Подстанция является наиболее сложным элементом электрической сети, ее типизация связана с определенными трудностями. Сущность их заключается в необходимости разрешения противоречий между многообразием условий, которым должна отвечать подстанция, и единичностью конструкции. Конструктивное выполнение подстанции определяется ее главной схемой, которая в свою очередь зависит от числа присоединений — трансформаторов и линий — на каждом напряжении. Таким образом, задача типизации подстанции сводится в первую очередь к типизации главной схемы электрических соединений.
Как указано выше, в большинстве стран Европы построение сетей 220(275)—400 кВ характеризуется многоконтурной конфигурацией в сочетании в широким применением двухцепных ВЛ. Это приводит к тому, что к большинству подстанций присоединяется от четырех до восьми линий. Аналогичное положение наблюдается в сетях 230 и 345 кВ США, где многоконтурные конфигурации сложились из-за достаточно длительного периода развития сетей этих классов до введения более высоких напряжений (500 и 765 кВ). Так, например, в сети 345 кВ Американской газовой компании к подстанциям присоединяется шесть ВЛ. Для сети 230 кВ это число может быть большим.
Рис. 25. Главные схемы электрических соединений РУ 220—400 кВ, применяемые в странах Европы и в США:
1, 2, 3, 4 — соответственно с одной, двумя, тремя и четырьмя системами сборных шин; 5 — с двойной и обходной системами шин; 6, 7, 5 — модификации схем с одиночной системой шин; 9 — квадрат; 10 — кольцевая; 11 — трансформаторы — шины; 12 — полуторная; 13 — расширенный квадрат; 14 — цепочечная
Как следует из приведенных выше данных о построении сети 220—400 кВ ряда европейских стран, на подстанциях этого напряжения устанавливается два — четыре трансформатора (автотрансформатора). В США использование перегрузочной способности трансформаторов связывается со сроком их службы и не всегда считается целесообразным. Поэтому количество трансформаторов на подстанциях иногда достигает шести, хотя в большинстве случаев ограничивается двумя — четырьмя. Так, например, средняя мощность подстанции 345 кВ составляет 350 МВ-А, что при единичной мощности устанавливаемых трансформаторов 180/240/320 MB/А (в зависимости от степени использования системы охлаждения) соответствует установке двух единиц.
Увеличение количества установленных трансформаторов сверх двух, как правило, происходит постепенно, по мере роста нагрузки. Таким образом, количество присоединений на стороне 220—275—345—400 кВ сетевых подстанций колеблется от 4 до 10.
Количество линий на среднем напряжении 110(132) и 220(275) кВ зависит от мощности установленных на подстанции трансформаторов и колеблется в достаточно широких пределах. Несмотря на тенденции повышения сечений и, следовательно, пропускной способности линий этих напряжений количество отходящих ВЛ на среднем напряжении бывает весьма значительным. Так, для типовой подстанции 380/110 кВ 4X250 MB-А в ГДР количество линий 110 кВ принято до 30.
На рис. 25 приведены основные схемы электрических соединений, применяемые на стороне ВН подстанций 220— 400 кВ. В странах Европы большое распространение получили схемы со сборными шинами с одним выключателем па присоединение и оперативными шинными разъединителями (схемы 1—5 рис. 25). Поскольку для большинства европейских стран характерна передача небольших потоков мощности на короткие расстояния, возможные повреждения на шинах, отказ линейного или секционного выключателя, при которых может отключаться большое число линий, не приводят к серьезным последствиям. Повышение надежности достигается увеличением количества систем шин, секционных и шиносоединительных выключателей.
Так, например, во Франции для подстанции 400 кВ с большим количеством присоединений (до 10) применяется схема из трех секционированных систем шин с двумя шиносоединительными и одним подменным выключателем. В ФРГ применяются схемы с двумя, тремя, четырьмя системами шин с обходной или без нее. В Швеции применяются модернизированная схема одной рабочей системы шин с обходной либо две системы шин (при большом числе линий) с третьей обходной.
Следует отметить, что увеличение количества подстанций 400 кВ, сооружаемых в последние годы, вынуждает вести поиски схем с малым количеством выключателей с целью снижения капиталовложений, упрощения эксплуатации при сохранении необходимой надежности.
Так, в ГДР, где до 1990 г. намечается сооружение 30 подстанций (220—380)/110 кВ, в последние годы разработана типовая упрощенная подстанция (220—380)/110 кВ с так называемой цепочечной схемой на стороне ВН (схема 14 рис. 25). В основу схемы электрических соединений на стороне ВН положена схема мостика с тремя выключателями (в цепях линий и в перемычке), которая осуществляется па первом этапе (при двух линиях и двух трансформаторах). При полном развитии (четыре линии и четыре трансформатора) с помощью разъединителей присоединяются дополнительно два блока (линия — трансформатор) по обе стороны мостика. На стороне 110 кВ подстанций 220 кВ предусматриваются две системы шин с одним шиносоединительным выключателем, а для подстанций 380 кВ — три системы шин с двумя шиносоединительными выключателями.
В Великобритании при проектировании сетей 275 и 400 кВ для подстанций с четырьмя трансформаторами при числе линий до четырех выбраны типовые схемы РУ 275 и 400 кВ расширенного квадрата (схема 13 рис. 25), допускающие постепенное развитие; при числе линий больше четырех применяются схемы с системами шин.
В НРБ на подстанциях 220 кВ применяются схемы с системами шин, для первых подстанций 400 кВ применялись схемы трансформаторы — шины (схема 11 рис. 25), в последнее время принято решение о применении полуторной схемы, которая реализуется постепенно (через схемы треугольника, квадрата).
В США работы по типизации подстанций ведутся разными компаниями, энергосистемами и объединениями независимо друг от друга, что приводит к различным решениям однотипных вопросов. Схемы со сборными системами шин считаются в США, как правило, неприемлемыми для подстанций ВН как по условиям надежности, так и из-за возможности ошибочных операций в связи с большим количеством разъединителей.
Для подстанций 230 кВ в ряде энергосистем применяются всевозможные модернизации одиночной системы шин (схемы 6—8 рис. 25). Схема 6 нашла применение в качестве типовой в энергосистеме «Пенсильвания Пауэр» благодаря выявленной в течение 10 лет эксплуатации высокой надежности линий, выключателей и шин. (Ожидаемая частота отключений трансформаторов из-за аварии на ВЛ — 1 раз в 32,6 года, отключения шин — 1 раз в 99,5 года.) Для повышения надежности одиночной системы шин применяется секционирование двумя последовательно соединенными выключателями (схема 7), в порядке исключения она применена на одной подстанции 345 кВ. На ряде подстанций 230 кВ (и на одной подстанции 500 кВ системы TVA) применена дорогая и недостаточно надежная схема «Зигзаг» (схема 8).
На большинстве подстанций 345 кВ и выше, как правило, применяются схемы с многократным присоединением элементов (9—12). Наряду со схемами треугольника, квадрата (9) находят применение кольцевые схемы (10) — до шести присоединений, схемы трансформаторы — шины (11) и полуторная.
При проектировании сети 345 кВ было вновь проведено исследование для выбора главной схемы электрических соединений подстанций. Сравнивались одна система шин с обходной, кольцевая, полуторная и две системы шин с двумя выключателями на присоединение. Двойная система шин с обходной не рассматривалась. Анализ производился для схемы с четырьмя отходящими линиями. Результаты сравнения показали, что наиболее дешевыми и практически равноэкономичными оказались схемы многоугольника (кольцевая) и одна система шин с обходной. Тем не менее последняя схема практически не применяется из-за указанных выше недостатков.
Разнообразие применяемых в зарубежных странах схем понижающих подстанций 220—400 кВ определяется как схемой построения сети (наличием резервных линий и трансформаторов, позволяющим выводить в ремонт отдельные присоединения без нарушения нормальной работы), так и эксплуатационной надежностью отдельных элементов схемы (выключателей, трансформаторов, шин, изоляции).
Увеличение количества сооружаемых подстанций, затруднения с получением земельных участков приводят к упрощению главных схем электрических соединений.
В сетях 110—150 кВ присоединение подстанций осуществляется, как правило, по двум линиям. Присоединение трех-четырех линий встречается реже. Значительно большее разнообразие решений наблюдается при выборе числа трансформаторов — от одного до четырех. Задачи стандартизации и индустриализации строительства подстанций, которые особенно остро стоят для этого класса напряжения ввиду большого количества ежегодно сооружаемых объектов, вызывают тенденцию уменьшения коммутируемых элементов. Требования надежности определяют этот минимум как четыре: две линии и два трансформатора. При этом можно достичь существенного упрощения применяемых схем электрических соединений.
Применение тех или иных упрощенных схем понижающих подстанций (110—150)/НН кВ в разных странах в значительной степени зависит от производимых (или используемых) коммутационных аппаратов.
Рис. 26. Схемы упрощенных подстанций 110—150 кВ, применяемые в европейских странах
В европейских странах широко применяются упрощенные схемы с использованием выключателей, отделителей и короткозамыкателей (рис. 26).
В Великобритании в сети 132 кВ при присоединении двух линий и двух трансформаторов применяются схемы мостика с тремя и одним выключателями (рис. 26, 1 и 5). Схема мостика с тремя выключателями рекомендуется некоторыми специалистами также при установке четырех трансформаторов, которые присоединяются на стороне 132 кВ по два на одно присоединение (спаренные). При этом установка трансформаторов может выполняться поэтапно, по мере роста нагрузки. Типизация и индустриализация строительства таких подстанций может осуществляться по модульному принципу. На городских подстанциях глубокого ввода применяются блочные схемы без выключателей. Упрощенные блочные схемы без выключателей на подстанциях 110/10 кВ 2X20 МВ·А применены в схеме электроснабжения г. Дублина (Ирландия).
В ФРГ широко применяются схемы мостика с одним выключателем, отделителями и короткозамыкателями (рис. 26, 4 и 5), а также блочные схемы без коммутационной аппаратуры для подстанций 110/10 кВ глубокого ввода (см. рис. 18).
В Швеции в соответствии с рекомендациями комитета по стандартизации энергетического управления 80 % подстанций 145 кВ сооружаются на четыре коммутируемых элемента (включая один-два трансформатора). При этом применяется схема одной системы шин. Индустриализация строительства достигается путем сборки подстанции из готовых модулей, заводское изготовление которых освоено фирмой ASEA.
В ВНР и ЧССР находят применение схемы мостика с тремя выключателями (рис. 26, 1), реже — с одним выключателем (рис. 26, 4).
Рис. 27. Схемы подстанций 110 кВ с выключателями нагрузки (ВН): а — блочная с одним трансформатором; б — ответвительные с одним трансформатором, включаемые в рассечку линии с двусторонним питанием; резервирование на стороне НН по кольцевой сети; в — одиночная система шин, секционированная двумя ВН; а — мостик с выключателем в перемычке и ВН в цепях трансформаторов и ВЛ; д — схема с присоединением двух трансформаторов и ВЛ через выключатели и ВН к шинам, а третьего трансформатора — к шинам через ВН; е — четырехтрансформаторная подстанция, присоединенная через ВН к двухцепной ВЛ
Применение схем с отделителями и короткозамыкателями ограничивается из-за отсутствия собственного производства этих аппаратов. Применяются также блочные схемы (рис. 26, 6 и 7).
В ГДР в последнее время на смену схемам мостика с тремя выключателями (рис. 26, 1 и 2) приходит схема с одним выключателем (рис. 26, 4), которая приводит к снижению затрат на подстанцию на 25%.
Типизация упрощенных подстанций с применением короткозамыкателей начата еще в 60-х годах, в последнее время появилась возможность использования в таких схемах также выключателей нагрузки (см. ниже). Применяются также схемы мостика с одним выключателем и передачей отключающего импульса (рис. 23).
В ПНР в сетях 110 кВ наибольшее применение находит схема рис. 26, 3 (отделители и короткозамыкатели — польского производства), используются также схемы, приведенные на рис. 26, /, 2 и 7.
В НРБ до недавнего времени подстанции 110 кВ на четыре присоединения (две линии и два трансформатора) сооружались по схеме одиночной системы шин. В 70-е годы принято решение об отказе от этой схемы, если нет уверенности в появлении четырех линий. Большинство (80%) сооружаемых подстанций проектируются и строятся по схемам рис. 26, 1 и 2 (отделители и короткозамыкатели в НРБ не производятся). На первом этапе эти подстанции сооружаются по схеме блок линия — трансформатор. Хотя заводского изготовления подстанций 110 кВ нет, применение упрощенных схем позволило типизировать решения, уменьшить площадки, индустриализовать строительство за счет унификации отдельных элементов.
В последнее время в ряде европейских стран (ФРГ, ГДР, ПНР) получили распространение распределительные подстанции 110 кВ с выключателями нагрузки.
Схемы таких подстанций с установкой от одного до четырех трансформаторов и различными способами присоединения к сети приведены на рис. 27. В комбинации с выключателями нагрузки используются обычные выключатели и разъединители с дистанционным приводом.
Рис. 28. Сетка схем упрощенных распределительных подстанций США
В распределительных сетях 115—161 кВ США широко применяются простые сборные подстанции заводского изготовления (полностью или по узлам). Многообразие выпускаемых электропромышленностью коммутационных аппаратов предопределило большое количество применяемых схем.
Большой процент составляют подстанции с применением предохранителей, которые выпускаются для напряжений до 161 кВ включительно. Средняя мощность трансформаторов, выше которых предохранители не применяются, составляет 10 МВ-А (по данным 63 энергосистем). Значительный удельный вес составляют подстанции с короткозамыкателями и различными системами передачи телеотключающего импульса. Отделители применяются при наличии на линии ответвительных подстанций. Довольно много подстанций присоединяются с высокой стороны вообще без коммутационной аппаратуры с учетом высокой чувствительности защиты питающего конца.
Рис. 29. Схема стандартной подстанции 138/12,5 КВ 120 МВ-А (США): 1 — выключатель 138 кВ 2000 А; 2 — малообъемный выключатель или вакуумный отделитель; 3 — выключатель 12,5 кВ 1200 А; 4 — разъединитель; 5 — разъединитель с моторным приводом; 6 — подземные кабельные перемычки
Следует отметить, что сокращение расстояний между распределительными подстанциями приводит к ограничению применения короткозамыкателей, так как они создают тяжелые условия работы выключателей; вместо короткозамыкателей шире применяется телеотключение.
Сетка схем упрощенных сетевых подстанций, применяемых в сетях США, приведена на рис. 28. Типовыми выполняются не только упрощенные подстанции, но и более сложные — с большим количеством присоединений и с использованием в качестве коммутационной аппаратуры различных типов выключателей.
На рис. 29 приведена схема стандартной подстанции 138/12,5 кВ, разработанной газовой и электрической компанией штата Оклахома. Подстанция предназначена для присоединения трех ВЛ 138 кВ, трех трансформаторов мощностью 24/32/42 МВ-А (в зависимости от степени охлаждения) и 12 отходящих линий 12,5 кВ мощностью по 10 МВ-А. Схема на стороне 138 кВ представляет собой двойной «мостик» с выключателями на ток 2000 А в цепях линий и перемычек; в цепях трансформаторов устанавливаются малообъемные масляные выключатели или вакуумные отделители. Подстанция размещается на площадке около 0,4 га.
В некоторых энергосистемах США осуществляется перевод распределительной сети 12,5 кВ на повышенное напряжение 34,5 кВ. При этом разрабатываются стандартные подстанции для сети 115—161 кВ. Так, в энергосистеме Хьюстон разработана типовая подстанция 138/34,5 кВ, рассчитанная на установку четырех трансформаторов по 140 МВ-А и на 16 отходящих линий 34,5 кВ; в энергосистеме NSP — типовая подстанция 115/34,5 кВ 4X47 МВ-А на 12 отходящих линий 34,5 кВ.
