сравнение этих схем для одних и тех же значений удельной повреждаемости λ. В этом случае абсолютное значение λ не будет столь важно.
Значения среднегодовой продолжительности планового ремонта воздушных выключателей получены из существующей в настоящее время нормированной периодичности и трудоемкости ремонтов.
Таблица 2. 9. Среднегодовая длительность планового ремонта воздушного выключателя tp/q, дин/отн.ед., различного напряжения, кВ


Межремонтный
срок

35

110-150

220

330

500

750-1150

3 года

2/0,005

3/0,009

5/0,0014

7/0,02

10/0,03

15/0,045

6 лет

1/0,0025

1,5/0,0045

2,5/0,07

3,5/0,01

5/0,015

8/0,025

Если принять, что при капитальном ремонте 1 раз в 6 лет среднегодовая продолжительность ремонта t для воздушных выключателей 1.10 кВ составляет 1,5; для 220 кВ 2,5; 330 кВ 3,5 и для 500 кВ 5 дней, то соответствующие среднегодовые продолжительности (коэффициент планового простоя q) будут соответствовать данным, приведенным в табл. 2.9.
Вероятность выхода из строя цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных элементов, равна сумме вероятностей отказов g в работе элементов, составляющих данную цепь:

Вероятность выхода из строя цепи, состоящей из нескольких параллельно соединенных элементов, равна произведению вероятностей отказов элементов, составляющих данную цепь:
Поэтому, например, одиночная тупиковая ВЛ, питающая ПС, обладает весьма малой надежностью, так как она может выйти из строя из-за отказа любого элемента, входящего в эту последовательную цепь - выключателей питающего и приемного концов ВЛ и трансформатора (рис. 2.3, а).
схемы сети с последовательным и параллельным соединениями элементов
Рис. 2.3. Примеры схем сети с последовательным и параллельным соединениями элементов

Схема РУ с однократным присоединением цепей также состоит из последовательно соединенных элементов (хотя к шинам они присоединены параллельно), поскольку отказ выключателя поврежденной ВЛ приводит к отключению всех выключателей, присоединенных к данной секции шин (рис. 2,3, б). В схемах с многократным присоединением элементов, т. е. с параллельными цепочками, одновременное выпадение двух смежных цепей возможно, как было указано выше, только при совпадении отказа выключателя поврежденной ВЛ с ревизией выключателя работающей ВЛ; эти события считаются независимыми и случаются редко (рис. 2.3, в). Применительно к схемам электроснабжения независимыми событиями считаются аварийное состояние одной ВЛ и плановый ремонт другой или аварийное отключение одного трансформатора и ревизия другого и т. д. (рис. 2.3, г). Таким образом, вероятность аварийного состояния для схем на рис. 2.3, в

Очевидно, что g(2) всегда меньше g(1), что и определяет более высокую надежность схем с многократным присоединением цепей.
Полное отключение ПС или секции шин с многократным присоединением элементов выразится равенством

в котором второй член указывает на совпадение отказов двух выключателей при аварийных выпадениях двух ВЛ или 1двух трансформаторов, что практически маловероятно и может не учитываться. Однако при большом числе параллельных цепочек в несекционированной схеме с многократным присоединением цепей такая аварийная ситуация не исключена.
Основные допущения аналитического расчета надежности схем заключаются в следующем:
перерывы электроснабжения или отключении отдельных элементов схемы, ликвидируемые работой автоматики (АПВ, АВР), не учитываются;
кратковременные отключения подсчитываются отдельно только для элементов, соединенных последовательно:
при длительных отключениях (ремонт элементов) рассматриваются также отказы параллельных цепей, вызванные наложением повреждений одного элемента на плановые отключения другого;
повреждения имеют случайный характер, а параметр потока отказов (удельная повреждаемость) λ не зависит от предыдущих условий работы оборудования.
В соответствии с изложенным для количественной оценки надежности главных схем РУ или схем электроснабжения в дальнейшем используется следующие обозначения и формулы.
Частота отказов установки в год в целом при последовательном соединении элементов
Таблица 2.10. Исходные данные для расчета надежности схем РУ

Ожидаемая длительность аварийного перерыва в течение года определяется для последовательного соединения из выражения

где tcp = ν/λ - средняя длительность аварийного перерыва, ч/год или отн. ед.
Частота отказа установки при параллельном соединении элементов определяется из выражения

Ожидаемая длительность аварийного перерыва в электроснабжении в течение года

где vа.в1 пл 2 - ожидаемая длительность аварийного отключения первой ветви во время ремонта второй.
Таким образом для количественной оценки надежности схем необходимо знать удельную повреждаемость оборудования, ВЛ и устройств, а также значения taв и tр.
Для удобства и быстроты производства расчетов надежности схем РУ 110-750 кВ в табл. 2.10 приведены все необходимые исходные данные: tср, км - средняя длина ВЛ, присоединенных к данному РУ (сумма длин всех ВЛ, деленная на количество ВЛ), а если длина не задана, следует использовать tср, данную в табл 2.10; λл.у. и λл.ну-удельные повреждаемости ВЛ данного напряжения при устойчивых и неустойчивых КЗ; λв.о - удельная повреждаемость выключателя при отклонении КЗ; λв.н - удельная повреждаемость выключателя в состоянии покоя (в неподвижном состоянии); λт -удельная повреждаемость трансформаторов (или автотрансформаторов); qл и qв-вероятность нахождения в ремонте выключателя или ВЛ; совпадающего с моментом повреждения другого выключателя или другой ВЛ; tпр и tк.р - продолжительность
профилактического или капитального ремонта выключателя в днях.



 
« Современная система противопожарной защиты кабелей   Сравнение вакуумных и элегазовых выключателей среднего напряжения »
электрические сети