Гидроэлектрические станции - Схемы главных электрических соединений

ГЛАВА 13
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

СХЕМЫ ГЛАВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯ
Гидроэлектростанции, как правило, удалены от районов потребления энергии, что приводит к необходимости передачи ее на расстояния, достигающие 1000 км и более. Передача электрической энергии на значительные расстояния связана с большими потерями. Для уменьшения потерь целесообразно переходить на повышенное напряжение, что осуществляется силовыми трансформаторами. В высоковольтных линиях электропередачи применяется тем большее напряжение, чем больше их длина. В настоящее время напряжение достигает 500 — 750 кВ. Проектируются и строятся линии электропередачи напряжением 1150 и 1500 кВ.
Таблица 13.1

Значения напряжения линии, передаваемой по ней мощности и удельных капиталовложений в зависимости от длины линии приведены в табл. 13.1.

Рис. 13.1. Варианты подключения главных трансформаторов к генераторам:
Г1, Г2 — генераторы; ΤΙ, Т2 — трансформаторы; 1 — выключатель; 2 — разъединитель

Подключение потребителей, находящихся на разных расстояниях от гидроэлектростанции, связано со строительством линий электропередачи различного напряжения, в связи с чем на станциях необходима установка соответствующих трансформаторов. Часть вырабатываемой энергии расходуется на собственные нужды, питание которых осуществляется на низком напряжении.
Таким образом, на гидроэлектростанции необходимо создание системы электрических устройств и соединений, которая должна обеспечивать энергией всех подключенных к агрегатам станции потребителей как при нормальных условиях эксплуатации, так и при выходе из строя одного или нескольких агрегатов. Структуру этой системы определяет главная электрическая схема, которая может быть условно разделена на две части — высокого напряжения и низкого напряжения, необходимого для питания собственных нужд станции. В зависимости от мощности станции, числа установленных агрегатов и характеристик потребителя энергии применяются различные схемы электрических соединений [84].
Основой каждой схемы является соединение генераторов с трансформаторами и линиями электропередачи. На рис. 13.1 приведено несколько возможных способов таких соединений:  I — вариант блочной схемы, в которой каждый генератор соединен со своим повышающим двухобмоточным трехфазным трансформатором и линией электропередачи. Такая схема допустима на многоагрегатных крупных или малых гидроэлектростанциях при условии, что потребитель подключен также к другому источнику энергии. В этом случае для ремонта необходимо отключение его от линии электропередачи, что достигается установкой специальных выключателей.
Применяемые в настоящее время выключатели способны отключать линию при высоких значениях силы тока, возникающих при коротком замыкании. Однако правилами безопасности работ на линиях высокого напряжения требуется наличие видимого разрыва цепи со стороны возможного напряжения, в связи с чем в состав схемы включается разъединитель, образующий такой разрыв в электрической цепи. Размыкание разъединителя производится лишь после отключения выключателя.
Подключение двух агрегатов к одной линии электропередачи может быть осуществлено по вариантам II, III и IV, различающимся надежностью, параметрами трансформаторов и стоимостью. В варианте II применены два трехфазных трансформатора мощностью, равной мощности агрегата, в варианте III применен один трехфазный трансформатор мощностью, равной мощности 2Nагр, в варианте IV —один трехфазный трансформатор с расщепленными обмотками генераторного напряжения, что повышает надежность подачи энергии, потребителю и позволяет несколько снизить стоимость резервного трансформатора. Недостатком вариантов III и IV является необходимость остановки двух агрегатов при ревизии трансформатора (аварии трансформаторов крайне редки). Применение трехфазного трансформатора с расщеплением вторичных обмоток для питания двух линий показано на схеме V, -применение двух трехфазных трансформаторов на две линии работающих от одного генератора на схеме VI. Если по условиям транспортировки или размещения не представляется возможным применение трехфазных трансформаторов, то используются однофазные трансформаторы.
Значительно более надежными являются схемы, в которых все генераторы объединены общей системой шин генераторного напряжения. Такие схемы приведены на рис. 13.2 (варианты I и 2). Иногда предусматривается также дублирующая система шин генераторного напряжения на случай возможного выхода из строя основных (вариант III), тогда авария на любом из трансформаторов приводит к отключению лишь одной линии передачи, а авария на генераторе не прекращает питание всех линий. Такая схема может быть применена на станциях с большим числом линий электропередачи различного напряжения. Дальнейшее повышение надежности схемы электрических соединений осуществляется путем применения дублирующих систем шин высокого напряжения на случай аварии основной системы шин (вариант VI). К шинам высокого напряжения может быть подключено любое количество линий передачи. Применение таких схем оправдано на мощных гидроэлектростанциях с большим числом агрегатов. В целях локализации возможной аварии на системах шин, ведущей  остановке всей станции, при большом числе агрегатов применяется секционирование систем шин, для чего шины разрезаются на отдельные участки, между которыми устанавливаются межшинные выключатели. Для ревизии и ремонта межшинных выключателей по обе стороны от них размещаются разъединители. Пример такого секционирования показан на вариантах II, III и IV. На вариантах IV и V изображены способы подключения генераторов и трансформаторов, позволяющие, не снижая надежности энергоснабжения, уменьшить число выключателей и разъединителей.

Рис. 13.2. Схемы главных электрических соединений при различных системах шин:
1 — генератор; 2 — трансформатор; 3 — выключатель; 4 — разъединитель; 5 — шины генераторного напряжения; 6 — шины напряжения; 7 — понижающий трансформатор

На рис. 13.3 приведена структура схемы многоагрегатной ГЭС с различными способами «соединений большого числа линий электропередачи, работающих при разных напряжениях. Шесть из девяти установленных на ГЭС агрегатов (Г1 — Г6) объединены общими дублированными секционированными шинами генераторного и высокого напряжения и выдают энергию на линии дальней передачи высокого напряжения 500 кВ. Линии передачи напряжением 110 и 220 кВ питаются от трансформаторов, которые могут быть подключены к схеме либо до, либо после главных силовых трансформаторов. Для повышения надежности при большом количестве таких линий и большой передаваемой мощности их подключение может быть осуществлено к двум секциям шин генераторного напряжения.
Установленные межсекционные выключатели предназначены для ограничения распространения аварии на шинах. Местные потребители, энергия к которым подводится при напряжении 6 — 15 кВ, могут быть подключены к шинам генераторного напряжения (ВЛ7).
Подключение линий разного напряжения возможно также через трехобмоточные трансформаторы (ВЛ4 к агрегатам Г7 — Г9), масса и размеры которых, однако, значительно больше, чем каждого из двухобмоточных трансформаторов. Занимая меньше места, чем два двухобмоточных трансформатора, такие трансформаторы используются в случаях, когда мощность линий низкого напряжения невелика и установка отдельного трансформатора нецелесообразна. Шина ВЛ5 подключена к двум трехобмоточным трансформаторам, что повышает надежность ее питания.

 

Рис. 13.3. Схема главных электрических соединений многоагрегатной ГЭС:

1 — главные силовые трансформаторы; 2 — межсекционные выключатели; 3 — трехобмоточный трансформатор; 4 — разъединитель высокого напряжения; 5 — понижающие трансформаторы собственных нужд; 6 — секции шины собственных нужд; 7 — трансформаторы собственных нужд

Рис. 13.4. Варианты электрических соединений обратимых агрегатов ГАЭС при различных режимах эксплуатации:
1 — двигатель-генератор; 2 — главный повышающий трансформатор; 3 — шина высокого напряжения; 4 — переключатель; 5 — силовой выключатель; 6 — разъединитель; 7 — станционный трансформатор; 8 — трансформатор собственных нужд; 9 — трансформатор системы возбуждения; 10 — пусковой трансформатор; 11 — пусковое оборудование (два комплекта); 12 — преобразователь тока; 13 — реактор; 14 — питающий трансформатор;        отключено;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- включено

Поскольку целесообразно трансформаторы максимально приближать к генераторам, вся электрическая часть схемы, находящаяся между ними (шины генераторного напряжения, выключатели и разъединители, а также измерительная аппаратура), обычно располагается в пределах здания станции, для чего в нем предусматривается ряд специальных помещений. Электрические магнитные поля, возникающие вокруг шин и кабелей, являются источниками основных нагрузок, испытываемых их опорными конструкциями и передаваемых на конструкции здания. Особенно велики эти усилия при аварийных режимах и возникновении огромных токов короткого замыкания, в связи с чем необходимо максимально ограничить эти токи путем рационального составления схемы (секционирование, дублирование шин и т. д.). Применение трансформаторов с расщепленными первичными обмотками (например, по числу подключенных к трансформатору генераторов, вариант IV на рис. 13.1) также позволяет ограничить токи короткого замыкания в шинах генераторного напряжения. Для этого служат устанавливаемые на шинах и линиях реакторы. По-видимому, на гидроэлектростанциях с трансформаторами сравнительно небольшой мощности целесообразно применение трехободоточных трансформаторов, один из которых является резервным. При больших мощностях и небольшом числе агрегатов целесообразна установка однофазных трансформаторов, а в случае большого числа мощных трансформаторов — трехфазных, если это допустимо по условиям их  транспортировки. При этом следует иметь в виду, что группа из трех однофазных трансформаторов занимает несколько больше места, чем один трехфазный, и стоит дороже. Окончательный выбор схемы электрических соединений производится с учетом всех факторов — надежности подачи энергии потребителю, стоимости электрической части схемы и строительной части здания станции, занимаемого электрическим оборудованием. В целях снижения стоимости электрической части гидроэлектростанции в настоящее время разрабатываются конструкции высоковольтных гидрогенераторов, позволяющие получать непосредственно на шинах напряжение до 220 кВ. Это позволит отказаться от установки повышающих трансформаторов в пределах станции.
В связи с тем, что агрегаты ГАЭС могут запускаться в работу в турбинном и насосном режимах, из состояния остановки или вращающегося резерва, при открытых задвижках на напорных водоводах и затворах со стороны нижнего бассейна (бьефа) существует несколько вариантов подключения каждого агрегата к схеме электрических соединений.
На рис. 13.4 изображена условная схема электрических соединений ГАЭС с шестью агрегатами, каждый из которых запускается в турбинном или насосном режиме различным способом. На рисунке линиями показаны включенные соединения, жирными линиями — отключенные.
Схема включения агрегата, находящегося в состоянии готовности к пуску в насосном режиме (так называемый частотный пуск от преобразователя), изображена для агрегата 1 ток возбуждения при этом подается от агрегата 2, находящегося в генераторном режиме, через пусковой комплекс, в состав которого входит преобразователь тока; включение агрегата в генераторный режим, находящегося в состоянии вращающегося резерва, показано для агрегата 3; для агрегата 4 показаны соединения при готовности к пуску в насосном режиме (так называемый частотный пуск от другого агрегата), при этом необходимый ток поступает через главный трансформатор, напряжением 400/18 кВ; готовность к частотному пуску в генераторном режиме от агрегата 5, также находящемуся в генераторном режиме, показана для агрегата 6.