Схемы выдачи мощности электростанций - Области применения кольцевых и радиальных схем

До недавнего времени НТП электроустановок фиксировали (§ 1.4) области применения радиальных и кольцевых схем коммутации. Первые предлагались для напряжения до 220 кВ, вторые - 330 кВ и выше. Но уже в 80-х годах сети 330 кВ стали утрачивать основные функции и становиться распределительными. Наблюдалась тенденция к выдаче мощности электростанций в сети 220 кВ и выше. Предполагалось рассмотреть целесообразность единообразного построения схем коммутации электростанций. На первом этапе выявлены расчетные условия технико-экономического анализа.
Статистическому анализу подвергнуты схемы присоединения 50 КЭС из шести ОЭС СССР, имеющих подключение всех или части блоков к РУ 220 или 330 кВ. При 220 кВ 80% электростанций имели схему с двумя системами шин с обходной, 20% - схему 3/2. Эти же схемы при 330 кВ имели одинаковую частоту применения. Последнее не связано с параметрами электростанций, а зависело от технической политики формирования схем, принятой (§ 4.5) в период их проектирования. Показатели, характеризующие выдачу мощности КЭС в продолжительном режиме в сети данных классов напряжения, см. в табл. 4.20, откуда, исходя из средних значений, следует:
- коммутируемая на шины 220 кВ генерирующая мощность, выдаваемая в сеть активная мощность РЕЬ1Д и загрузка ВЛ в два раза ниже аналогичных параметров при напряжении 330 кВ;

1. общее число присоединений к РУ, число отходящих ВЛ и их протяженность при 220 и 330 кВ близки;
2. расчетные схемы 220 кВ (рис. 4.7) имели 10 присоединений, в том числе три блока, пять ВЛ и два автотрансформатора связи с РУ других напряжений, а схемы 330 кВ (рис. 4.8) - соответственно 11; 5; 5; 1;
3. транзит мощности через шины электростанций незначителен (у 60 и 70% КЭС при 220 и 330 кВ он отсутствовал) и не превышал 30 и 20% натуральной мощности одной ВЛ 220 и 330 кВ, следовательно, шины электростанций выступали в роли опорных генерирующих узлов.

Техническая приемлемость схем на рис. 4.7 и 4.8. Расчетные схемы должны удовлетворять ряду требований (§ 3.9). Важнейший из них - недопустимость нарушения параллельной работы систем по линиям основной сети при расчетных авариях. Допустимый сброс мощности ∆Рдоп на электростанциях по данному критерию варьируется в широких диапазонах.  Единичная мощность серийного, укрупненного или объединенного блока не должна превышать ∆Рдоп. В энергообъединениях с развитой основной сетью рассматриваемому условию соответствует ∆Рдоп=1000-1500 МВт. Техническая приемлемость схем на рис. 4.7 и 4.8, б очевидна. В схеме на рис. 4.8, а при отказе шиносоединительного выключателя сброс мощности на электростанции ΔР=1680 МВт, т.е. на уровне ΔРдоп.

Таблица 4.20. Параметры схем присоединения

Другое ограничение, накладываемое на схемы коммутации (§ 3.1), связано с обеспечением качества электроэнергии. В возможных эксплуатационных режимах на вторичной стороне подстанций поддерживаются определенные уровни напряжения, в частности, расстановкой источников реактивной мощности в нагрузочных узлах схем присоединения. Альтернативность схем коммутации связана с принципом их построения. Влияние фактора компенсации реактивной мощности оценим по изменению баланса реактивной мощности ВЛ при расчетных авариях (табл. 4.21). Его оценка (табл. 4.21) велась по средним значениям параметров схем (табл. 4.20) применительно к идеальным линиям без перепада - см. (63); Q - баланс реактивной мощности генерируемой (Q<0) или потребляемой (Q>0) линиями. Последствия аварий (табл. 4.21) соответствовали максимальному изменению баланса реактивной мощности. Из табл. 4.21 следует, что переход от радиальной к кольцевой схеме увеличило потребление реактивной мощности ВЛ

при вариации режимов на 12 и 17 Мвар при 220 и 330 кВ, что не превысило 1,5-3% располагаемой реактивной мощности подключенных генераторов.

Рис. 4.7. Альтернативные расчетные схемы РУ 220 кВ

Рис. 4.8. Альтернативные расчетные схемы РУ 330 кВ

Технико-экономические характеристики альтернативных схем. Затраты на них, рассчитанные по (58) без учета фактора надежности, см. в табл. 4.22. За 100% взяты затраты на радиальные схемы при минимальной стоимости воздушных выключателей применительно к условиям европейской части страны. Во внимание приняты капиталовложения на коммутационную аппаратуру, постоянную часть затрат в ОРУ. амортизационные и эксплуатационные издержки. Радиальные схемы на 19-36% дешевле (табл. 4.22) кольцевых, что было известно. Причем относительные стоимостные характеристики из табл. 4.22 не зависели от способа оценки затрат (§ 3.2).

Таблица 4.21. Баланс реактивной мощности в схеме присоединения

В табл. 4.23 приведено математическое ожидание недоотпуска электроэнергии при расчетных авариях в схемах коммутации. На первом этапе использована упрощенная (§3.7) модель отказа выключателя. Характеристики надежности оборудования взяты из § 3.7. Время аварийного простоя блоков из-за отказов элементов схем оценено по сумме времен восстановления и оперативных переключений (3 ч) или, при соответствующих событиях, исходя из времени восстановления элемента. Расчет показателей надежности вариантов схем проведен по (77), (82)-(84). Рассмотрены следующие отказы одного элемента во время планового ремонта другого: отказ одного выключателя во время планового ремонта другого; отказ линии во время планового ремонта выключателя; отказ автотрансформатора связи во время планового ремонта выключателя (для схемы на рис. 4.8, б). Число часов использования установленной мощности электростанции 6500 ч.

Таблица 4.23. К оценке недоотпуска электроэнергии

По ∆W из табл. 4.23 установлено, что сопоставленные схемы равноэкономичны при удельном ущербе за недоотпущенную агрегатами энергию уо=0,08-0,12 руб./(кВт ч). В табл. 4.24 даны затраты на схемы при уо=0,1 руб./(кВт ч); 100% - затраты на радиальные схемы. Из табл. 4.24 следует, что при сравнении кольцевых и радиальных схем влияние фактора надежности при 330 кВ выражено сильнее, но не так, чтобы жестко определить преимущественный принцип их построения. Ориентировочно при уо>0,1 руб./(кВтч) предпочтительна кольцевая схема, при уо>0,1 руб./( кВт-ч) - радиальная.

Таблица 4.24. Затраты на альтернативные схемы с учетам фактора надежности, %

На втором этапе учет экономических последствий ненадежности выполнялся по полной модели (78)—(81) отказа выключателя. Это привело к следующим результатам: ω выключателя в цепях ВЛ снизился по сравнению со значением, полученным по упрощенной модели, в 1,5-1,6 раза; ω выключателя в цепях блока увеличился в 1,05 раза; ω выключателя в цепях автотрансформатора связи уменьшился в шесть раз; все результирующие значения ∆W за исключением недоотпуска вследствие отказов систем сборных шин, стали ниже в 1,4-1,5 раза. Для оценки надежности схем такое изменение ∆W не существенно. Зона равноэкономичности альтернативных вариантов схем сместилась в область значений в 1,4-1,5 раза, больших по сравнению с ранее полученными. Сильнее влиял на зону неопределенности тип выключателей. Параметр ω воздушных выключателей в 2-6 раз выше такового для масляных. Расчеты показали, что при их использовании при напряжении 220 кВ граница перехода от схемы на рис. 4.7, а к схеме на рис. 4.7, б сместилась в область у0 в 2-2,5 раза более высоких. Однако и эти значения удельного ущерба недостаточны для того, чтобы однозначно отдать предпочтение радиальному принципу построения схем 220 кВ электростанций.
Анализу подвергались компоновки РУ. Они влияют на размер электроустановки и затраты, связанные с отчуждением земельных участков.   Имеющиеся конструкции ОРУ [47] позволяют судить, что типовая схема с двумя системами шин с обходной при однорядном расположении выключателей не могла с позиций занимаемой площади иметь преимуществ перед полуторной схемой с трехрядным расположением выключателей и подвесными разъединителями. Так, площадь ОРУ 330 кВ по схеме на рис. 4.8, а 314x137 м2, по схеме рис. 4.8, б - 196x168 м3. Переход в схеме на рис. 4.8, а от двухколонковых к подвесным разъединителям практически не влияло на занимаемую площадь: в каждой ячейке присоединения три разъединителя из четырех расположены под сборными шинами или в габаритах шинных порталов.
Из проведенного сопоставления схем следует, что не имелось ни технических, ни экономических обоснований, согласно которым схемы коммутации 220 и 330 кВ следовало формировать по разным принципам. Граница перехода от схемы с двумя системами шин с обходной к полуторной схеме обнаружилась при упрощенной модели отказа выключателя при уо>0,08-0,12 руб./(кВт-ч). Эти значения ниже максимальных оценок системного ущерба, не связанного с ограничением потребителей [129]. То есть компенсация дефицитов мощности осуществлена, допустим, снижением частоты в энергосистеме. И в то же время они существенно ниже удельного ущерба наименее ответственных потребителей, используемого в задачах выбора резервов генерирующей мощности, пропускной способности межсистемных связей, - 0,6 руб./(кВт ч) [9]. Схемы коммутации 220 и 330 кВ электростанций предусматривают для электроснабжения местного района, город- спутник с промышленной и социально-бытовой инфраструктурой. Эти условия в различных регионах страны не могли существенно различаться. Так, зона действия сети 220 и 330 кВ в схеме присоединения электростанции принята ориентировочно по периметру окружности, описанной радиусом, превышающим среднюю длину ВЛ соответствующего класса напряжения в 1,5 раза. Из средних значений в табл. 4.20 получим, что плотность нагрузки в зоне сооружения электростанции (отношение выдаваемой мощности к площади электроснабжения) составила и для 220, и для 330 кВ 20 кВт/км. Поэтому представляется рациональным и с технических, и с экономических позиций при формировании схем 220 и 330 кВ электростанций отдать предпочтение кольцевому принципу их построения, несмотря на то, что для радиальной схемы принимались менее жесткие расчетные условия.
Распределительные устройства электростанций и подстанции в сети одного класса напряжения выполняют разные функции и при одинаковых схемах имеют отличные друг от друга свойства. Отказы выключателей присоединений блоков приводят к аварийным сбросам генерирующей мощности и снижению общей мощности, работающей на сеть. Данные события вызывают экономические последствия. Возникают ущербы той или иной природы (§ 3.6). Последствия отказов элементов схем подстанций иные. В ремонтных режимах не допускается ограничение потребителей и распределительные сети формируют так, чтобы обеспечить электроснабжение по крайней мере по двум линиям, что почти всегда экономически оправдано. По тем же соображениям на подстанциях установлено не менее двух трансформаторов. Как уже отмечалось, пропускную способность питающих элементов следует выбирать так, чтобы с учетом их перегрузочной способности обеспечить полное электроснабжение потребителей при плановом отключении одного из элементов схемы. Практически это приводит к тому, что, например, ни одно из внезапных погашений одной системы шин в схеме с двумя системами шин с обходной (табл. 4.15) подстанций не сопровождалось ограничением потребителей. На упомянутых подстанциях наблюдались (табл. 4.15) погашения РУ 220 кВ. Большая их часть вызвана тем, что шинные разъединители помимо создания видимого разрыва выполняли дополнительно оперативные функции.
В схеме с одной системой сборных шин нет оперативных функций шинных разъединителей. Поэтому для подстанций распределительной сети схема с одной секционированной системой шин с обходной является для сети более низкого класса напряжения идеальным дублированным источником питания. В таких условиях при сопоставлении отмеченной схемы со схемой, выполненной по кольцевому принципу, можно в структуре затрат не учитывать фактор надежности. И доказать здесь, принимая во внимание другие стоимостные факторы (стоимость оборудования, отчуждаемых земельных участков), предпочтительность кольцевых схем затруднительно. Исключение - схемы многоугольников или другие кольцевые схемы [130], где требуемое количество ячеек выключателей не более, чем в альтернативной радиальной.
Для схем коммутации электростанций фактор надежности не может исключаться из целевой функции из-за относительно высокого времени восстановления технологического процесса и экономических последствий, возникающих вследствие сбросов генерирующей мощности. В качестве альтернативы полуторной рассмотрим схему не с двумя, а с одной секционированной системой шин. Такое сопоставление допустимо провести при одном условии: на каждую секцию коммутируется не более одного блока. В противном случае вывод ее плановый ремонт сопряжен с отключением от сети генерирующих источников, что технически и экономически нецелесообразно. При прочих равных условиях схема с одной секционированной системой шин с обходной в сравнении с полуторной схемой требовала, если не принимать во внимание фактор надежности, меньших затрат. Аналогичная ситуация возникала при исследовании схем на рис. 4.7 и 4.8. Схема с одной секционированной системой шин дешевле схемы с двумя системами шин. Но разность в стоимостях невелика. По данным анализа, проведенного западноевропейскими фирмами для традиционных ОРУ 170 кВ, она оказалось равной 20% [131], где за 100% взяты затраты на схему с двумя системами шин. При сравнении схем в [131] принято, что на конечной стадии развития ОРУ имело восемь присоединений. В затратах учтена стоимость оборудования и отчуждаемой земли. В расчетной схеме с одной системой шин секционирующие функции выполнял не выключатель, а разъединитель. В схеме с двумя системами шин предусмотрены отдельные шиносоединительный и обходной выключатели. То есть в первой схеме на один выключатель меньше. Стоимость двухколонкового разъединителя 13-16% цены элегазового колонкового выключателя наружной установки . Поэтому разность затрат на РУ, выполненных по схеме с двумя и с одной системами шин, при равном количестве ячеек выключателей находится в пределах 10-20%. Такая вариация изменения стоимостей не принципиальна в зоне неопределенности, полученной при сравнении схем на рис. 4.7 и 4.8. То же, очевидно, окажется справедливым с позиций сопоставления надежности рассматриваемых радиальных схем.
Наконец, недоотпуск электроэнергии из-за отказов систем сборных шин в табл. 4.23 не превысил 15-20% результирующего. Таким образом, аргументация о предпочтительности кольцевого принципа построения схем коммутации электростанций справедлива, если в качестве альтернативы рассматривать не только схему с двумя, но и с одной секционированной системой шин с обходной.

На основании вышеизложенного сформулируем:

1. отсутствуют технические и экономические предпосылки для построения схем коммутации 220-330 кВ ТЭС по различным (кольцевой и радиальный) принципам;
2. НТП ТЭС неоправданно ограничили область применения кольцевых схем коммутации напряжением, как правило, 330 кВ и выше;
3. при формировании схем коммутации напряжением до 220-330 кВ ТЭС рекомендуется отдать предпочтение кольцевому принципу их построения;
4. для АЭС требования к надежности выдачи мощности более жесткие, чем для ТЭС, поэтому предыдущие выводы справедливы и для данного типа электростанций;
5. распределительные устройства электростанций и подстанций в сети одного и того же класса напряжения выполняют различные функции и, следовательно, при одинаковых схемах имеют отличные друг от друга свойства;
6. схемы коммутации электростанций и подстанций могут формироваться с использованием различных принципов и это не противоречит мировой практике;
7. применительно к подстанциям распределительных сетей схема с одной секционированной двумя последовательно включенными выключателями системой шин с обходной при наличии дублированных элементов схем - идеальный источник питания сети более низкого напряжения, для ТЭС и АЭС указанная схема, как правило, не является рациональным решением.