Выше было показано, что схема электрической сети является результатом оптимального сочетания конфигурации сети и схем присоединения к ней понижающих подстанций. Электрическая сеть является постоянно развивающейся структурой, поэтому она не может иметь конечной конфигурации и схемы. В то же время каждый элемент сети — линия и подстанция — должен иметь конечные параметры и характеристики. Это противоречие можно устранить путем разработки общей концепции развития сети па достаточно длительную перспективу (соответствующую сроку службы сетевых объектов); эта концепция должна учитывать рациональное преобразование применяемых конфигураций отдельных участков сети по мере их развития.
Одним из основных принципов такой концепции должно быть сведение к рациональному минимуму характеристик и параметров элементов сети в целях обеспечения их унификации и индустриализации строительства. Основой рационального построения сети являются применение простых типов конфигурации и использование в качестве коммутационных пунктов главным образом подстанций следующей ступени напряжения, являющихся центрами питания для рассматриваемой сети. При этом достигается:
упрощение ведения режимов работы сети для обеспечения оптимального потокораспределения и снижения уровня потерь;
достижение более равномерной загрузки отдельных участков сети и создание условий для уменьшения номенклатуры применяемых сечений проводов ВЛ;
обеспечение целесообразных уровней токов КЗ за счет применения радиальных схем и за счет создания условий для оптимального секционирования замкнутых схем;
возможность применения простых схем присоединения к сети подстанций, обеспечивающих типизацию и унификацию схем электрических соединений на стороне ВН;
снижение капиталовложений и трудозатрат на сооружение элементов сети при обеспечении высокого уровня надежности электроснабжения;
упрощение эксплуатации за счет наглядности схемы сети и однотипности ее элементов.
Рекомендации по использованию отдельных типов конфигураций и схем присоединения подстанций являются результатом анализа схем развития сети 110—330 кВ, а так- же оптимизационных расчетов. Построение схем рассматривается отдельно для сетей 110—220 кВ и 330 кВ, что обосновывается следующими различиями между этими классами сетей:
сети 110—220 кВ являются в настоящее время чисто распределительными, в то время как сети 330 кВ в значительной степени выполняют межсистемные функции (вследствие отсутствия разветвленной сети 750 кВ);
наличие простых и дешевых коммутационных аппаратов — отделителей — на 110—220 кВ обусловило широкое применение в сетях этих напряжений упрощенных схем подстанций; в сетях 330 кВ при любых схемах применяются дорогостоящие воздушные выключатели;
применение на ВЛ 330 кВ расщепленной фазы привело к тому, что пропускная способность линии существенно превышает предельную мощность выпускаемых промышленностью автотрансформаторов с ВН 330 кВ.
Как показано выше, схемы сетей 110—220 кВ можно построить с использованием главным образом радиальных схем (Р1 и Р2), а также одинарных и двойных линий с двусторонним питанием (Д1 и Д2).
Радиальная одинарная схема Р1 в качестве конечной схемы может быть рекомендована в ограниченных случаях (см. § 10), схема Р2 находит достаточно широкое применение. Схемы присоединения подстанций к радиальной конфигурации сети решаются однозначно: упрощенные без выключателей. Секционирование двойных ВЛ 110 кВ с односторонним питанием, как правило (при присоединении двух- трех подстанций), оказывается неэффективным. Ограничивающими условиями для этой схемы являются загрузка головных участков ВЛ и напряжение в наиболее удаленной от источника точке. При средних плотностях нагрузки 50— 60 кВт/км2 этим условиям соответствует протяженность ВЛ до 70—80 км с присоединением двух-трех подстанций с суммарной нагрузкой до 50—60 МВт.
Для одинарных и двойных линии с двусторонним питанием (Д1 и Д2) должны быть решены следующие вопросы: разработаны оптимальные схемы присоединения промежуточных подстанций;
определены граничные условия применения: протяженность ВЛ, количество присоединенных промежуточных подстанций;
установлены рациональные способы преобразования этих конфигураций при достижении граничных условий.
Оптимизационные расчеты выполнялись для сети 110 кВ, являющейся наиболее разветвленной и отличающейся наибольшим многообразием применяемых типов конфигураций и схем присоединения подстанций [45]. В качестве критерия оптимизации использован минимум приведенных затрат с учетом ожидаемого народнохозяйственного ущерба от перерывов электроснабжения [см. (3)]. В качестве постоянных величин принимались удельные капиталовложения в электросетевое строительство, удельные затраты на возмещение потерь электроэнергии, а также показатели надежности электрических систем [43]. Устойчивость выводов проверялась варьированием некоторых исходных показателей: а) значения удельных ущербов: от аварийных перерывов электроснабжения — 20—70 коп/(кВт-ч), от плановых—10— 26 коп/(кВт-ч); б) нагрузок подстанций 110 кВ—от 3 до 30 МВт; расстояний между соседними подстанциями — от 10 до 50 км. В качестве технических ограничений принимались загрузка головных участков ВЛ в пределах допустимой по нагреву и обеспечение уровней напряжения в наиболее отдаленных точках сети не ниже 100 кВ (минимум, при котором обеспечивается качество напряжения у потребителей по ГОСТ 13109-67*).
Для определения способа присоединения промежуточных подстанций к конфигурации Д1 в сети 110 кВ выполнены расчеты для следующих граничных схем (рис. 32):
все подстанции присоединяются на ответвлениях (рис. 32,а);
все подстанции присоединяются в рассечку ВЛ с установкой секционирующих разъединителей (неавтоматическая перемычка, рис. 32, б);
все подстанции присоединяются в рассечку ВЛ с установкой секционного выключателя (автоматическая перемычка, рис. 32,в).
Рис. 32. Варианты схем присоединения подстанций к одинарной ВЛ с двусторонним питанием:
а — на ответлении; б — заход—выход с неавтоматической перемычкой; в — заход—выход с автоматической перемычкой
Подстанции принимались двухтрансформаторными с присоединением трансформаторов через отделители. Длина питающей ВЛ варьировалась от 20 до 100 км, длина ответвления— от 2 до 10 км, количество промежуточных подстанций — от 1 до 9.
Выполненные расчеты показали следующее:
для средних значений удельных ущербов выполнение заходов ВЛ 110 кВ на подстанцию, удаленную от питающей ВЛ на расстояние до 10 км, с установкой секционных разъединителей целесообразно практически при любых нагрузках подстанций;
эффективность установки секционного выключателя при средних значениях удельных ущербов выявлена при нагрузке подстанции 7—9 МВт; при минимальных значениях удельных ущербов эта нагрузка составляет 30 МВт;
ограничивающими условиями применения конфигурации Д1 с присоединением промежуточных подстанций в рассечку линии являются суммарная протяженность ВЛ (100— 120 км, включая заходы) и суммарная нагрузка присоединенных подстанций (60—70 МВт для наиболее распространенных сечений ВЛ 110 кВ).
Из изложенного следует, что для современного уровня развития электрических сетей, достигнутых плотностей нагрузок (50—60 кВт/км2) и средних мощностей подстанций 110 кВ (29 МВ-А, см. § 4) к одноцепным ВЛ с двусторонним питанием (конфигурация Д1) целесообразно присоединять промежуточные подстанции в рассечку линии с установкой секционного выключателя в перемычке. Эта рекомендация нашла отражение в [39]. Установка выключателя, как правило, осуществляется со вторым трансформатором. В отдельных случаях (при наличии к моменту ввода проектируемой подстанции нескольких однотрансформаторных подстанций на ответвлениях) секционный выключатель целесообразно устанавливать с первым трансформатором (на подстанции, разделяющей ВЛ примерно на равные части по протяженности и нагрузке).
При современных средних мощностях подстанций 110 кВ к конфигурации Д1 целесообразно присоединение трех промежуточных подстанций. Это количество соответствует также требованиям выполнения надежной релейной защиты, так как при большем количестве подстанций возникают трудности в обеспечении селективности ее работы.
Рис. 33. Варианты преобразования конфигурации сети типа Д1:
а — заход на новый ЦП; б — сооружение ВЛ от нового ЦП; в — сооружение связи между двумя конфигурациями Д1; г — рассечка одной конфигурации Д1 и заход ее на подстанцию другого участка сети
Возможные варианты преобразования конфигурации Д1 при технических ограничениях ее дальнейшего использования приведены на рис. 33. Схема рис. 33, а является предпочтительной, так как не усложняет конфигурацию сети и не требует изменения схем промежуточных подстанций, однако возможность ее применения обусловлена благоприятным размещением третьего ЦП относительно рассматриваемой сети. Схемы рис. 33, б, в и г приводят к созданию узловой конфигурации сети и усложнению схем отдельных подстанций. При этом следует учитывать, что переход от схемы промежуточной подстанции, включаемой в рассечку ВЛ, к схеме узловой подстанции приводит к скачкообразному увеличению капиталовложений. В ряде случаев применение схем по рис. 33,б, в определяется целесообразностью присоединения к вновь сооружаемой ВЛ новой промежуточной подстанции.
Рассмотрим целесообразность применения конфигураций Д1l и Р2 для электроснабжения района между двумя центрами питания сети 110 кВ. В целях определения целесообразной области применения той или другой конфигурации в зависимости от расстояния между ЦП L и суммарной нагрузки присоединяемых подстанций Р выполнены технико-экономические расчеты с использованием формулы (3).
Рис. 34. Сопоставление конфигураций Д1 и Р2 в сети 110 кВ:
а — схемы сети; б — результаты технико-экономических расчетов (сплошная линия— конфигурация Д1, пунктирная — Р2)
При этом приняты следующие исходные данные (рис. 34, а):
для электроснабжения района сооружаются четыре подстанции 110 кВ, расстояния между которыми условно приняты равными между собой (l1 = l2 = ln = L/5) ;
величина L варьируется от 50 до 150 км; нагрузки подстанции 110 кВ приняты одинаковыми, суммарная нагрузка района Р варьируется от 20 до 80 МВт;
для подстанций приняты типовые схемы на стороне ВН: 110—4 для конфигурации Р2 и 110—5 для конфигурации Д1;
сечения проводов выбирались по нормированной плотности тока в соответствии с потоками мощности по участкам сети;
капитальные затраты, стоимость потерь электроэнергии и ущерб от возможных вынужденных простоев рассчитывались по [43], при этом для подстанций учитывались только капиталовложения в ОРУ 110 кВ и постоянные затраты (остальные составляющие капитальных затрат одинаковы для обоих вариантов);
для конфигурации Р2 сооружение ВЛ принималось на двухцепных опорах, ущерб от возможных простоев определялся для случая выхода обеих цепей (падение опоры, перекрытия между цепями).
Результаты расчетов приведены на рис. 34,6. Анализ результатов дает основание для следующих выводов:
при расстоянии между центрами питания до 50 км применение конфигурации Р2 эффективнее во всем диапазоне рассмотренных нагрузок;
при увеличении расстояния между ЦП до 100 км в диапазоне нагрузок до 50—60 МВт более эффективной является конфигурация Р2, при больших нагрузках предпочтение следует отдать конфигурации Д1,
при расстоянии между ЦП 150 км практически во всем диапазоне нагрузок более эффективным является применение конфигурации Д1.
Приведенные данные характеризуют общую тенденцию, выбор оптимального варианта в конкретных условиях зависит от изменения ряда исходных данных. Так, например, увеличение расстояния /п (см. рис. 34,а) при неизменном L повышает эффективность применения конфигураций Р2, увеличение значения ущерба от вынужденных простоев повышает эффективность конфигурации Д1 и т. п.
Рис. 35. Варианты схем присоединения промежуточных подстанций к двойной ВЛ с двусторонним питанием:
а — присоединение всех подстанций на ответвлениях; б — то же. но с заходом обеих ВЛ на одну из подстанций$ в — с попеременным присоединением на ответвлениях и в рассечку каждой ВЛ; г — с присоединением всех подстанций в рассечку каждой ВЛ (поочередно)
Для двойных ВЛ с двусторонним питанием (конфигурация типа Д2) рассматриваются следующие граничные схемы (рис. 35):
присоединение всех промежуточных подстанций ответвлениями от двух цепей (коммутация типа О2, рис. 35,а);
коммутация всех промежуточных подстанций по типу О2, за исключением одной, расположенной примерно посредине, на которую выполняется заход двух цепей ВЛ (коммутация типа П2, рис. 35,б,);присоединение подстанции чередуется через одну — ответвление типа О2 либо заход попеременно одной цепи типа 77/ (рис. 35,в);
., все промежуточные подстанции присоединяются путем выполнения заходов поочередно одной из цепей двухцепной ВЛ (коммутация типа П1, рис. 35,г).
Расчеты показали, что при современных плотностях нагрузок и средней мощности подстанций присоединение промежуточных подстанций к конфигурации Д2 целесообразно выполнять с попеременным использованием схем ответвлений и заходов (рис. 35,в).
Ввиду наличия двойной линии конфигурация Д2 может применяться в сетях 110 кВ для значительной суммарной нагрузки присоединяемых подстанций (до 100—120 МВт) при общей длине линии 120—80 км, что при современной плотности нагрузок соответствует четырем-пяти подстанциям.
Большая пропускная способность сети, выполненной по конфигурации Д2 (при среднем сечении ВЛ 110 кВ на головном участке можно передать по условию допустимого нагрева проводов мощностью порядка 150 МВт), позволяет использовать ее длительное время без преобразований в другие типы. В отдельных случаях может возникнуть технико-экономическая целесообразность выполнения захода на новый ЦП, благоприятно расположенный относительно сети, с разделением ее примерно на две равные части.
Анализ соотношения стоимостных показателей сооружения сетей 110 и 220 кВ с учетом пропускных способностей линий и средних значений нагрузок подстанций позволяет сделать заключение о возможности распространения большинства выводов, полученных для сети 110 кВ, на сеть 220 кВ. Меньшее применение, чем в сети 110 кВ, должна иметь конфигурация Р2.
Граничными условиями применения в сети 220 кВ конфигурации Д1 можно считать расстояние 200—250 км при суммарной нагрузке присоединяемых подстанций 300 МВт, а для конфигурации Д2 — 250—400 км при нагрузке 500— 600 МВт. Изложенное выше позволяет сделать следующие выводы:
оптимальное построение схем электрических сетей 110— 220 кВ можно осуществить с использованием в основном простых конфигураций: радиальных Р2, а также одинарных и двойных линий с двусторонним питанием Д1, Д2;
применение сложных конфигураций (узловых У и многоконтурных М) должно быть минимальным при невозможности использования простых конфигураций; по мере развития сети следующего класса напряжения и увеличения количества ЦП для рассматриваемой сети удельный вес использования сложных конфигураций уменьшается;
использование простых конфигураций сети позволяет осуществлять присоединение 75—85% подстанций 110— 220 кВ по двум ВЛ;
остальные подстанции должны присоединяться к сети по трем-четырем ВЛ; заход на подстанцию 110—220 кВ более четырех ВЛ по условиям оптимального построения сети не обосновывается.
Конфигурация и схемы сети 330 кВ определяются следующими основными факторами:
сохранением в течение ближайшей перспективы (до создания разветвленной сети 750 кВ) функций межсистемной сети;
взаимным расположением центров питания (электростанций и подстанций 750 кВ) и нагрузочных узлов сети;
соотношением пропускной способности линий и мощности подстанций 330 кВ.
Радиальная одиночная конфигурация Р1 применяется в процессе реализации проектной схемы сети в качестве первого этапа при условии, что дефицит нагрузочного узла в послеаварийном режиме не превышает (с учетом возможности резервирования по сети 110 кВ) 25 % максимума нагрузки узла [39]. К моменту, когда это условие перестанет выполняться, схема Р1 должна быть преобразована в Р2 или Д1. Схема присоединения тупиковой подстанции к конфигурации Р1 принимается блок линия — трансформатор с разъединителем и передачей телеотключающего сигнала на ЦП (при намечаемом преобразовании в конфигурацию Р2) либо с установкой двух выключателей при намечаемом преобразовании в конфигурацию Д1 (подробнее см. ниже, гл. 5).
Радиальная двойная линия Р2 в сетях 330 кВ может быть применена в ограниченном числе случаев: при небольшом расстоянии (до 30—35 км) от нагрузочного узла до ЦП. Применяемая схема присоединения подстанции — два блока линия — трансформатор с разъединителем и передачей телеотключающего сигнала на питающий конец ВЛ. Недостатком такой схемы является неполное использование пропускной способности ВЛ 330 кВ.
Конфигурация Д1 — одиночная линия с двусторонним питанием — является основной при построении схем сети 330 кВ. При выборе схемы присоединения промежуточных подстанций необходимо учитывать как обеспечение надежности питания крупной нагрузки, так и сохранение транзита мощности по ВЛ. Это предопределяет применение схем секционирования сети с установкой выключателей.
Сечение проводов головных участков линии должно выбираться из условия пропускной способности по нагреву, равной суммарной нагрузке присоединенных подстанций для обеспечения их питания в послеаварийном режиме отключения одного из головных участков. При выполнении этого условия техническим ограничением данной схемы будет являться соблюдение допустимого уровня напряжения на последней подстанции в указанном послеаварийном режиме. Исходя из средней длины ВЛ между двумя ЦП 220—250 км, среднего расстояния между подстанциями 330 кВ 65—70 км (см. § 4) и средней нагрузки одной подстанции 250 МВт к конфигурации Д1 можно присоединить до трех промежуточных подстанций.
Как указано выше (§ 10), существенное распространение в сети 330 кВ имеют сложные конфигурации (узловые и многоконтурные), что определяется отсутствием разветвленной сети 750 кВ.
Тенденции развития сети 330 кВ на 15—20 лет определяются, с одной стороны, схемами присоединения к сети новых ЦП (электростанций и подстанций 750/330 кВ), с другой стороны, — присоединением новых подстанций 330/1'10 кВ.
В европейской части СССР, в которой расположены ОЭС с системой напряжений электрической сети 750/330/110 кВ, сооружаются крупные атомные электростанции (АЭС) мощностью 4 млн. кВт (в перспективе 6—7 млн. кВт и более) с агрегатами единичной мощностью 1000—1500 МВт. Целесообразная схема выдачи мощности АЭС зависит от плотности нагрузки района размещения станции. Выполненные в институте Энергосетьпроект исследования показали, что при плотности нагрузок в районе размещения станции 100—150 кВт/км2 и более экономически целесообразно выдавать в сеть 330 кВ 1000—2000 МВт; остальная мощность должна коммутироваться на напряжении 750 кВ.
Присоединение АЭС на напряжении 330 кВ должно выполняться к узлам потребления, расположенным в радиусе 50—80 км от станции. Возможны следующие схемы присоединения АЭС к сети 330 кВ:
в рассечку существующей сети конфигурации типа Д1; при этом конфигурация сети не усложняется, сокращается расстояние между ЦП и улучшаются условия работы сети; путем сооружения ВЛ от АЭС к одной из подстанций сети с конфигурации Д1 для ее «подпитки» (при достижении технических ограничений по протяженности и суммарной нагрузке присоединенных подстанций); при этом один из участков сети приобретает узловую конфигурацию.
Рис. 36. Пример присоединения АЭС к сети 330 кВ:
1 — подстанция 750 кВ (существующая); 2 — АЭС (существующая); 3 — АЭС (новая); 4 — подстанция 330 кВ (существующая); 5 — ВЛ 330 кВ (существующая); 6 — ВЛ 330 кВ (новая)
На рис. 36 приведен пример присоединения АЭС при коммутации на напряжении 330 кВ мощности 1000 МВт; при коммутации на этом напряжении мощности 2000 МВт для ее выдачи потребуется 4—5 ВЛ, что приводит к еще большему усложнению конфигурации сети. Размещение новых подстанций 750/330 кВ должно выбираться в районах сложившихся узлов сети 330 кВ и способствовать упрощению ее конфигурации.
Рис. 37. Варианты присоединения к сети 330 кВ новых подстанций
Присоединение новых подстанций 330/110 кВ на территории между двумя существующими магистралями типа Д1 можно осуществить путем создания новой магистрали между теми же ЦП (рис. 37,а). Такое решение целесообразно, если разрыв между необходимыми сроками ввода этих подстанций невелик, что позволяет в течение некоторого времени питать часть из них по радиальной ВЛ (например, вначале сооружается ВЛ ЦП1 — подстанция 1 и подстанция 1, затем — ВЛ ЦП2 — подстанция 3 и подстанция 3, а затем — ВЛ подстанция 3 — подстанция 2 — подстанция 1 и подстанция 2).
При значительной разновременности сооружения намечаемых подстанций можно рассмотреть следующие варианты их присоединения (рис. 37,б):
двойная радиальная линия от одной из существующих промежуточных подстанций с превращением ее в узловую при небольшом расстоянии от этой подстанции;
включение в рассечку конфигурации Д1 (подстанция 2) при небольшом расстоянии от линии и наличии запаса пропускной способности;
сооружение поперечной связи между двумя конфигурациями Д1 (подстанция 3); такое решение, хотя оно и находит применение в отдельных случаях, следует считать менее целесообразным, так как одна из двух линий поперечной связи в нормальных режимах оказывается, как правило, незагруженной и используется главным образом для резервирования.
Технико-экономическая целесообразность того или иного решения зависит от многих конкретных условий (нагрузки новых подстанций, их размещения относительно существующей сети, пропускной способности существующей сети и др.). При этом принятию решений по схеме присоединения каждой подстанции должно предшествовать исследование по общей концепции развития сети данного района на достаточно далекую перспективу. Изложенные соображения позволяют сделать следующие выводы о тенденциях развития сети 330 кВ:
основным типом конфигурации сети на перспективу должна остаться магистральная линия с двусторонним питанием (типа Д1), позволяющая оптимизировать потокораспределение в сети и осуществить ее секционирование для ограничения роста токов КЗ;
подстанции 330 кВ присоединяются к ВЛ такой конфигурации в рассечку;
удельный вес подстанций, присоединенных к сети по двум ВЛ, составит в перспективе 60—65 %;
присоединение к сети 330 кВ части мощности вновь сооружаемых электростанций приводит к созданию сложных конфигураций (типа У и М) и, следовательно, к появлению подстанций 330 кВ, присоединяемых к сети по трем-четырем ВЛ; удельный вес таких подстанций в перспективе составит 30—35 %;
в сооружении подстанций 330 кВ, присоединенных к сети более чем по четырем ВЛ, как правило, нет необходимости.
