Глaва седьмая
ПОДСТАНЦИИ
7-1. ОБЩИЕ УСЛОВИЯ.
В зависимости от назначения подстанции бывают: узловые 110—500 кВ (УРП), главные 110-220 кВ (ГПП), подстанции глубоких вводов 110—220 кВ (ПГВ), распределительные подстанции 6—10 кВ (РП), цеховые подстанции 6—10/0,38—0,66 кВ (ТП).
УРП отличается от ГПП, как правило, большой мощностью, а также тем, что основная ее мощность при подводимом напряжении 110—220 кВ распределяется без трансформации по подстанциям глубоких вводов (ПГВ), хотя в отдельных случаях на УРП также применяется частичная трансформация для питания ближайших районов предприятия на напряжении 6—10 кВ.
ПГВ имеет локальное назначение, выполняется по простейшим схемам коммутации и служит для питания отдельного объекта или района предприятия. Сама она питается от УРП, иногда от ГПП или непосредственно от энергосистемы (на небольших предприятиях).
К подстанциям, сооружаемым в загрязненных зонах и в районах Крайнего Севера, предъявляются особые требования (см. ниже).
7-2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ.
Схемы коммутации строятся с соблюдением условий применения минимума аппаратов и широкого внедрения автоматики (АВР, АПВ), позволяющей быстро и безошибочно осуществлять резервирование отдельных элементов.
Подстанции всех напряжений выполняются по простейшим схемам применением принципа блочности на всех ступенях электроснабжения, что позволяет достичь их упрощения и удешевления, повышает надежность и облегчает приближение к питаемым нагрузкам.
На подстанциях со сборными шинами предусматривается секционирование шин, раздельная работа линий, трансформаторов. Параллельная работа применяется сравнительно редко. Применение на напряжении 35— 220 кВ простых и дешевых аппаратов: отделителей, короткозамыкателей, выключателей нагрузки, предохранителей дает значительное уменьшение потребности в дорогих и дефицитных масляных и воздушных силовых выключателях. Однако выбор этих аппаратов должен производиться с учетом их надежности и коммутационной способности. С этой точки зрения значительные затруднения возникают при построении схемы коммутации и выборе аппаратов на мощных подстанциях 110— 220/6—10 кВ с крупными трансформаторами мощностью до 63—80 MB-А и более. На вторичном напряжении 6—10 кВ таких подстанций, а также на очень крупных распределительных пунктах коммутируются большие рабочие токи, имеют место большие значения токов короткого замыкания, складывающиеся из токов, притекающих из энергосистемы, и от синхронных электродвигателей, число и мощность которых на современных крупных предприятиях велики и имеют тенденцию к дальнейшему увеличению. Строить схемы таких подстанций и выбирать аппараты надо таким образом, чтобы по возможности избегать установки на вторичном напряжении громоздких и дорогих выключателей типа МГГ, МГ и других и не применять индивидуального реактирования на каждой отходящей линии, так как это вызывает значительное конструктивное усложнение и удорожание электрической и строительной части ГПП и ПГВ. Более целесообразны схемы с групповыми реакторами (рис. 7-1, 7-2) в цепях вторичного напряжения трансформаторов, на вводах питающих линий, на отходящих линиях или на ответвлениях от шинных магистралей. Расчеты показали, что при сдвоенных расщепленных реакторах с реактивностью ветвей до 7,5—10% в практически встречающихся случаях изменения суточных графиков нагрузок на промышленных предприятиях колебания напряжения на секциях шин получаются в допустимых пределах. При сдвоенных расщепленных реакторах параллельная работа трансформаторов применяться не должна.
Рис. 7-1. Присоединение токопроводов.
а — через отдельный выключатель; б — через отдельную обмотку трансформатора.
Применение трансформаторов с расщепленными обмотками упрощает схему коммутации и уменьшает объем строительно-монтажные работ по сравнению со схемой с групповыми и тем более с индивидуальными реакторами. Эти трансформаторы имеют повышенное напряжение к. з., что в некоторых случаях позволяет отказаться от реактирования.
Рис. 7-2.Схема ГПП с трех обмоточными трансформаторами с двумя системами шин на напряжениях 6 и 35 кВ.
Для уменьшения рабочего тока аппаратов токопроводы 6—10 кВ подключаются непосредственно к трансформатору через отдельные выключатели. Благодаря этому разгружаются вводные выключатели, присоединяемые к сборным шинам, и создается независимое питание токопроводов (рис. 7-1, а), что -значительно повышает надежность электроснабжения. Еще более рациональным решением является подключение токопровода к одной из расщепленных обмоток трансформатора (рис. 7-1, б), но это решение может быть применено при примерно равномерном распределении нагрузок между токопроводом и сборными шинами. При отсутствии отбора энергии помимо токопроводов может быть применена схема блока трансформатор-токопровод 6— 10 кВ.
Выключатели на вводах 6—10 кВ и для секционирования шин предусматриваются: при необходимости автоматического замещения ввода; по условиям релейной защиты; при параллельной работе вводов; на крупных подстанциях мощностью 5000—10000 кВ-A и выше. Вводные и межсекционные разъединители применяются сравнительно редко на неответственных подстанциях небольшой мощности, При отсутствии АВР. При двух рабочих секциях шин резервные вводы и трансформаторы присоединяются через «вилку» или через третью секцию шин, располагаемую между рабочими секциями. Линейные разъединители предусматриваются лишь на тех присоединениях, по которым возможно появление обратного напряжения со стороны потребителя. На всех присоединениях, по которым появление обратного напряжения совершенно исключено, установка разъединителей не предусматривается.
Схемы с двумя системами шин хотя и обладают гибкостью и универсальностью, но дороги, сложны в эксплуатации и требуют сложных блокировок.
Двойная система шин на промышленных предприятиях применяется только на мощных подстанциях ответственного назначения, например на очень крупных узловых подстанциях больших заводов с развитой электрической сетью, с большим количеством присоединений и наличием связей и транзитных линий, на крупных преобразовательных подстанциях, а также в тех случаях, когда это требуется по режиму эксплуатации, например при необходимости разделения источников питания, осуществления различных группировок цепей и присоединений, выделения отдельных потребителей или же когда резервирование питания нагрузок I категории не может быть достигнуто при секционированной одной системе шин. Необходимость двух систем шин тщательно обосновывается и согласовывается в каждом отдельном случае.
При применении двойной системы шин одна из них обычно разделяется на секции, а другая выполняется несекционно. Следует иметь в виду, что две системы шин, если одна из них (рабочая) не секционирована, не являются независимыми источниками питания как по существу, так и по определению независимого источника, приведенному в § 1-2-7 ПУЭ. Для повышения надежности и удовлетворения требований ПУЭ нужно в этом случае разделить нее отходящие линии между двумя системами шин, которые будут являться как бы двумя секциями сборных шин, а шиносоединительный выключатель будет играть роль сек ционного. Последний может быть или постоянно отключен и автоматически включаться, или же постоянно включен и автоматически отключаться при аварии. Такую систему называют системой с фиксированным присоединением линий. При таком режиме работы схемы даже при повреждении одной системы шин отключается только половина потребителей, которая затем может быть переключена на вторую, здоровую систему шин и питание полностью восстановится.
На рис. 7-2 приведена схема крупной ГПП с трехобмоточными трансформаторами 110/35/6 кВ, с двумя системами шин на напряжениях 6 и 35 кВ. На напряжении 110 кВ принята упрощенная схема блока линия — трансформатор. Рабочая система шин 6 кВ секционирована. На линиях 6 кВ применены групповые расщепленные реакторы.
Схемы с одной системой шин применяются главным образом на распределительных подстанциях (РП), в распредустройствах вторичного напряжения ГПП, на средних и крупных цеховых подстанциях, от которых, кроме трансформаторов, питаются также электродвигатели высокого напряжения, электропечи, и на других установках с электроприемниками высокого напряжения, например на насосных, компрессорных и воздуходувных станциях, газогенераторных и т. п. Схемы с одной системой шин применяются также на шинах первичного напряжения ГПП, когда невозможно применить блочные схемы без выключателей и без сборных шин, описанные ниже. При одной системе шин сокращается число коммутационных операций и возможных при этом ошибок. Разъединители не являются оперативными и служат лишь для снятия напряжения с выключателя на время его ревизии или ремонта и поэтому серьезных последствий от ошибок при оперировании с ними не бывает, как это может иметь место при двух системах шин. К тому же они снабжены надежной и простой механической блокировкой с выключателями, которая практически исключает ошибочные операции. Схему с одной системой шин легче автоматизировать, чем с двойной системой. Все это увеличивает надежность подстанций с одной системой шин.
Схемы с одной системой шин подразделяются на секционированные и несекционированные. Последние пригодны только для питания неответственных потребителей III категории.
На рис. 7-3 приведены примеры схем подстанций с одной секционированной системой шин. Одна из наиболее ответственных линий (рис, 7-3,б) может быть подключена к любой секции шин, что обеспечивает ее бесперебойное питание при всех режимах работы подстанции.
Рис. 7-3. Примеры схем подстанции с одной секционированной системой шин.
а — ответственная цеховая подстанция средней мощности с АВР на секционном выключателе; б — крупный РП с АВР на секционном выключателе.
На рис. 7-4 представлена схема мощной двухтрансформаторной ГПП с расщепленными реакторами -в цепях трансформаторов, с одной системой шин вторичного напряжения 6 кВ, разделенной на шесть секций, каждая из которых подключена через отдельную ветвь расщепленного реактора, что позволило снизить токи к, з, до необходимых значений и обойтись без индивидуального реактирования линий. Крупный синхронный двигатель 12 000 кВт с ударной нагрузкой питается непосредственно от трансформаторов, минуя сборные шины, что обеспечило снижение колебаний напряжения у прочих потребителей, подключенных к подстанции. Надежное питание этого двигателя обеспечено присоединением его к двум разным трансформаторам.
Прочие ответственные, но менее крупные двигатели мощностью 2000—4100 кВт со спокойным режимом работы подключены к сборным шинам; для бесперебойности питания этих ответственных двигателей каждый из них подключен к двум секциям шин.
Такая схема с развитым групповым реактированием и секционированием полностью обеспечивает надежное питание всех потребителей при одной системе сборных шин и ограничивает ток к. з. в сетях 6 кВ до пределов коммутационной способности выключателей ВМГ или вмп.
Рис. 7-5. Рекомендуемые схемы включения выключателя нагрузки, а — линии; б — трансформаторы.
Схемы с обходной системой шин на промышленных предприятиях применяются сравнительно редко, когда необходимы маневренность и гибкость оперативных переключений, а также когда требуется частая ревизия выключателей по характеру их работы Обходная система шин дает возможность вывести в ревизию или в ремонт любую рабочую систему шин и любой выключатель без перерыва питания. Ее можно присоединить к любой из основных систем шин через обходной выключатель. Согласно нормам технологического проектирования подстанций [7-1] на узловых распределительных подстанциях (УРП) 110—220 кВ районного значения при наличии транзитных линий следует применять одну секционированную рабочую систему шин и обходную систему, если число присоединений не превышает шести. Если же на данной УРП преобладают так называемые «парные», взаиморезервируемые линии или же имеется возможность резервирования объектов, питаемых этими линиями от других источников, то одиночную секционированную рабочую систему шин с обходной шиной можно применить уже при числе присоединений до десяти. И лишь в том случае, если число присоединений превысит указанные значения, следует применять более сложную двойную систему шин плюс обходную систему. В число присоединений входят как линии, так и трансформаторы.
При числе присоединений до шести допускается в целях экономии не предусматривать специального обходного выключателя, а использовать для этой цели секционный или соответственно шиносоединительный выключатели в тот период, когда они не используются по своему прямому назначению. Такая схема дает значительную экономию без ущерба для удобства и надежности эксплуатации. На небольших УРП (при числе отходящих линий до четырех) допускается -подключать трансформаторы мощностью до 63 МВ·А при помощи отделителей. При отсутствии транзитных линий на УРП следует применять блочные схемы. На УРП промышленных предприятий следует преимущественно применять одну систему шин с обходной шиной. Она в большинстве случаев будет удовлетворять требованиям [7-1] по числу присоединений, так как почти все линии глубоких вводов, присоединяемых к УРП, взаиморезервируются или же имеют другие источники резервирования. При этой схеме каждый выключатель обслуживает только одну цепь. Разъединители служат только для снятия напряжения с оборудования и отдельных цепей и не используются как оперативные аппараты, нет сложных блокировок. Эту схему легче автоматизировать, чем двойную систему шин и она является более надежной.
Рис. 7-6. Узловая распределительно-трансформаторная подстанция 110—220 кВ с обходной системой шин.
Одним из характерных примеров применения обходной системы шин на подстанциях промышленных предприятий являются мощные печные подстанции. На этих подстанциях происходят частые коммутационные операции, а выпускаемые выключатели не удовлетворяют этим условиям в контактной и механической частях. Они быстро выходят из строя и поэтому требуют частых ревизий, смены масла, зачистки контактов и т. п. Такую схему можно применить также на подстанциях, питающих крупные электродвигатели с частыми пусками. На рис. 7-6 показана схема крупной узловой подстанции промышленного предприятия с обходной системой шин и двумя рабочими. Часть энергии, поступающей от энергосистемы, трансформируется на напряжение 6 или 10 кВ для питания ближайшего района, а остальная энергия распределяется по линиям глубоких вводов 110—220 кВ (воздушным или кабельным) в более удаленные районы предприятия.
Рис. 7-7. Схемы подстанций 35—220 кВ без сборных шин на первичном напряжении с применением отделителей и короткозамыкателей.
Схемы подстанций 35—110 кВ без сборных шин на первичном напряжении. Существует много разновидностей упрощенных схем подстанций без сборных шин на напряжении 35—220 кВ, применяемых в зависимости от их мощности и назначения, от схемы питания, удаленности от питающего источника, характера и режима работы подключенных электроприемников (рис. 7-7). Наиболее дешевыми являются схемы с отделителями и короткозамыкателями. Из них более надежны радиальные схемы с минимумом коммутационных аппаратов.
Принцип действия схем с отделителями и короткозамыкателями описан в [1-9]. Передача отключающего импульса 3 может быть осуществлена по (проводам воздушной линии электропередачи с помощью высокочастотной аппаратуры (ВЧТО-М) по воздушным проводным линиям, УКВ радиоканалу, кабелям связи (при небольших расстояниях).
Схемы с выключателями 110—220 кВ (рис. 7-8) более дорогие, чем с отделителями и короткозамыкателями. Обоснованиями для их применения могут явиться:
условия самозапуска электродвигателей, когда время действия АПВ при схеме с отделителями не удовлетворяет этим условиям;
усложнение защиты и автоматики при применении отделителей при наличии подпитки места короткого замыкания на линии 110—220 кВ или на ответвлении от нее при двустороннем питании [1-9].
Схемы с выключателями применяются также в следующих случаях:
при включении трансформаторов в «рассечку» транзитных линий или линий с двусторонним питанием;
при включении трансформаторов в «рассечку» транзитных линий или линий с двусторонним питанием;
когда по техническим причинам не могут быть применены короткозамыкатели, а стоимость устройств и кабелей для передачи отключающего импульса велика или же импульс не может быть применен.
При напряжении 35 кВ и небольшой мощности к. з., не превышающей параметров выключателей типа С-35 (см. рис. 7-8), целесообразно применять выключатели независимо от сказанного выше, так как существенного перерасхода средств при этом не получится, а в эксплуатационном отношении схема с выключателями имеет преимущества.
Перемычки (мостики) между питающими линиями нужно -применять лишь при наличии существенных обоснований их целесообразности, например для обеспечения эксплуатационных переключений.
Рис. 7-9. Схема типовой двухтрансформаторной подстанции 110/6— 10 кВ с короткозамыкателями и отделителями.
Схемы с предохранителями 35 и 110 кВ не нашли применения на промышленных предприятиях вследствие небольшой отключаемой мощности, малой чувствительности при перегрузках и большого разброса защитных характеристик.
Число подстанций, присоединяемых к магистральным линиям 35—220 кВ, выбирается исходя из экономических соображений, требуемой степени надежности, действия релейной защиты, а также с учетом характера питаемых потребителей. Не рекомендуется присоединять к одной линии более трех-четырех подстанций при мощности трансформаторов до 32 ΜΒА и более двух-трех подстанций с трансформаторами большей мощности.
Схемы цеховых трансформаторных подстанций напряжением 6—20/0,38—0,66 кВ без сборных шин на первичном напряжении.
Цеховые трансформаторные подстанции напряжением 6—20/0,38 «В в большинстве случаев выполняются без сборных шин первичного напряжения как при радиальном, так и при магистральном питании, если к этим подстанциям не присоединены электроприемники или линии высокого напряжения. При радиальном питании этих подстанций кабельными линиями по схеме блока линия — цеховой трансформатор обычно применяется глухое присоединение трансформаторов. Установка перед трансформатором коммутационного аппарата (разъединителя, выключателя нагрузки, масляного выключателя) требуется при питании от источника, находящегося в ведении другой эксплуатирующей организации, на подстанциях, значительно (3—5 км) удаленных от питающего пункта (например, на береговых насосных), при питании подстанции по воздушной линии.
При питании цеховых сетей напряжением до 1000 В по схеме блока трансформатор — магистраль без сборных шин на напряжении до 1000 В на подстанции необходимо предусматривать возможность быстрого отключения -магистрали дежурным персоналом при аварии, пожаре, несчастных случаях с людьми и т. п.
При магистральном питании на вводе к цеховому трансформатору в большинстве случаев устанавливают предохранители в комплекте с выключателем нагрузки или с разъединителем, обеспечивающие селективное отключение при повреждении или ненормальном режиме работы трансформатора (рис. 7-11). Глухое присоединение Трансформатора к магистрали применяется редко, так как повреждение в нем при такой схеме приведет к отключению всей магистрали выключателем на головном ее участке и при этом потеряют питание все другие присоединенные к ней подстанции.
Рис 7-10. Схема цеховой подстанции 6—10 кВ без сборных шин высокого напряжения при магистральном питании.
Глухое присоединение допустимо и иногда применяется на двухтрансформаторных подстанциях, когда при отключении одной магистрали, например № 1, обеспечивается питание по другой параллельной магистрали № 2, питающей вторые трансформаторы на подстанциях. При этом мощность каждого трансформатора рассчитывается на питание всех ответственных потребителей на время, необходимое для отключения аварийного трансформатора и восстановления питания остальных трансформаторов по первой магистрали. Возможность глухого присоединения трансформатора к магистрали должна проверяться с точки зрения чувствительности защиты головного участка магистрали к внутренним повреждениям трансформаторов (например, витковые замыкания обмоток).
Подсоединение к подстанции самой магистрали может быть выполнено различным образом и зависит от типа и выполнения магистрали, назначения и мощности подстанции, степени резервирования питания и других факторов и может быть правильно решено лишь при проектировании общей схемы электроснабжения [1-9].
