Конфигурация (топология) электрической сети зависит от географических условий, плотности и распределения электрических нагрузок по рассматриваемой территории и размещения центров питания. В качестве ЦП сети служат электростанции, имеющие шины рассматриваемого напряжения, а также подстанции сети следующей за рассматриваемой ступени напряжения (например, для сети 110 кВ — подстанции 330/110 кВ при системе 750/330/110 кВ или 220/110 кВ и 500/110 кВ при системе 500/220/110 кВ).
Многообразие географических и экономических условий, в которых развиваются различные энергосистемы, не позволяет типизировать схемы электрических сетей в целом. Тем не менее любую сеть можно расчленить на отдельные участки, каждый из которых относится к одному из рассмотренных ниже типов. Для выделения таких участков целесообразно базироваться на центрах питания сети. В зависимости от графа сети, присоединенной к одному или нескольким соседним ЦП, можно различать следующие типы конфигурации сети (рис. 30):
Р1 и Р2 — радиальная одинарная или двойная линия (двойная линия может быть на двухцепных либо на одноцепных опорах по одной трассе);
- 31 и 32 — замкнутая одинарная или двойная линия, подключенная к шинам одного ЦП, в виде кольца;
Д1 и Д2 — одинарная или двойная линия с двусторонним питанием, подключенная к шинам разных ЦП;
У — узловая схема (получающая питание более чем от двух ЦП), в состав которой входит не менее трех линий и одной узловой точки, т. е. точки, в которой соединяются три и более линии;
М — многоконтурная схема, в состав которой входит несколько замкнутых контуров и узловых точек (независимо от числа ЦП),
Рис. 30. Основные типы конфигурации сети:
о, б — радиальные с одной (Р1) и двумя (Р2) ВЛ; в, г —замкнутые от одного ЦП с одной (31) и двумя (32) ВЛ; д, е — с двусторонним (от двух ЦП) питанием по одной (Д1) и двум (Д2) ВЛ; ж — узловая с тремя ЦП (У); з — многоконтурная (М)
Следует отметить, что конфигурации типа Р, З и Д могут иметь разновидности, обусловленные числом линий, например Р21, 321 или Д21, в которых на головном участке — две линии, а на остальных участках — одна.
Схемы типа У и особенно М в динамике могут расчленяться на элементарные конфигурации типа Р, 3 или Д, если некоторые узловые точки ликвидируются при появлении в рассматриваемой сети новых ЦП. В процессе развития сети происходит также преобразование простых типов схем в более сложные: Р1 — в Р2, Д1 или Д2; Д1 — в Д2 или У и т. п.
Таблица 14
Частота применения рассмотренных типов конфигурации в сетях 110—330 кВ характеризуется данными, приведенными в табл. 14. Эти данные являются результатом анализа достаточно представительного круга схем развития энергосистем (для сети 110 кВ — 13 энергосистем, входящих в 11 ОЭС; 220 кВ — 6 ОЭС; 330 кВ — 2 ОЭС, где это напряжение получило наибольшее распространение).
Применение различных конфигураций в той или иной ОЭС, энергосистеме или ее части определяется рядом факторов: географическими условиями, степенью развития сети, характером потребителей, поверхностной плотностью нагрузки и др. Средняя плотность нагрузок рассмотренных энергосистем колеблется от 20 до 200 кВт/км2, в целом по ОЭС — от 30 до 70 кВт/км2. В энергосистемах с плотностью 100—200 кВт/км2 большая часть территории занята промышленно-городскими агломерациями. Плотность нагрузок таких агломераций и крупных городов составляет 1000—1500 кВт/км2.
Наиболее простая конфигурация Р1 как конечный этап развития сети применяется очень редко: только для питания потребителей третьей категории (например, насосных станций орошения земель). В практике встречаются отдельные случаи питания одной подстанции по двум независимым схемам P1 от двух разных источников. Это имеет место при повышенных требованиях к надежности электроснабжения и стремлении к минимальному числу аппаратов, устанавливаемых на стороне ВН подстанций (например, в условиях загрязненной атмосферы). Чаще всего схема Р1 является первым этапом схем Д1, 31, иногда Р2 и используется при сравнительно малых нагрузках и наличии резервирования по сети вторичного напряжения. Это положение подтверждается данными статистического анализа, из которого следует, что в перспективе удельный вес таких схем имеет тенденцию к снижению.
Конфигурация Р2 применяется, как правило, в районах с высокой плотностью нагрузок при небольших расстояниях от узлов потребления до ЦП. Встречаются две разновидности схемы Р2: питание потребителей осуществляется по двум ВЛ на разных опорах либо по одной двухцепной ВЛ. Во втором случае надежность электроснабжения ниже, однако незначительно, что, как правило, окупается уменьшением капиталовложений и отчуждения земельных угодий. Последнее объясняется тем, что при сооружении линий на разных опорах по одной трассе надежность питания присоединенных к ним подстанций (по сравнению с двухцепной ВЛ) существенно не увеличивается: крупные аварии являются следствием климатических аномалий, при которых, как правило, повреждается одновременно (независимо от конструкции) ряд линий в данном районе. Сооружение двух одноцепных ВЛ вместо одной двухцепной предусмотрено нормативными документами при определенных условиях для электроснабжения магистральных трубопроводов и электрифицированных железных дорог (см. § 13), в остальных случаях требует специального обоснования. В схеме Р2 равномерно загружаются обе ВЛ, что соответствует минимуму потерь. Схема Р2 не вызывает увеличения уровня токов КЗ на смежных участках сети, позволяет осуществлять четкое ведение режима работы, обеспечивает возможность присоединения подстанций по простейшим схемам. Эти достоинства конфигурации Р2 предопределяют ее широкое применение в сетях 110 и 220 кВ (см. табл. 14). В сетях 330 кВ применение этой схемы ограничено, что, в частности, объясняется плохим использованием пропускной способности ВЛ (мощность АТ, присоединенного к одной ВЛ, как правило, составляет 200 МВ-А, а пропускная способность ВЛ — 300—500 МВ-А). В перспективе схема Р2 может при появлении второго ЦП развиваться в схе му Д2.
При электроснабжении района от одного источника (ЦП) находят применение также конфигурации 31 и 32. Такие схемы построения сети используются, в частности, при электроснабжении средних и малых городов (первый этап развития). Достоинствами этих схем, как и радиальных, являются: независимость потокораспределения от смежной сети; отсутствие влияния на уровень токов КЗ в прилегающих сетях; простота и возможность типизации схем присоединения подстанций. Схемы типа 3 за счет ввода новых ЦП с разрезанием «кольца» легко преобразовываются в схемы типа Д. В сетях 110—220 кВ иногда встречается схема 321, состоящая из двухцепных и одноцепных участков сети, опирающихся на один ЦП. Такая схема, как правило, является результатом развития схемы Р2 или Р1. В сетях 330 кВ схемы 31 встречаются редко, а 32 не применяются.
Конфигурация Д1, как правило, является результатом развития схемы Р1 или 31 при росте нагрузок и появлении новых ЦП. Такая схема является следствием постепенного развития сети района, в сетях 110—220 кВ применяется при малых и средних плотностях нагрузок, а в сетях 330 кВ — независимо от плотности нагрузок.
Преимуществами такой конфигурации являются: возможность поэтапного развития сети; охват территории сетями, возможность присоединения к ВЛ между двумя ЦП по мере необходимости новых подстанций;
высокая надежность электроснабжения, так как каждая присоединенная к сети подстанция имеет двустороннее питание;
уменьшение длины ВЛ по сравнению с присоединением каждой новой подстанции к сети «по кратчайшему пути», приводящему к созданию сложнозамкнутой, многоконтурной сети;
возможность типизации и унификации РУ ВН присоединяемых подстанций и применения упрощенных схем, так как к каждой подстанции присоединяются две ВЛ.
При применении конфигурации Д1 ВЛ должны проектироваться таким образом, чтобы пропускная способность по нагреву проводов головных участков (от ЦП до ближайшей подстанции) обеспечивала в послеаварийном режиме электроснабжение всех присоединенных подстанций.
Вместе с тем схема Д1 обладает и некоторыми недостатками. При параллельной работе сетей разных классов напряжений возможно неэкономичное потокораспределение, связанное с нарушением однородности сети, что приводит
к дополнительным потерям электроэнергии. Значительная перегрузка распределительной сети и увеличение потерь возникают при параллельной работе сети 110—330 кВ с сетью высшего напряжения, если к шинам 110—330 кВ одного из ЦП присоединены генераторы электростанций. Снижения потерь мощности в такого рода конфигурациях можно достигнуть путем секционирования сети или принудительного потокораспределения с помощью агрегатов про- дольно-поперечного регулирования (последние пока почти не находят применения). Секционирование сети требуется также в ряде случаев для снижения уровней токов КЗ. Однако эти недостатки имеют место при небольших расстояниях между ЦП и небольшой протяженности распределительной сети между ними. Так, выполненный для сети 110 кВ анализ показал, что при расстояниях между ЦП более 40—50 км секционирование по условиям снижения потерь электроэнергии и уровней токов КЗ не требуется. В сети 330 кВ при ожидаемых в перспективе расстояниях между ЦП (см. выше, § 6) такое секционирование может потребоваться только в отдельных случаях [7].
Как следует из данных табл. 14, конфигурация Д1 в сетях 110—220 кВ применяется достаточно часто, а в сетях 330 кВ эта схема является основной.
Конфигурация Д2 является модификацией Д1 и применяется в сетях 110—220 кВ при более высоких плотностях нагрузок, обладает теми же преимуществами и недостатками по сравнению со схемами Р и З. Дополнительное преимущество — возможность использования подстанций без выключателей на стороне ВН при сохранении высокой надежности электроснабжения. Применяется для электроснабжения «протяженных» потребителей (железных дорог, газо- и нефтепроводов и др.) в условиях низкой плотности нагрузки прилегающих районов (т. е. при отсутствии по трассе железных дорог или трубопроводов развитых распределительных сетей), а также в городах. Частота применения этой схемы в сети 110—220 кВ очень высока: она может использоваться длительный период без преобразования. В сетях 330 кВ применения практически не находит. Усиление схемы Д2 осуществляется при «наложении» сети ВН путем разрезания и захода на новый ЦП.
Конфигурация У — очень надежная, однако обладает недостатками схем Д1 и Д2, плохо управляема в режимном отношении, требует сооружения сложной узловой подстанции.
Как правило, создание в проектируемой сети узловой точки является вынужденным: при возникновении технических ограничений для дальнейшего использования схемы Д1 и невозможности ее преобразования в две схемы Д1 путем захода на новый ЦП.
Конфигурация М в большинстве случаев является результатом длительного неуправляемого развития сети и требует, как правило, высоких первоначальных и ежегодных затрат. Объясняется это сложностью схем подключаемых к ней подстанций, неравномерностью загрузки линий, затруднениями ведения режима и др. Применение этой схемы также является вынужденным в условиях ограниченного количества и неравномерного размещения ЦП. В условиях развивающейся сети избежать использования этой схемы в ряде случаев не удается, но в перспективе по мере появления новых ЦП следует стремиться к ее упрощению.
Как видно из табл. 14, использование конфигураций У и М для сети 110—220 кВ незначительно (8—12 %), что свидетельствует о наличии развитой сети следующей ступени напряжения (220—330 кВ для 110 кВ и 500 кВ для 220 кВ), достаточно равномерном размещении ЦП и возможности применения простых конфигураций.
В сети 330 кВ удельный вес сложных конфигураций (У и М) значителен (40%). Это является следствием того, что сеть 750 кВ еще не стала разветвленной, межсистемные функции в значительной степени выполняет сеть 330 кВ, для которой применение простых конфигураций (типов Р1, Р2, 31, 32) ограничено.
