В мировой практике явно присутствуют два принципа построения схем коммутации: кольцевой и радиальный (§ 1.4). В радиальных схемах на каждое присоединении один выключатель, в кольцевых - один и более. По затратам, связанным с капиталовложениями на коммутационную аппаратуру, первые схемы в ряде случаев предпочтительны. Но по сравнению с радиальными кольцевые схемы надежнее. В них между смежными присоединениями один или более выключателей, в то время как в радиальных схемах присоединения группируются на отдельно взятых системах (секциях) шин. Различные страны имеют индивидуальный подход к выбору и использованию типов схем. Выделяются три группы стран, в большей или меньшей степени тяготеющих к тому или иному решению.
Первая группа стран — западноевропейские государства. Они длительное время используют для схем радиальный принцип и в распределительных, и в основных сетях соответственно класса 100-200 и 400 кВ. Долгий период схемы с тремя и более системами сборных шин считались характерными только для рассматриваемых стран. Но все более заметно их проникновение в практику восточноевропейских государств. Схемы с тремя системами шин появились в Болгарии, Польше, Румынии, Югославии [114-117]. Часто, особенно для распределительных сетей, в радиальных схемах шиносоединительные (секционные) выключатели нормально отключены; по режимным соображениям отдельные источники питания с определенными линиями к потребителям сгруппированы на разных системах (секциях) шин; параллельная работа блоков осуществлена через сети повышенных напряжений; одна из систем шин, если их две и более, в нормальном режиме не задействована и используется в качестве резервной.
Раздельная работа систем шин способствует (§ 3.8) ограничению токов КЗ и надежному электроснабжению потребителей от двух независимых источников. В схеме нет элементов, единичный отказ которых приводит к одновременному погашению систем (секций) шин, подключенных к рассматриваемым источникам. Таким образом, появление схем с большим числом систем шин вызвано потребностью секционировать сеть с целью обеспечения: необходимого с режимных позиций распределения присоединений по шинам; ограничения токов КЗ; определенной надежности электроснабжения потребителей. Раздельная работа шин не ограничивает создание связной сети. Из-за высокой стоимости земли в Западной Европе используются двухцепные ВЛ. В таких условиях формирование кольцевой (петлевой) конфигурации сети при раздельной работе систем шин выполнено так, как это показано в [И8].
Недостаток раздельной работы систем шин - нарушение естественного потокораспределения активной мощности, что связано с увеличением потерь в сетях. При небольших межузловых расстояниях в сетях рассматриваемых стран принцип построения ее структуры ослабляет это отрицательное влияние. Он получил название «сети с концентрированной структурой» [40]. В ней центры производства и потребления электроэнергии если и не совпадают, то близко расположены. Последнее приводит к тенденции к само- сбалансированности по активной мощности энергоузлов с учетом взаиморезервирования. И роль сети высшего напряжения состоит не в целевом транспорте электроэнергии, а во взаимопомощи генерирующими источниками друг Другу. То же относится и к близко расположенным центрам потребления. Назначение сети высшего напряжения в таких системах - реализация межсистемного эффекта (§ 2.1). Потоки, связанные с ним для выделенного энергоузла, кратковременны (§ 2.2). Это одна из причин, что схемы коммутации для основных сетей анализируемой группы стран могут быть менее надежными, чем для распределительных. Так, в ряде случаев в западноевропейских странах схемы коммутации подстанций 110-220 кВ выполнены по схеме с тремя системами шин, а 380- 400 кВ - с одной несекционированной, хотя отказ любого выключателя присоединения к ней сопряжен с его погашением. Или, как например в Италии, в распределительных сетях 132 и 220 кВ шиносоединительные выключатели нормально разомкнуты, а в основных сетях 380 кВ - замкнуты. При этом отказ шиносоединительного выключателя в схеме с двумя системами шин приведет к погашению РУ 380 кВ.
Наконец, надежность электроснабжения потребителей обеспечена выбором структурных схем электростанций и подстанций. Для последних нередко предусмотрена установка более двух трансформаторов. Трех-четырех трансформаторная подстанция в практике промышленно развитых стран - типовое решение при росте нагрузки. Их сборные шины секционированы по числу питающих вводов. Требование к электроснабжению потребителей от двух источников питания реализовано независимо от положения шиносоединительных (секционных) выключателей. Структурные схемы электростанций, на которых обычно один-два крупных блока, в ряде случаев выбирают так, чтобы обеспечить выдачу мощности в две сети повышенных напряжений двумя трансформаторами. В Германии и Италии 25-35% блоков АЭС и ТЭС с данной структурной схемой [119]. При погашении одного РУ мощность выдается в сеть другого напряжения.
Вторая группа стран - США и Канада и, отчасти, Австралия, где принципиально не используют радиальные схемы с несколькими системами сборных шин. Считают, что основная причина аварий в сетях - отказы оборудования при проведении им операций и ошибочные действия персонала. Наличие оперативных разъединителей в схеме значительно увеличит число отказов в электроустановке. В распределительных сетях напряжением 100— 300 кВ этих стран применяют схемы с одной секционированной системой шин с обходной и кольцевые схемы. В сетях 500-765 кВ использованы последние из упомянутых схем. В первую очередь - это схема 3/2, далее многоугольники (считают нормой 10-12- угольники), схема 4/3. В схеме с одной секционированной системой шин с обходной либо без нее многократное секционирование шин через один-два выключателя. Еще в [120, 121] показано, что на подавляющем числе электростанций США и Канады каждый блок 100 МВт и более выделен на собственную секцию. Число последних достигало 10-14.
Другой способ повышения надежности радиальных схем заключался в том, что сборные шины секционированы двумя последовательно включенными выключателями (недавно введено в отечественную практику) или источники питания подключены к секциям шин через два выключателя, в то время как ВЛ одним. Последнее распространено в сетях 132 и 330 кВ Австралии. С 80-х годов все заметнее тенденция внедрения кольцевых схем для напряжений 100-300 кВ, хотя еще в 40-х годах некоторые американские и канадские компании использовали только кольцевые схемы для сетей 60 кВ и выше [58].
В радиальных схемах, как указывалось, в каждом присоединении один выключатель, в кольцевых - один и более на присоединение, в полуторной схеме, например, 1,5 выключателя. Затраты, связанные с капиталовложениями на РУ с первыми схемами, при прочих равных условиях ниже, чем для кольцевых. Единичный отказ в радиальной схеме выключателя присоединения к системе (секции) шин приводит к отключению смежных элементов (25-60% общего числа отказов) и к погашению шин. Для сравнения, в схеме 3/2 при наиболее тяжелой расчетной аварии, используемой при проведении технико-экономических сопоставлений и заключающейся в отказе одного выключателя во время планового ремонта другого, максимально возможна потеря двух присоединений. С позиций фактора надежности кольцевые схемы предпочтительны.
Повышают надежность радиальных схем секционированием в них систем шин. Это сопряжено с увеличением числа выключателей в схеме и затрат, связанных с капитальными вложениями. Такой путь принят, в частности, при выборе схемы КРУЭ 800 кВ для подстанции в ЮАР (118]. Ее анализ показал, что на 8 присоединений предусмотрено 12 ячеек выключателей. Ровно столько их требовалось для более надежной полуторной схемы с восемью присоединениями. Следовательно, экономические сопоставления не всегда главный критерий выбора схем коммутации. Превалирующее влияние оказывают традиции, связанные с унификацией технических решений.
К третьей группе отнесены страны, где применяют схемы, выполненные по обоим принципам - Индия, Китай, Япония и др. К ней отнесена Россия. Как показано в § 4.2 и 4.3, для отечественных электроустановок до 220 кВ преимущественной является схема с двумя системами сборных шин с обходной, при напряжении 330 кВ и выше - схема 3/2 (электростанции), трансформаторы- шины и четырехугольник (подстанции). Причина широкого использования в стране радиальной схемы с двумя, а не с одной системами шин отмечена еще в [58]. Согласно [58], более чем при одной системе шин возможна любая группировка к ним присоединений, что допускает раздельное проектирование схемы сети и электроустановки. Проектировщику не требовалось согласовывать распределение присоединений между шинами со схемой сети.
В России области применения радиальных схем от номинального напряжения сети до недавнего времени фиксировались жестко (до 220 кВ). В других странах иной подход. Так, в Индии и Японии радиальные схемы, имеющие не более двух систем сборных шин, распространены наряду с кольцевыми схемами (преимущественно схема 3/2) вплоть до 400 (Индия)-500 кВ (Япония). Кольцевые схемы предусматривали, когда фактор надежности выдачи мощности или электроснабжения потребителей превалировал. Другая особенность отечественной практики: в нормальном режиме шиносоединительный выключатель в схеме с двумя системами шин с обходной включен (режим фиксированных присоединений). В то время как при их использовании в распределительных сетях западноевропейских стран он часто нормально отключен.
Замкнутое положение шиносоединительных выключателей, с одной стороны, объяснимо. Во-первых, межузловые расстояния в распределительных сетях 110-220 кВ (при 220 кВ на уровне 100 км) в несколько раз превосходят таковые для основных сетей 400 кВ западноевропейских стран (20-50 км). Во-вторых, в отечественных системах значительная несбалансированность по активной мощности узлов при концентрации мощностей на отдельных электростанциях или в регионах [85]. В таких условиях нормально отключенное положение шиносоединительных выключателей нарушает естественное потокораспределение активной мощности, что неэкономично. С другой стороны, если шиносоединительный выключатель нормально замкнут, то его отказ, связанный с отключением смежных элементов при отсутствии секционирования шин (типично, § 4.3), приводит к погашению электроустановки. Таким образом, в схеме с двумя системами шин при нормально включенном шиносоединительном выключателе не обеспечено одно из основных требований к схемам, используемое большим количеством стран и связанное с необходимостью электроснабжения потребителей от двух независимых источников питания. В практике промышленно развитых стран рассматриваемая схема удовлетворяет (см. выше) данному требованию. Следовательно, обоснование целесообразности или возможности использования тех или иных типов схем коммутации должно увязываться с общими принципами построения сетей и энергосистем в целом.
В схеме с двумя системами шин с обходной секционирование их выключателями способствует электроснабжению потребителей от двух независимых источников, но не является эффективным. Во-первых, при секционировании шин общее количество выключателей в схеме может сравняться с их числом в более надежной кольцевой схеме. Во-вторых, наличие в схеме с двумя системами шин оперативных разъединителей сказывается на ее надежности. Авария на развилке шинных разъединителей при проведении ими коммутаций приводит к погашению РУ при несекционированных сборных шинах. В НТП электроустановок данный вид отказов не рассматривался в качестве расчетной аварии. Настоящий параграф ограничен констатацией факта. Его правомерность исследована далее.
Анализ принципов формирования схем коммутации позволяет выявить закономерности в их использовании и сформулировать следующие выводы:
- принципы построения схем коммутации следует увязывать с общими принципами построения структуры и параметров сетей;
- применение схем с большим числом систем шин вызвано потребностью секционировать сеть с целью обеспечения необходимого с режимных позиций распределения присоединений между системами шин, ограничения токов КЗ, определенной надежности электроснабжения потребителей;
- в общем случае, если в системе обеспечена самосбалансированность энергоузлов по генерирующей мощности с учетом взаиморезервирования, то для сетей, выполняющих функции реализации межсистемного эффекта, допустимо применение менее надежных, чем в распределительных сетях, схем коммутации;
- структура сетей влияет на предпочтительный режим работы радиальных схем коммутации. В распределительных сетях при концентрированной их структуре для шиносоединительных выключателей типично нормально отключенное положение. При отходе от данного принципа построения систем или в основных сетях при самобалансе энергоузлов для схем характерен режим фиксированных присоединений. Они по возможности симметрично распределены между системами шин, а шиносоединительный выключатель нормально включен;
- повсеместно распространенная в сетях 1 10-220 кВ отечественных систем схема с двумя системами сборных шин с обходной не обеспечивает электроснабжения потребителей от двух независимых источников питания.
