При обосновании и выборе схемы коммутации во внимание принимается наиболее простой вариант, отвечающий поставленным ограничениям и требующий минимальных затрат и отчуждаемых площадей. Схема усложняется при наличии технико-экономических обоснований. Отход от данного принципа принятия решений может приводить к нерациональному расходованию ресурсов, ухудшению эксплуатационных характеристик электроустановок. Последнее положение, в частности, иллюстрировано в § 4.5. Более общий подход к оценке качества схем позволил иначе судить о традиционно принимаемых решениях. Так, в отечественной практике обычно чередуют разнородные присоединения, например блоков и линий, в одной из наиболее распространенных схеме 3/2. Идут на то без надлежащего обоснования.
Схема 3/2 может иметь и не иметь чередования разнородных присоединений - см. рис. 4.9 с идеализированными расчетными вариантами полуторной схемы. Их исходные данные приближены к таковым для схемы на рис. 4.8, б, что дает возможность провести сопоставление схем в конкретных условиях. Первый вариант (рис. 4.9, а) - так называемая несимметричная схема, второй (рис. 4.9, б) - симметричная. Из рис. 4.8 и 4.9 видно, что ни в той, ни в другой схеме не исключена одновременная потеря двух блоков или линий при отказе одного выключателя во время планового простоя другого. Так, при плановом ремонте выключателя 6 (рис. 4.9, а) и отказе в обе стороны выключателя 13 от сети отключатся два генератора G1 и G3. Аналогичное событие может произойти в схеме на рис. 4.9, б. Таким образом, с позиций сохранения устойчивости параллельной работы энергосистем варианты полуторной схемы идентичны.
Рис. 4.9. Альтернативные варианты полуторной схемы: а - несимметричная схема; б - симметричная схема
Потенциальное число рассматриваемых событий в несимметричной схеме меньше, чем в симметричной (табл. 4.26). При вариации числа т полуторных цепочек теоретически в несимметричной схеме количество событий одновременного отключения от сети двух однородных элементов в m(m-l)/(m(m/2-l))=2(m-l)/(m- 2)=2 раза меньше, чем в симметричной (табл. 4.26). Но конструкция последней проще. Она требовала меньшей отчуждаемой площади, с чем нельзя не считаться. На рис. 4.10 дано заполнение РУ схемы на рис. 4.9 при трехрядном расположении выключателей.
На рис. 4.10, б предусмотрена ячейка для трансформаторов напряжения (TV). В схеме на рис. 4.10, о проблем с их размещением нет. Результаты технико-экономического анализа альтернативных схем коммутации приведены далее.
Рис. 4.10. Схема заполнения РУ; а - несимметричная схема (рис. 4.9, а);
б - симметричная схема (рис. 4.9, б)
Таблица 4.26. Исходы расчетных аварий в симметричной и несимметричной схемах
* При четном т. ** На время оперативных переключений и восстановления технологического процесса.
По нормальному и ремонтным режимам схемы на рис. 4.9 идентичны. То же относится к послеаварийным режимам при единичных отказах выключателей. Отличия схем с позиций надежности обнаруживаются при отказах одного выключателя во время плановых ремонтов другого. В конкретной ситуации достаточно строгое сопоставление надежности вариантов схемы выполняется по положениям § 3.6, 3.7 и 4.6. Тем не менее, представлялось полезным привести порядок значений, характеризующих экономические последствия ненадежности, на примере расчетных схем на рис. 4.9 с учетом характеристик схем присоединения реальных электростанций (табл. 4.20). При т=5 в симметричной схеме (рис. 4.9, б) количество событий, связанных с одновременным простоем двух блоков из-за отказа одного выключателя во время планового ремонта другого, равно 20 (табл. 4.26), в несимметричной схеме - 8. Таким образом, здесь изначально присутствовала избыточность пропускной способности линий выдачи мощности.
Под воздействием конкретной специфики обоснование полуторной схемы может вестись как при наличии, так и отсутствии ограничений. В качестве последних, как отмечалось, выступают: допустимый сброс мощности на электростанции с позиций сохранения устойчивости параллельной работы энергосистем объединения; экологические требования, включая защиту персонала от влияния электрического поля; особенности отчуждаемой площадки, например, стесненность. Действительно, выбор схемы при наличии ограничений может не иметь альтернатив. При отсутствии ограничений во внимание принимается наиболее наглядный, компактный и наименее материалоемкий вариант симметричной полуторной схемы с трехрядным продольным (перпендикулярно сборным шинам) расположением выключателей. Переход к несимметричной схеме преследовал своей целью лишь повышение надежности выдачи мощности.
Уровень надежности обосновывается сопоставлением материальных затрат на его повышение с экономическими последствиями из-за ненадежности. Последние различались для симметричной и несимметричной схем при расчетных авариях с позиций учета отказов одного элемента схемы во время планового ремонта другого. Целесообразно провести сравнения с известными решениями. Применительно к расчетным схемам на рис. 4.9, вероятность аварийного простоя двух отдельно взятых блоков при отказе одного выключателя во время планового ремонта другого (см. выше) 3,59Ί0”7. Вероятность аварийного простоя двух отдельно взятых ВЛ при аналогичной аварии не выше приведенного значения (несмотря на более высокую аварийность выключателей в цепях ВЛ), так как длительность восстановления схемы определится временем оперативных переключений, в то время как для блоков дополнительно учтена продолжительность восстановления технологического процесса. Для сравнения, по соответствующим выражениям вероятность аварийного простоя одного автотрансформатора 330 кВ во время планового ремонта другого равна 5х10-6. Таким образом, вероятность аварийного простоя двух автотрансформаторов в 5-106/(3,59х107)=14 раз больше вероятности аварийного простоя двух ВЛ, вызванного ненадежностью схемы РУ, питающего подстанцию. К тому же экономические последствия отключения двух трансформаторов более тяжелые, так как сопряжены с ограничением электроснабжения конкретных потребителей. Сравнение частное, однако характеризовало порядок соотношений. Из этого также следовало, что при обосновании схем коммутации принимаются во внимание все расчетные аварии с точки зрения сохранения устойчивости параллельной работы энергосистем объединения и учета экономических последствий из-за ненадежности. Однако далеко не все расчетные аварии приводят к необходимости усложнения электроустановки. Далее рассмотрены факторы, влияющие на выбор предпочтительной схемы с более общих позиций.
При сопоставлении симметричной и несимметричной полуторных схем необходимо принимать во внимание затраты, связанные с отчуждением земельных участков при усложнении схемы и экономические последствия из-за ненадежности. Также следовало учитывать известный факт [60], что при переходе от трехрядной компоновки ОРУ, выполненного по симметричной полуторной схеме с продольным расположением выключателей, к несимметричной или какой-либо другой (однорядной, двухрядной, шахматной) не только в 1,5-2,5 раза возрастает занимаемая им площадь, но и в 1,5-2,8 раза - расход металлоконструкций и прочих материалов.
Приобретение земельных участков приобрело в стране экономическую основу. В промышленно развитых странах учет стоимости земли - неотъемлемая часть обоснования и выбора схем. Наблюдается устойчивый рост цен на землю. Закономерно, что в этих государствах, особенно Западной Европе и Японии, техникоэкономические проблемы с землеотводом - главная предпосылка к поиску решений, позволяющих сокращать, а не увеличивать площади, занимаемые электроустановкой. В зависимости от конкретных условий влияние рассматриваемого фактора не столь заметное при выборе площадки сооружения в местности, не представляющей большой ценности. Такое положение влияет на выбор предпочтительного решения. В Японии, например, при относительно небольшой цене земли считались приемлемыми традиционные ОРУ, при более высокой - гибридные КРУЭ, наконец, при еще более высокой стоимости - исключительно КРУЭ [133]. В последние годы в России заметна ориентация на модернизацию существующих и сооружение новых электростанций сравнительно небольшой мощности, в частности, парогазовых и газотурбинных установок. Они максимально приближены к местам потребления энергии, обеспечивая самобаланс отдельных энергоузлов. Приближение электростанций к местам потребления энергии обострит проблему землеотвода для промышленного строительства и заставит искать технические решения, позволяющие сокращать, а не увеличивать отчуждаемые под них площади. Далее проведем анализ факторов, влияющих на экономические последствия из-за ненадежности схем.
При анализе фактора надежности основной интерес представляют характеристики ущерба и параметры надежности оборудования. Выше при сопоставлении схем принимались наиболее тяжелые расчетные условия - сброс мощности на электростанции вследствие ненадежности схемы компенсирован отключением потребителей. Поэтому в расчетах использованы значения удельного ущерба, характерные в то время для задач планирования резервов генерирующей мощности и пропускной способности межсистемных связей. В действительности при оценке, применительно к условиям эксплуатации, надежности схемы электростанции, работающей на общую сеть, необходимо учитывать, что при возникновении дефицита мощности в энергосистеме из-за отказов элементов схем небаланс мощности компенсируется в первую очередь не отключением потребителей, а относительно кратковременным снижением частоты в системе (в соответствии со статическими характеристиками регулирования скорости турбин и регулирующего эффекта нагрузки по частоте). При прочих равных условиях последнее мероприятие сопряжено с ущербом 10 и более раз меньше первого. Вследствие чего для расчетных схем коммутации основной сети влияние фактора надежности еще менее значимо.
При принятии решений важны параметры надежности оборудования. Для схем на рис. 4.9 принимались характеристики традиционного оборудования. Иные соотношения для элегазового. В табл. 4.27 приведен расчет математического ожидания недоотпуска электроэнергии, имевшего бы место при отключении двух ВЛ в полуторной схеме при отказе одного выключателя присоединения КРУЭ во время планового ремонта другого. Считалось, что в предшествующем режиме нагрузка ВЛ на уровне натуральной мощности линии соответствующего класса напряжения. При отключении по указанной причине двух линий, возникающий дефицит мощности компенсирован отключением потребителей. Относительная продолжительность S| ремонтного состояния ячейки выключателя КРУЭ принята по табл. 3.12, а параметр ω=0,02 1/год. Он максимальный, по сведениям зарубежных фирм ω=0,006-0,01 1/год на ячейку КРУЭ с выключателем. Значения ω согласовались с распространенным утверждением, что при прочих равных условиях аварийность КРУЭ в 10 раз ниже по сравнению с традиционными РУ. При расчете по (77) вероятности аварийного простоя ячейки КРУЭ считалось, что на локализацию аварии (вывод в ремонт отказавшей ячейки) требовалось 3 ч.
Таблица 4.27. К расчету недоотпуска электроэнергии при использовании КРУЭ
Из табл. 4.27 видно, что при рассматриваемых наиболее тяжелых расчетных авариях недоотпуском можно пренебречь даже в том случае, если погрешность расчетов на уровне 1000% и более. Приведенное свидетельствует о том, что для КРУЭ с полуторной схемой проблемы с выбором ее симметричной или несимметричной топологии не должно стоять. Их компоновку нужно формировать с учетом единственной цели - минимизации расходов на элегазовые выводы присоединений. Не удивительно, что в зарубежной практике принимались варианты КРУЭ, например для крупнейшей в мире ГЭС Itaipy (18 агрегатов общей мощностью 12600 МВт) [134], где однородные присоединения не разнесены даже по полуторным цепочкам (два блока или две линии скоммутированы к одной полуторной цепочке), не говоря уже о каком-то их чередовании. Конечно, если есть такая возможность, не требующая дополнительных затрат, то присоединения чередовать полезно.
Приведенные доводы позволяют сформулировать следующие выводы;
- учет затрат на приобретение земельного участка под электроустановку - обязательный этап при обосновании схем коммутации;
- чередование присоединений блоков и линий в полуторной схеме, что широко используется в отечественной практике, далеко не всегда эффективное решение и его следует применять при наличии технико-экономических обоснований. Здесь необходимо учитывать затраты, связанные с конструкцией РУ, стоимость отчуждаемых земельных участков, технико-экономические характеристики коммутационного оборудования и экономические последствия из-за ненадежности схем.
Подытожим результаты данной главы;
- наиболее полная методология формирования схем коммутации предусматривает их обоснование и выбор в совокупности с состоянием и перспективами развития электрических сетей, включая выявление причинно-следственных связей, проявляющихся в виде устойчивых, например, не зависящих от внешних условий и характеристик надежности оборудования, закономерностей;
- объективно, независимо от внешних условий и многообразия типовой сетки схем просматриваются универсальные схемы коммутации, используемые в подавляющем числе случаев. Для крупных коммутационных узлов это: две системы сборных шин с обходной (РУ 110-220 кВ электростанций и узловых подстанций), полуторная (РУ 330 кВ и выше электростанций), трансформаторы- шины (РУ 330 кВ и выше подстанций);
- эволюция электрических сетей оказала глобальное воздействие на предпочтительную структуру схем коммутации. Одним из подтверждением этого явился обнаруженный факт, когда более чем за полувековой период развития сетей одна из самых распространенных в стране схем — схема с двумя системами шин с обходной - утратила практически все изначально заложенные в нее свойства и наличие двух, а не одной, рабочих систем шин нередко оказывается не только атавизмом, но и избыточным усовершенствованием, снижающим надежность и экономичность электроустановок;
- для распределительных сетей и применительно к подстанциям схема с одной секционированной системой шин с обходной является для сети более низкого класса напряжения идеальным дублированным источником питания. Потребность в двух системах сборных шин может быть вызвана только режимными ограничениями. При использовании на подстанциях радиальных схем не следует нормировать допустимое число присоединений на систему (секцию) сборных шин;
- регламентация областей применения радиальных и кольцевых схем коммутации уровнями номинальных напряжений распределительных и основных сетей не является необходимым и достаточным признаком формирования предпочтительной типовой сетки схем. В общем случае, если в энергосистеме обеспечена самосбалансированность узлов по генерирующей мощности, то для сетей, выполняющих функции реализации межсистемного эффекта, допустимо применение менее надежных радиальных схем электроустановок. Для выдачи мощности электростанций кольцевые схемы целесообразно распространить на всю гамму повышенных напряжений;
- при обосновании и выборе схем коммутации следует руководствоваться следующими принципами: за основу берется наиболее простое, дешевое, типовое, техническое решение, удовлетворяющее заданным ограничениям; усложнение схемы допускается лишь при наличии технико-экономических обоснований; чем более усложнена схема дополнительным коммутационным оборудованием, тем большее количество аварий следует ожидать в электроустановке.
- представляется необходимым периодически, раз в 10-20 лет, типовую сетку схем коммутации подвергать полной ревизии в контексте с предысторией и происходящим изменениями в структуре и параметрах сетей.
