Схемы выдачи мощности электростанций - Эксплуатационная оценка схем со сборными шинами

В отечественных электроустановках радиальная схема с двумя системами сборных шин являлась массовой, а в ряде случаев единственно используемой до 50-х годов. С конца 40-х годов в практику стали внедрять обходные системы. Характерным для схемы с двумя системами шин был режим, когда присоединения группировались на одной системе, вторая была свободной [58, 59].  Две системы шин предусматривались для различных целей: резервирования сборных шин и выключателей присоединений (ремонтируемый выключатель шунтировался временной перемычкой и заменялся шиносоединительным), синхронизации и выделения какого-либо источника питания сети из параллельной работы, так называемый процесс транспозиции источников питания с одной системы шин на другую по режимным соображениям в условиях изолированной работы отдельных частей системы [59].
После внедрения в практику обязательного применения при 110 кВ и выше в схеме с двумя системами сборных шин обходной системы, окупаемой уже за счет снижения потерь энергии в подключаемых ВЛ, оказались невостребованными резервные функции шиносоединительных выключателей. Функции второй, свободной системы шин были частично переданы обходной. При этом время простоя выключателей присоединений стало минимальным, определяемым длительностью оперативных переключений, и практически одинаковым при плановых и аварийных простоях. Все более широкое объединение на параллельную работу отдельных энергоузлов и энергосистем в целом исключило потребность в свободной системе шин для транспозиции источников питания. С 50-х годов преимущественным для схемы с двумя системами шин стал режим с фиксированными присоединениями, когда последние симметрично распределены между обеими системами шин, а шиносоединительный выключатель нормально включен и выполняет секционирующие функции. Таким образом, применительно к современным электроустановкам можно говорить, что две рабочие системы шин предусмотрены для одной цели - их собственного резервирования.
Резервирование элементов схем обосновывалось (§ 3.9) двумя расчетными режимами; ремонтными (по надежности и потерям электроэнергии), послеаварийными (надежности). Наличие двух, а не одной системы шин, позволяет на время планового ремонта одной из них перевести без отключения от сети присоединения на другую систему. В отечественных условиях это полезное, но не обязательное или необходимое свойство. Во-первых, сети 110-220 кВ формируют так, чтобы обеспечить электроснабжение потребителей по крайней мере по двум линиям (§ 4.3). Сети 110 кВ представлены конфигурациями по типу на рис. 3.2, а-г.  В сетях 220 кВ превалируют структуры по типу на рис, 3.2, д-ж. На подстанциях не менее (§ 4,3) двух (автотрансформаторов. Пропускную способность их и питающих линий следует выбирать так, чтобы с учетом перегрузочной способности обеспечить полное электроснабжение потребителей в ремонтных режимах, например при плановом отключении одного из элементов схемы. В этой связи плановый ремонт одной из систем шин с отключением всех ее элементов не приведет к ограничению потребителей.
Во-вторых, длительность плановых ремонтов шин невелика. Продолжительность текущего ремонта шинного разъединителя 110-220 кВ 3,5—4 ч. Частота проведения последнего не более 1 1/год. На наиболее трудоемкую операцию на ошиновке - чистку гирлянды изоляторов - отведено 0,8 (110 кВ) и 1,4 чел. ч (220 кВ) ремонтной бригаде в два человека. При чистке гирлянды с подъемника нормы времени снижены [122]. Перевод присоединений с одной системы шин на другую для их профилактики осуществляют раз в год. Поэтому вывод в плановый ремонт одной из систем шин с отключением ее всех присоединений не приводит к заметному увеличению потерь электроэнергии в сетях.
При принятом в стране (§ 4.4) нормально включенном положении шиносоединительных (схема с двумя системами сборных шин) и секционных (с одной секционированной) выключателей их отказы, требующие отключения смежных присоединений, приводят к одинаковым последствиям - полному погашению РУ - и при дальнейшем анализе не рассмотрены. Иметь в схеме две, а не одну систему сборных шин, по прочим условиям послеаварийных режимов на первый взгляд полезно. Однако, как выявило обобщение фактического материала, это не так. Наличие двух систем шин с развилкой из двух шинных разъединителей на каждом присоединении и порождало те отказы, при которых целесообразно располагать не одной, а двумя системами шин. Иными словами, переход от схемы с одной секционированной системой шин с обходной к альтернативной схеме с двумя системами шин с обходной снижает надежность электроустановок. Соответствующие доводы приведены далее.
Анализу подвергнуты отказы на 26 подстанциях 500/220 кВ АО «Дальние электропередачи» за 15 лет (1978-1992 гг.). Они являются важнейшими коммутационными узлами сети 500 кВ Российской Федерации. Уровень квалификации их эксплуатационного персонала близок к тому, который есть на электростанциях.  Конструкция РУ подстанций однотипная. В них гибкая ошиновка и горизонтально-поворотные двух колонковые разъединители. Все РУ 220 кВ выполнены по схеме с двумя системами шин с обходной (на одной подстанции сборные шины 220 кВ секционированы выключателями), а РУ 500 кВ - по схеме трансформаторы-шины и полуторной. Учтено 25 РУ 220 кВ (соответственно 52 системы или секции систем сборных шин) и 26 РУ 500 кВ, что дало 10245 разъединителей-лет при 220 кВ и 6255 разъединителей-лет при 500 кВ.
В качестве исходной информации использованы журналы регистрации отказов первой и второй степени (их классификация в [123]), а также акты по расследованию аварий. При анализе во внимание приняты отказы систем сборных шин, вызванные повреждениями их составных элементов: ошиновки, шинных разъединителей и оборудования ячеек трансформаторов напряжения, подключаемых к шинам. Считалось, что при статистическом анализе надежности шин не должны учитываться их погашения, вызванные нарушениями работоспособности других элементов схем, например, вследствие работы устройств резервирования отказов выключателей (УРОВ) и дифференциальной защиты автотрансформаторов в схеме трансформаторы-шины. Также не учтены успешные АПВ сборных шин и отказы разъединителей при вводе оборудования в работу, связанные с разбалансировкой ножей.
Анализ документов показал, что отказы сборных шин идентифицировались событиями: отказам шинных разъединителей; отказам в ячейке трансформатора напряжения; набросам посторонних предметов на ошиновку; ошибочным включениям заземляющих ножей шинных разъединителей, находящихся под напряжением; ложным действиям РЗА, отказам во вторичным цепях; ошибкам проектирования; неустановленным причинам. В табл. 4.15 в соответствии с предложенной классификацией отражены отказы систем сборных (для 220 кВ рабочих) шин за 15-летний период. Для 220 кВ в числителе общее число отказов, в знаменателе - приведших к погашению обеих систем шин. Из общего числа в табл. 4.15 пять отказов первой степени: три в РУ 220 кВ и два в РУ 500 кВ. Другие отказы второй степени. Для РУ 220 кВ погашения одной системы шин не сопровождались недоотпуском электроэнергии (пояснено ранее). Он был лишь при отключении обеих систем шин.

Таблица 4.15. Отказы систем сборных шин

Отказы шинных разъединителей.

Наиболее тяжелая авария - разрушение изоляционной колонки разъединителя при проведении им оперативных переключений при переводе присоединений с одной системы шин на другую. Все отказы вызывали погашение обеих систем шин. Время замены поврежденной колонки 3-5 ч. В п.1.1 табл. 4.15 не учтен случай поломки тяги в приводе разъединителя 220 кВ при изменении фиксации присоединений, так как событие не было связано с их отключением.  На рассматриваемых подстанциях использованы такие схемы 500 кВ, в которых разъединители выполняют одну функцию - создание видимого разрыва при ремонте оборудования. Вследствие чего в соответствующей графе п.1.1 табл. 4.15 стоит прочерк. В РУ 220 кВ оба отказа разъединителей при выводе выключателей в плановый ремонт сопряжены с разрушением опорных колонок. Причины отказов разъединителей 220 и 500 кВ в статическом состоянии различные. Все четыре отказа разъединителей 220 кВ - самопроизвольное разрушение опорных колонок. У разъединителей 500 кВ два события связаны с перекрытием колонок грозовым воздействием и пылевой бурей и одно событие - самопроизвольное отключение под напряжением из-за сильного ветра. В последнем случае менялась контактная система разъединителя в течение 5-6 ч. В п.1.3 табл. 4.15 не учтено разрушение одновременно двух разъединителей 500 кВ, вызванное взрывом воздушного выключателя в той же ячейке. Таким образом, в схемах 220 кВ с двумя системами шин, где шинные разъединители выполняют оперативные функции и создание видимого разрыва, оказалось, что главная причина их отказов в разрушении опорных изоляционных колонок разъединителей. В схемах 500 кВ, где они выполняли функцию создания видимого разрыва, их отказы возникали лишь на фоне неблагоприятных природных воздействий. Надо полагать, что причиной отказов шинных разъединителей 220 кВ и являлось выполнение ими оперативных функций, которые возможны лишь при наличии двух рабочих систем сборных шин. Для проведения аварийно-восстановительных ремонтов шинных разъединителей 220 кВ требовался перевод присоединений на вторую, неповрежденную систему шин.
Отказы в ячейке трансформатора напряжения. За исключением одного случая все отказы трансформаторов напряжения типа НКФ и разрядников связаны с их разрушением. В табл. 4.15 отражены первичные отказы, приведшие к погашению сборных шин. Два отказа трансформаторов напряжения 220 кВ явились причиной разрушения разрядников, а один отказ трансформатора напряжения 500 кВ - повреждения разъединителя. Последние события в табл. 4.15 не учтены для исключения двойного счета отказов. Погашение РУ 220 кВ при отказе в ячейке трансформатора напряжения наблюдалось один раз: осколками разрядника повреждались вторичные цепи выключателя присоединения второго автотрансформатора, подключенного к другой системе шин.  Аварийно-восстановительные ремонты в ячейке трансформатора напряжения 220 кВ не требовали перевода присоединений на другую систему шин. Для восстановления схемы следовало отключить разъединитель в цепи трансформатора напряжения и перевести вторичные цепи на трансформатор напряжения другой системы шин. В ряде случаев при таких авариях персонал с психологических позиций переводил все присоединения на одну систему шин. Из-за отказа трансформатора напряжения 500 кВ и последующего пожара возникала необходимость замены гирлянды изоляторов системы шин (длительность замены 7-8 ч).

Набросы посторонних предметов на ошиновку.

Как следует из табл. 4.15, погашения шин связаны в основном с падением на ошиновку проволоки, принесенной птицами. В двух случаях (падение молниеотвода и проволоки) разрушались опорные колонки шинных разъединителей 220 кВ. Аварийно-восстановительные ремонты их требовали перевода присоединений на другую, неповрежденную систему. Прочие отказы не вынуждали переводить присоединения с одной системы шин на другую. Они были связаны с КЗ на ошиновке, что для последней являлось расчетным режимом при проверке электродинамической стойкости. Два наброса проволоки на шины 220 кВ способствовали феррорезонансу и последующему разрушению трансформаторов напряжения. В п.2.1 табл. 4.15 они не учтены для исключения двойного счета отказов.

Ошибочные включения заземляющих ножей

Ошибочные включения заземляющих ножей шинных разъединителей, находящихся под напряжением. Отказы не требовали перевода присоединений с одной системы шин на другую. Их последствия устранялись быстро путем зачистки поверхностей и в ряде случаев дополнительной регулировкой ножей.

 Ложное действие РЗА

 Ложное действие РЗА (излишнее срабатывание, например), отказы во вторичных цепях. Они не требовали перевода присоединений с одной системы сборных шин на другую. Им соответствовало минимальное время восстановления исходного состояния схемы - 5-40 мин. При 500 кВ рассматриваемый вид отказов превалировал, что, надо полагать, связано с использованием в основных сетях более сложных видов защит и автоматики.
В одном случае погашение системы шин 220 кВ вызвано ошибкой проектирования. Проектом на шинах ошибочно не предусмотрен второй комплект вентильных разрядников, и из-за недостаточной грозоупорности сборных шин были перекрыты две гирлянды изоляторов. С них убрали нагар, и сборные шины были поставлены под напряжение. Единственный раз по неустановленной причине отключались обе системы сборных шин РУ 220 кВ. Длительность восстановления исходного состояния схемы не превысила 30 мин. В табл. 4.16 дана укрупненная доля отказов из табл. 4.15.

Таблица 4.16. Структура отказов систем сборных шин

Итак, из общего числа отказов систем сборных шин 11 отказов (28%) сопровождались погашением РУ 220 кВ. Из них 9 аварий (пп. 1.1, 3.2, 3.3 и 4 табл. 4.15) связаны с использованием на подстанциях схемы с двумя системами шин. В альтернативной схеме с одной секционированной системой сборных шин с обходной отказы шинных разъединителей или ошибочные действия с заземляющими ножами не приводят к погашению всего РУ в связи с отсутствием развилки из шинных разъединителей, т.е. исключена подпитка точки КЗ от обеих шин. Частота погашения всего РУ уменьшилась бы при такой схеме в 4-5 раз. Кроме того, практически все отказы (10 из 12), для ликвидации которых переводились присоединения с одной системы шин на другую, сопряжены с поломками шинных разъединителей, возникающих опять же вследствие применения на подстанциях схемы с двумя системами шин. Здесь разъединители, как указывалось, выполняли дополнительную функцию - оперативных переключений. Следовательно, применение схемы с двумя системами сборных шин с обходной по сравнению с альтернативной схемой с одной секционированной системой сборных шин с обходной снизило надежность электроснабжения потребителей.
Данный факт, впервые отмеченный еще в (107], часто игнорируется эксплуатационным персоналом. Он - заказчик проектов и диктует свои условия проектировщикам. Нередко им делались ссылки на западноевропейскую практику, где схемы с двумя и большим числом систем шин распространены повсеместно (§4.4). Однако нельзя забывать об особенностях эксплуатации таких схем в Западной Европе и России. Для первой характерны более мягкие природно-климатические условия и иное применяемое электротехническое оборудование. В западноевропейских странах свыше 20 лет используют КРУЭ, а в открытых РУ (ОРУ) - пантографические разъединители. В России КРУЭ только начали массово применять, а преимущественный тип разъединителей в ОРУ 110-220 кВ - горизонтально-поворотный двухколонковый. При коммутациях их опорные изоляционные колонки подвергаются воздействию крутящего и изгибающего моментов в горизонтальной плоскости, работа на излом. В пантографическом разъединителе, работающем в вертикальной плоскости, отмеченные механические моменты отсутствуют. Что касается КРУЭ, то их ведущие производители не предусматривают выполнения на шинах каких-либо профилактических работ за весь их срок службы. Но именно с режимных позиций (§ 4.4) большинство (до 70%) КРУЭ напряжением класса 100-200 кВ в данных странах с двумя и более системами шин. Помимо фактора надежности при сравнении схем с одной и с двумя системами шин следовало учесть экономический аспект. По данным Brown Boveri Со., стоимость двухколонкового разъединителя 132—400 кВ - 16-13% цены элегазового выключателя соответствующего класса напряжения.
Таким образом, возникает противоречивая ситуация. Эксплуатационный персонал, заинтересованный в наименьшем времени отключения потребителей, настаивает на более гибкой схеме с двумя системами шин, позволяющей быстро восстанавливать электроснабжение потребителей при нарушении ее функционирования. Однако сама эта схема и является причиной данных отказов.
Из табл. 4.15 оценены показатели надежности систем шин и их элементов. По (76) для одной системы (секции) шин 220 кВ ω=40/(52·15)=0,05 1/год, а одновременно для двух систем ω=11/(5215)=0,014 1/год. Кроме 10 отказов шинных разъединителей 220 кВ (табл. 4.15), на подстанциях было еще шесть отказов линейных и обходных разъединителей (четыре при оперативных переключениях, два в статическом состоянии, все отказы связаны с разрушением опорных колонок). Поэтому для разъединителей 220 кВ ω=( 10+6)/10245=0,0016 1/год. Отказы разъединителей 500 кВ, являющиеся первопричиной аварий на подстанциях, приведены в табл. 4.15. Для них ω=3/6255=0,0005 1/год. Если учесть разрушения разъединителей 500 кВ, вызванные отказами и других элементов (см. описания отказов из табл. 4.15), то ω=6/6255=0,001 1 /год.
Значение ω сборных шин на одно присоединение 220 кВ в схеме с двумя системами шин с обходной получим так: на одно присоединение приходилось четыре разъединителя (два шинных, один линейный и обходной). Разделив на четыре общее число разъединителей-лет (10245, см. выше), получим 2560 присоединений-лет. Откуда ω для одновременно двух систем шин из расчета на одно присоединение ω=11/2560=0,004 1/год. Полученные характеристики надежности отличаются от известных, например [124], и являются более достоверными. В табл. 4.17 приведена структура отказов шин в схеме с двумя системами шин с обходной.

Таблица 4.17. Структура отказов в схеме с двумя системами шин с обходной

Проведенный анализ эксплуатационной надежности схем коммутации со сборными шинами позволил сформулировать выводы:

1. основная причина аварийного отключения систем сборных шин 220 кВ в отказах шинных разъединителей и отказы оборудования в ячейках трансформаторов напряжения, подключенных к шинам; главная причина аварийного погашения систем сборных шин 500 кВ - ложное действие РЗА, отказы во вторичных цепях;
2. отказы разъединителей 220 кВ в схеме с двумя системами шин с обходной вызваны разрушением опорных колонок разъединителей; отказы разъединителей 500 кВ в схемах трансформаторы-шины и схеме 3/2 возникали на фоне природных воздействий или из-за отказов других элементов схем;
3. параметр потока отказов разъединителей 220 кВ заметно выше, чем для разъединителей 500 кВ; более высокая аварийность разъединителей 220 кВ вызвана тем, что первые из них выполняли функции оперативные и создания видимого разрыва, вторые - только последнюю из них;
4. четверть отказов на сборных шинах 220 кВ в схеме с двумя системами шин с обходной приводили к одновременному погашению обеих систем шин;
5. использование на подстанциях схемы с двумя системами сборных шин с обходной по сравнению с альтернативной схемой с одной секционированной системой шин с обходной ухудшило технико-экономические характеристики электроустановок и снизило надежность электроснабжения потребителей;
6. целесообразность наличия в радиальной схеме двух, а не одной рабочей системы сборных шин может быть обоснована только с режимных позиций;
7. условия эксплуатации радиальных схем с несколькими системами шин и используемое электротехническое оборудование в стране и в западноевропейских государствах приводят к различиям в характеристиках надежности этих схем;
8. рекомендована агрегированная модель отказов сборных шин, характеризуемая параметрами потока отказов, приводящих к погашению одной и одновременно двух систем шин; при этом не целесообразно рассматривать разъединители, как самостоятельные элементы схем электрических соединений;
9. необходимо нормативно закрепить положение, что в электроустановках следует предусматривать не более одной рабочей секционированной системы сборных шин, использование двух систем шин должно требовать в проектах специального обоснования.