Электрические сети энергоемких предприятий - Выбор напряжения

1-6. ВЫБОР НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАЮЩИХ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ЭНЕРГОЕМКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Принятые в СССР номинальные напряжения трехфазного тока электрических сетей, генераторов, трансформаторов и приемников электрической энергии приведены в табл. 1-2.
Таблица 1-2
Номинальные напряжения трехфазного тока, принятые в СССР (кВ)

Выбор напряжения производится одновременно с выбором схемы электроснабжения с учетом напряжений принятого электрооборудования, в частности электродвигателей. Намечаются целесообразные варианты схем электроснабжения при разных сочетаниях напряжений отдельных звеньев, и вопрос выбора напряжения решается комплексно путем технико-экономических сравнений вариантов. Эти сравнения необходимы при проектировании крупных предприятий с большой потребляемой мощностью, когда требуется сооружение новых или значительное расширение существующих районных подстанций, электростанций и сетей; в этих случаях вопрос о выборе напряжения решается совместно или по согласованию с энергетической системой.
Сравнение вариантов производится также, когда представляется возможным получать от источника питания энергию на двух или более напряжениях или же при проектировании связей заводских электростанций с районными сетями.
При выборе напряжения необходимо стремиться к минимуму ступеней промежуточной трансформации электроэнергии. Существенное влияние на выбор напряжения внутризаводских распределительных сетей оказывает напряжение питающих сетей или линий. Для питания крупных энергоемких предприятий теперь уже начинают применяться напряжения 330 и 500 кВ, а в дальнейшем возможно применение и напряжения 750 кВ при наличии близко расположенных районных сетей этого напряжения. Эти напряжения в глубь предприятия не вводятся и трансформируются на напряжение 110 иногда 220 кВ. Если же питающие линии имеют напряжение 35—220 кВ, то они вводятся непосредственно на предприятие без промежуточной трансформации в виде глубоких магистральных вводов или через УРП (см. § 1-4).
При напряжении питания до 10—20 кВ это напряжение целесообразно принимать я для распределительных внутризаводских сетей в следующих случаях:
при близости источника питания;
при наличии собственной ТЭЦ, от которой питается часть нагрузок крупного предприятия на генераторном напряжении 6—10 кВ.
Для внутризаводских сетей крупных энергоемких предприятий можно дать следующие общие рекомендации по выбору напряжения.
На первой ступени следует применять 110 (220) кВ с глубокими вводами или 10 (6) кВ с мощными токопроводами. Иногда применяется целесообразное сочетание этих двух систем при технико-экономическом обосновании его. Напряжение 220 кВ применяется реже, чем 110 кВ, так как линии 220 кВ требуют больше места и их труднее разместить на обычно стесненной площадке. На первой ступени это напряжение может оказаться целесообразным в тех случаях, когда оно подается непосредственно от энергосистемы. В тех же случаях, когда питающие линии имеют напряжение 330 кВ и более и у границы предприятия неизбежна трансформация, для первой ступени распределения энергии на предприятии следует применять 110 кВ, так как это напряжение обычно является достаточным для питания относительно не очень крупных электронагрузок разукрупненных подстанций при относительно коротких линиях глубоких вводов.
На второй ступени, как правило, применяется напряжение 10 или 6 кВ. Выбор между этими двумя напряжениями зависит от многих факторов. Основным фактором являются число и мощность электродвигателей средней мощности, которые пока еще не изготовляются на напряжение 10 кВ или изготовляются не во всех нужных исполнениях, и следовательно, приходится применять двигатели на напряжение 6 кВ (табл. 1-3).
Таблица 1-3
Напряжения и мощности изготовляемых электродвигателей

Примечание. +— изготовляются,-- не изготовляются.
Ограниченный пока диапазон электродвигателей, изготовляемых на напряжение 10 кВ, препятствует внедрению их в сетях промышленных предприятий. Многолетняя практика проектирования показала, что напряжение 10 кВ, несмотря на его принципиальные преимущества, в ряде случаев получается неэкономичным по сравнению с напряжением 6 кВ на тех предприятиях, на которых имеется большое количество электродвигателей мощностью в пределах от 200 до 1 000 кВт. При наличии на предприятии ТЭЦ при выборе напряжения сетей второй ступени приходится в какой-то мере учитывать напряжение генераторов или оказывать влияние на выбор этого напряжения при проектировании ТЭЦ. Если напряжение 6 кВ для электродвигателей предопределено упомянутыми выше условиями или же поставкой их совместно с производственным оборудованием и механизмами, то вопрос о выборе основного напряжения всей распределительной сети (10 или 6 кВ) решается технико-экономическим сравнением трех вариантов.

1. Распределение энергии производится при напряжении 6 кВ.
2. В качестве основного напряжения распределительной сети принимается напряжение 10 кВ, а для питания электродвигателей предусматриваются локальные подстанции с понижающими трансформаторами 10/6 кВ или же при малом числе двигателей 6 кВ применяется схема блока «линия 10 кВ — трансформатор 10/6 кВ — электродвигатель 6 кВ».
3. Применяются трансформаторы с расщепленными обмотками 10 и 6 кВ. Этот вариант в принципе экономичен, но он подходит в тех случаях, когда удается относительно равномерно распределить нагрузку между ветвями 10 и 6 кВ расщепленного трансформатора.

Выбор одного из указанных вариантов производится на основании технико-экономических расчетов. Если варианты получаются равноценными, то нужно, как правило, применять напряжение 10 кВ как более перспективное, даже если этот вариант немного дороже. Приведенные рассуждения о применении напряжений 6 и 10 кВ справедливы при напряжении вторичных цеховых сетей 380 в. При напряжении 660 в положение меняется, так как соотношения между мощностями двигателей 10 кВ и 660 в другие, чем между 10 кВ и 380 в (табл. 1-3), более благоприятные для напряжения 10 кВ. Нижний предел мощности двигателей на напряжение 10 кВ составляет 800—1 000 кВт, а верхний предел мощности двигателей на напряжение 660 в 600—700 кВт, т. е. мощности электродвигателей на напряжения 10 кВ и 660 в смыкаются. Это позволяет во многих случаях отказаться от напряжения 6 кВ и шире применять более экономичные напряжения 10 кВ и 660 в. Это обстоятельство особенно нужно иметь в виду при (проектировании электроснабжения предприятий,, на которых устанавливается большое количество электродвигателей средней мощности, например химических и нефтеперерабатывающих заводов.
Необходимо отметить, что при выборе между напряжениями 10 и 6 кВ сетевые факторы (потери, расход кабелей) теперь не играют такой существенной роли, как раньше, потому что дробление (Подстанций 110—220 кВ, приближение их к нагрузкам и применение токопроводов резко снизили протяженность .кабельных сетей 6—10 кВ.
Напряжение 3 кВ в распределительных сетях на новых предприятиях не применяется; при реконструкции и расширении предприятий существующие распределительные сети 3 кВ, как правило, целесообразно переводить на более высокое напряжение. При распределении энергии на напряжении 10 кВ напряжение 3 кВ иногда применялось для питания электродвигателей мощностью от 100 до 200—350 кВт (при значительном их числе) с (промежуточной трансформацией 10/3 кВ. Напряжение 3 кВ в этом случае являлось не сетевым, а вспомогательным промежуточным напряжением для подвода питания к отдельным электродвигателям или группе их. Но даже и эта ограниченная область применения напряжения 3 кВ постепенно сужается, так как более рационально сочетание напряжений 10/6 кВ с применением трансформаторов с расщепленными обмотками 10 и 6 кВ или же схемы блока «трансформатор 10/6 кВ— двигатель» при наличии двигателей средней мощности, не рассчитанных на напряжение 10 кВ. По мере внедрения напряжения 0,66 кВ и расширения диапазона мощностей двигателей, изготовляемых на напряжение 6 кВ, область применения напряжения 3 кВ еще более уменьшается, и в дальнейшем его совсем можно будет изъять из стандарта, сохранив только для действующих электроустановок до их реконструкции. В новом стандарте напряжение 3 кВ заключено в скобки, как нерекомендуемое. Напряжение 20 кВ не имеет значительных перспектив на крупных энергоемких промышленных предприятиях, так как оно является недостаточным в качестве единого напряжения для всего предприятия и на первых ступенях электроснабжения неизбежно придется применять более высокие напряжения. Следовательно, появятся две ступени трансформации: 110—220/20 кВ для распределительной сети и 20/6— 10 кВ для электродвигателей. Так как сетевые факторы на вторичном напряжении при дроблении подстанций 110—220 кВ ,не имеют существенного значения, то система двух трансформаций: 110—220/20 и 20/6—10 кВ является неконкурентоспособной с существующей апробированной системой 110— 220/6—10 кВ при глубоких вводах. Для связи между заводской станцией и ГПП придется применять промежуточную трансформацию 6—10/20 кВ. а для питания электродвигателей крупной и средней мощности нужна будет вторая промежуточная трансформация с напряжения 20 кВ на 6 кВ, что явно нерационально. Применение намечающихся к изготовлению мощных генераторов ТЭЦ на напряжение 20 кВ принципиально не изменит положение, так как собственные ТЭЦ, за редкими исключениями, покрывают очень незначительную часть потребности в электроэнергии. К тому же применение таких мощных генераторов целесообразно только на очень крупных заводских ТЭЦ. Очень существенным препятствием к внедрению напряжения 20 кВ в настоящее время является также необеспеченность его электрооборудованием в нужных количестве и ассортименте.
Напряжение 35 кВ на крупных предприятиях также имеет очень ограниченное применение, так как оно неэкономично при передаче большой мощности в питающих сетях и распределительных сетях первой ступени на этих предприятиях. Основная область применения этого напряжения — предприятия средней мощности: металло- и деревообрабатывающие и др. в тех случаях, когда питание от энергосистемы осуществляется на этом напряжении. На крупных предприятиях напряжение 35 кВ иногда применяется для питания крупных электроприемников (сталеплавильные печи, ртутно-выпрямительные установки) или же при наличии удаленных нагрузок и других условий, требующих повышенного напряжения питания. Теперь и эти области постепенно отпадают, так как намечается выпуск электропечных и ртутно-выпрямительных трансформаторов на напряжение 110—154 кВ. В то же время минимальная мощность трансформаторов на напряжение 110 кВ снизилась до 2 500 кВА, что позволяет питать небольшие удаленные нагрузки крупных предприятий на этом более экономичном напряжении с простейшей защитой этих небольших трансформаторов стреляющими предохранителями.
Технико-экономическое сравнение напряжений 35 и 110 кВ на первой ступени электроснабжения крупных предприятий в большинстве случаев подтверждает преимущество 110 кВ, так как при нем отпадает одна ступень трансформации электроэнергии (35/6—10 кВ) на предприятии и не требуется дополнительная мощность трансформаторов 110/35 кВ на источниках питания. Удорожание же подстанций 110 кВ по сравнению с подстанциями 35 кВ при современных простых схемах коммутации и конструктивных исполнениях незначительно (в общем комплексе затрат).
Технико-экономические исследования показали целесообразность восстановления напряжения 66—69 кВ, применявшегося ранее в сетях некоторых районных энергоуправлений, так как в нашей шкале получается очень большой разрыв между напряжениями 35 и 110 кВ. Такое напряжение довольно широко применяется за рубежом, и применение его может оказаться целесообразным на больших энергоемких предприятиях черной и цветной металлургии с крупными сосредоточенными нагрузками, расположенными на расстоянии 2—5 км одна от другой и питаемых по простейшим схемам без выключателей и сборных шин. Напряжение 35 кВ в этих случаях недостаточно и вызывает большие потери напряжения и энергии и значительный перерасход проводникового материала; напряжение же 110 кВ удорожает всю систему и может привести к недоиспользованию пропускной способности линий, аппаратов и трансформаторов, если, в частности, сечение проводов при напряжении 110 кВ определяется потерями на корону. Экономия капитальных затрат при сравнении 66 кВ с напряжением 35 кВ составляет примерно 10—15%.
Весьма существенными преимуществами напряжения 66—69 кВ по сравнению со 110 кВ являются:
меньшие габариты воздушных линий;
возможность применения кабелей с вязкой пропиткой, а не маслонаполненных.
В цеховых сетях до 1 000 в основным пока является напряжение 380/220 в при совместном питании силовых и осветительных нагрузок. Введенное в стандарт напряжение 660 в до сего времени еще недостаточно освоено ни электропромышленностью, ни потребителями. Внедрение напряжения 660 в задерживается из-за отсутствия полного ассортимента электрооборудования на это напряжение. Факторами, стимулирующими применение напряжения 660 в вместо 380 в, являются:
уменьшение капитальных затрат и ежегодных расходов в сети и электродвигателях за счет уменьшения сечения, рационального укрупнения подстанций и трансформаторов, снижения потерь электроэнергии, уменьшения стоимости и повышения к. п. д. электродвигателей 660 в по сравнению с электродвигателями 3 и 6 кВ;
резкое увеличение удельной плотности нагрузки и удельных расходов энергии, а также концентрация мощностей электроприемников на крупных предприятиях, требующая применения трансформаторов 1 600 кВА, при которых токи короткого замыкания при вторичном напряжения 380 в возрастают до величин, недопустимых для аппаратов.

Противоположными факторами являются: повышенная стоимость электродвигателей (а также защитных и пускорегулирующих аппаратов) 660 в по сравнению с электродвигателями 380 в;
необходимость сохранения напряжения 380/220 в для мелких электродвигателей, освещения, аппаратов и приборов управления и измерения; это вызывает увеличение капитальных затрат и усложняет эксплуатацию.
Наиболее экономично применение напряжения 660 в в сочетании с первичным напряжением 10 кВ (вариант 1). При этом мощность трансформаторов при 660 в будет примерно равна суммарной мощности трансформаторов при 0,4 кВ, которая складывается из мощностей основных трансформаторов 10/0,4 кВ и дополнительных трансформаторов 10/6 или 10/3 кВ, необходимых для питания двигателей, которые не изготовляются на напряжение 0,4 кВ. Следовательно, вся экономия, получаемая за счет удешевления двигателей 660 кВ и увеличения их к. п. д., а также уменьшения потерь в сети 660 в по сравнению с сетью 380 в, полностью реализуется. При первичном же напряжении 6 кВ (вариант 2) значительная часть крупных двигателей может быть включена непосредственно на это напряжение, и поэтому суммарная мощность трансформаторов будет меньше. Если же все двигатели принять на напряжение 660 в, то потребуется дополнительная трансформация, расходы на которую снижают экономию от применения напряжения 660 в, получаемую за счет упомянутых выше факторов, и поэтому эффект от внедрения напряжения 660 в при первичном напряжении 6 кВ получится меньшим.
Подсчеты показали, что при варианте 1 потери энергии получаются больше (на 5—6%), чем при вторичном напряжении 380 в в сочетании с первичным напряжением 6 кВ. Это является следствием худшего к. п. д. электродвигателей 10 кВ, примененных в варианте 1, по сравнению с к. п. д. электродвигателей 6 кВ (при варианте 2), а также того, что при варианте 6 кВ часть электродвигателей принята на это напряжение и суммарная мощность трансформаторов уменьшается. Применение напряжения 660 в целесообразно в тех случаях, когда по условиям технологии и окружающей среды нельзя в достаточной степени осуществить дробление цеховых подстанций и приближение их к нагрузкам, когда, следовательно, получаются протяженные и разветвленные кабельные сети напряжением до 1 000 в большого сечения. Напряжение 660 в целесообразно также на предприятиях с очень большой удельной плотностью электрических нагрузок.
Ориентировочные расчеты по каменноугольной, нефтеперерабатывающей и азотной отраслям промышленности показали выгодность и целесообразность применения напряжения 660 в. На предприятиях металлургической, железорудной, машиностроительной, цементной отраслей промышленности применение напряжения 660 в пока еще не дает должного экономического эффекта. При применении напряжения 660 в возникает вопрос о наиболее целесообразном режиме нейтрали сети: изолированной или заземленной. Ниже приведено сопоставление этих режимов (табл. 1-4). Из приведенного сравнения видно, что изолированная нейтраль в сетях 660 в предпочтительнее заземленной в отношении техники безопасности и удобств эксплуатации, особенно в помещениях особо сырых. Такой режим нейтрали проверен опытом эксплуатации сетей 500 в. Преимущества заземления нейтрали в сетях 660 в в отношении самоликвидации замыкания на землю и отсутствия необходимости в автоматическом контроле изоляции сказываются меньше, чем при напряжении 380 в, так как сети 660 в менее разветвлены, а подстанции более крупны, и поэтому потребуется меньшее число точек контроля изоляции.
Следовательно, нужно сохранить рекомендации ПУЭ о режиме нейтрали (см. § 1-7-21), согласно которым в электроустановках трехфазного тока при номинальных напряжении 500 и 660 в нейтраль должна быть изолирована.