При проектировании и эксплуатации электрических сетей и вообще при анализе их работы весьма существенную роль играют схемы соединений линий и подстанций. Обеспечение надежного и экономичного снабжения потребителей электроэнергией требуемого качества зависит в значительной степени от используемых схем соединений линий и подстанций. При проектировании линий обязательно должны выбираться принципиальные схемы подстанций, а при проектировании подстанций должны быть известны схемы линий. При эксплуатации систем электроснабжения потребителей также должны учитываться имеющиеся схемы соединений линий и подстанций.
В электрических сетях используются различные типы схем соединений линий и подстанций. Выбор тех или иных схем зависит от конструктивного выполнения линий и подстанций, протяженности линий и передаваемой по ним мощности нагрузки, характера питаемых по сети потребителей и требований, предъявляемых ими в отношении надежности электроснабжения и т. д. (см. § 6-6). Ниже приводятся краткие сведения о некоторых типовых схемах соединений линий и подстанций.
Электрические сети снабжаются отключающими аппаратами: сети напряжением до 1 000 в —рубильниками, плавкими предохранителями и автоматами, а сети более высокого напряжения—выключателями, разъединителями, отделителями и плавкими предохранителями (см. [Л. 3] и др.). Рубильники, автоматы, выключатели служат для оперативного включения и отключения цепей. Разъединители и отделители допускают включение и отключение цепей при сравнительно малых токах нагрузки, обычно не более нескольких ампер, например токов холостого хода силовых трансформаторов.
При перегрузках и коротких замыканиях ЦвПн низкого напряжения автоматически отключаются предохранителями или автоматами. В цепях высокого напряжения для этой цели применяются выключатели, снабженные соответствующей релейной защитой, а при относительно небольших нагрузках и предохранители.
Схемы соединений оборудования подстанций должны быть согласованы со схемами соединения линий и должны удовлетворять требованиям обеспечения надежности и экономичности сети в целом. Для снижения стоимости электрических сетей и затрат цветного металла и стали на их сооружение в настоящее время широко применяют упрощенные схемы сетей, снабженные различными автоматическими устройствами, повышающими надежность их работы.
Рис. 1-12. Схемы разомкнутых нерезервированных распределительных сетей.
Районные, промышленные, сельские, городские и другие сети имеют свои особенности. Ниже рассмотрены лишь принципиальные схемы, общие для сетей (различных видов.
Схемы разомкнутых нерезервированных электрических сетей являются наиболее простыми и дешевыми. На рис. 1-12,а приведена схема такой сети напряжением 6—20 кВ. Со стороны источника питания И она снабжена выключателем В с соответствующей релейной защитой. Трансформаторы Т защищаются плавкими предохранителями П. Каждый участок линии присоединяется через разъединители Р. Существенным недостатком этой схемы сети является то, что при отключении ее головного участка вг все потребители, присоединенные к данной линии, теряют питание на время устранения повреждения.
Нерезервированные разомкнутые сети применяются для электроснабжения менее ответственных потребителей. Наиболее широкое применение они находят в распределительных сетях в сельских и городских районах с коммунально-бытовой нагрузкой. Следует иметь в виду, что нерезервированные разомкнутые схемы целесообразнее применять в воздушных сетях, чем в кабельных. Ремонт ВЛ производится относительно быстро, в течение нескольких часов. При эксплуатации ВЛ легче обеспечить меньшую продолжительность перерыва электроснабжения потребителей за счет относительно несложных мероприятий: подвески тросов, применения автоматического повторного включения, выполнения ремонтных работ под напряжением (см. § 5-5)-. В случаях повреждения одной из фаз линий возможна временная работа двумя фазами (см. гл. 3). Учитывая изложенное, нерезервированные разомкнутые ВЛ применяют и в питающих сетях напряжением 110, а иногда и 220 кВ.
Для ВЛ часто применяют более дешевое присоединение потребителей при помощи ответвлений от линии. Такая схема для ВЛ напряжением 6—20 кВ изображена на рис. 1-12,6. В ней присоединение трансформатора Т производится через один разъединитель вместо трех, как это имеет место на схеме рис. 1-12,о. Однако меньшее количество аппаратов приводит и к меньшему удобству схемы рис. 1-12,6 в эксплуатации. При ремонте каждого из участков линии, например участка аб, приходится отключать всю линию. В кабельных сетях применение этой схемы нецелесообразно, поскольку ремонт этих линий может быть достаточно продолжительным и достигать нескольких суток.
Схемы разомкнутых резервированных и замкнутых электрических сетей применяются для электроснабжения ответственных потребителей. Вопрос о целесообразности сооружения разомкнутых или замкнутых схем сети решается на основании технико-экономических расчетов (см. § 6-2). При этом следует иметь в виду, что стоимость оборудования подстанций и прежде всего стоимость выключателей, весьма существенно влияет на выбор схемы сети. Для примера укажем, что один выключатель напряжением 110 кВ стоит около 25 тыс. руб., а разъединитель или отделитель на то же напряжение около 2 тыс. руб., т. е. во. (много раз меньше. В связи с этим в настоящее время в сетях 110—220 кВ большое распространение получили упрощенные схемы подстанций без выключателей или с очень ограниченным количеством выключателей на стороне высшего напряжения подстанции. Однако применение более простых и дешевых схем подстанций предъявляет значительно большие требования к устройствам релейной защиты и автоматики. В ряде случаев оказывается, что защита и эксплуатация резервированных сетей с упрощенными схемами подстанций настолько усложняется, а надежность электроснабжения снижается, что приходится отказываться от таких схем. Проиллюстрируем сказанное на примерах.
В случае разомкнутых резервированных сетей в одном направлении обычно прокладывают две линии. На рис. 1-13 изображены простейшие схемы такой сети для питания одной подстанции, на которой установлено два трансформатора. Нормально линии и трансформаторы работают раздельно, каждая цепь питает свою нагрузку. При повреждении одной из цепей она отключается выключателями В с двух сторон и питание соответствующей нагрузки временно прекращается. Немедленно срабатывает устройство автоматического ввода резерва (АВР), включающее секционный выключатель ВС на стороне первичного напряжения (рис. 1-13,а) или из стороне вторичного напряжения (рис. 1-13,6) трансформатора. После этого питание потребителей полностью восстанавливается (если достаточна мощность трансформаторов). Перерыв в электроснабжении равен времени отключения поврежденной цепи защитой и включения выключателя ВС устройством АВР, т. е. не более 2-3 сек. Схема может работать и без устройства АВР. Тогда вместо выключателя ВС используют нормально отключенный разъединитель Р. В этом случае питание потребителей восстанавливается оперативным персоналом вручную, что требует значительно большего времени, особенно при отсутствии дежурного персонала на подстанции.
Выезд оперативной бригады на место может потребовать до 1—2 ч. Схема сети, изображенная на рис. 1-13,6, требует меньше аппаратуры по сравнению со схемой рис. 1-13,а и, следовательно, является более дешевой. Однако релейная защита этой схемы является более сложной; в ряде случаев для обеспечения надежной работы защиты в схеме рис. 1-13,6 приходится включать дополнительные аппараты—короткозамыкатели и др. Подробнее об этом см. [Л. 3] и рис. 1-14.
Рис. 1-13. Схемы разомкнутых резервированных
a — схема с АВР на стороне высшего напряжения; б — схема с АВР на стороне низшего напряжения.
Для нескольких подстанций, расположенных в одном направлении, применяют схемы сквозных магистралей. На рис. 1-14 изображены две линии сети, отходящие от шин источника питания. К ним присоединены три понижающие подстанции. В целях иллюстрации все подстанции имеют различные схемы. Трансформаторы подстанции 1 присоединены к линиям сети через выключатели, трансформаторы подстанции 2—по более дешевой схеме без выключателей. Для обеспечения надежной работы защиты сети на подстанции 2 установлены короткозамыкатели КЗ ц отделители О.
Рис. 1-14. Разомкнутая резервированная сеть для питания нескольких потребителей.
Если повреждена линия, например Λί, она отключается выключателем В1 на шинах источника питания и выключателями В2 на стороне вторичного напряжения всех подстанций. На секционном выключателе ВС работает устройство АВР, и питание всех потребителей восстанавливается. Если количество подстанций, присоединяемых к линиям по рассматриваемой схеме, превышает две-три, то эксплуатация сети затрудняется, а надежность ее работы снижается. Это связано с большим количеством участков сети, которые могут повреждаться более часто. Кроме того, они должны ремонтироваться. В то же время при ремонте или повреждении каждого из участков должна быть отключена целиком соответствующая линия. Это увеличивает вероятность одновременного отключения обеих линий и полного ожесточения потребителей. Для предотвращения этого ряд подстанций, присоединяемых к линиям Л1 и Л2, выполняют по более сложным схемам. В качестве примера указана схема подстанции 3, где каждый элемент сети — линия, трансформатор присоединен через отдельный выключатель. В этом случае при повреждении линии Л1 она отключается выключателем В1 на шинах источника я выключателем ВЗ на подстанция 3, т. е. не на всем ее протяжении, а на участке И—п/ст. 3.
Рис. 1-15. Схема кольцевой сети.
Разомкнутые резервированные схемы сети обычно применяют в тех случаях, когда объединение на параллельную работу линий и трансформаторов невозможно из-за больших значений токов короткого замыкания, которые не могут быть отключены установленными в сети аппаратами. Недостатками таких сетей являются: а) относительно большие потери мощности и энергии в сети (по сравнению с потерями в замкнутых схемах сети, работающих при одинаковых напряжениях источников питания); б) значительная стоимость сети вследствие большого запаса по пропускной способности, который используется лишь в аварийных режимах работы; в) наличие, хотя и непродолжительного перерыва в подаче
энергии, что может быть неприемлемо для ряда потребителей. Достоинствами разомкнутых резервированных схем являются: а) простота защиты; б) наглядность схемы; в) возможность приключения отдельных линий к различным шинам источника питания или даже к разным источникам; г) удобство применения при развитии
Рис. 1-16. Линия с двусторонним питанием.
и реконструкции существующих сетей. Различные варианты таких сетей находят широкое применение в питающих и распределительных сетях.
Рис. 1-17. Сложнозамкнутая схема питающей сети.
Схемы замкнутых сетей могут быть весьма разнообразны в зависимости от местных условий. Простейшими замкнутыми сетями являются кольцевые сети (рис. 1-15 или схема на рис. 1-13 при параллельной работе линий) и линия с двусторонним питанием (рис. 1-16) 1. В этих схемах каждая нагрузка в нормальном режиме может питаться с двух сторон. При повреждениях на любом из головных .участков сети питание не прекращается, а происходит по другому, оставшемуся в работе головному участку линии. В связи с этим пропускная способность каждого головного участка должна быть рассчитана на полную нагрузку всей сети. Это же относится к мощности источников питания в линии с двусторонним питанием. Все это увеличивает расход цветного металла на сеть и затраты на ее сооружение. В замкнутых сетях в нормальном режиме каждая нагрузка может питаться по кратчайшему пути. Поэтому потери мощности и энергии в них при заданных параметрах сети и ее нагрузках и при одинаковых напряжениях источников питания могут быть наименьшими.
Для снижения величины запаса пропускной способности применяют более сложные схемы замкнутых сетей. На рис. 1-17 изображен схематически участок сложнозамкнутой схемы питающей сети.
Рис 1-18. Петлевая схема распределительной сети.
При питании замкнутых сетей от разных источников, имеющих различные значения напряжений по величине и по фазе, в замкнутой сети возникают уравнительные токи. При этой могут увеличиваться потерн мощности и энергии и ухудшаться экономические показатели работы замкнутой сети по сравнению с работой ее при одинаковых напряжениях источников. Поэтому замкнутые сети предпочитают питать от шин одного источника или с разных секций шин одного источника. Желательно также, чтобы они были более однородными.
Защита замкнутых сетей более сложна, чем разомкнутых. В отдельных случаях возможны неправильные, неселективные действия защиты в замкнутых сетях. Более сложные схемы замкнутых сетей менее наглядны, что иногда затрудняет отыскание персоналом места повреждения в сети. Для упрощения защиты распределительные замкнутые сети (промышленные, городские) часто эксплуатируют по разомкнутым, так называемым петлевым схемам.
1 Для простоты на схемах рнс. 1-15 и далее не показаны отключающие аппараты.
Замкнутые схемы, так же как и разомкнутые резервированные, находят достаточно широкое применение в питающих сетях. За рубежом они часто применяются и в распределительных сетях. В настоящее время не может быть рекомендовано единой схемы сети, пригодной для всех возможных условий. Целесообразность выбора той или иной схемы сети зависит от величины и месторасположения нагрузок, от категории потребителей, от конструктивного выполнения применяемой сети и т. п. Выбор, схемы сети для конкретных заданных условий производят на основании технико-экономического сравнения различных вариантов схем, которые могут быть целесообразны в данных условиях (см. гл. б).
Роль защиты и автоматики в работе электрических сетей очень велика. При надлежащем выборе этих устройств может быть существенно повышена надежность электроснабжения потребителей, улучшены технико-экономические показатели сооружения и эксплуатации сети.
Устройства релейной защиты должны реагировать на параметры режима защищаемого элемента сети. Если происходит недопустимое изменение этих параметров в случае повреждения или ненормального режима, устройство защиты должно срабатывать и воздействовать на отключение соответствующих выключателей или на включение информирующей персонал сигнализации.
Устройства системной автоматики предназначены для управления режимами работы системы и регулирования их параметров. Они широко применяются в электрических системах. С их помощью достигается существенное повышение надежности и экономичности работы систем электроснабжения потребителей.
Основными типами автоматических устройств, используемых в целях повышения надежности электроснабжения потребителей, являются: а) автоматическое включение резервных источников питания (АВР), см., например, схемы сети на рис. 1-13; б) автоматическое повторное включение (АПВ) линий, трансформаторов и шин, отключенных соответствующей защитой при появлении на них преходящих коротких замыканий, которые самоликвидируются после снятия напряжения с элемента; в) автоматическая частотная разгрузка (АЧР) системы при возникновении в ней дефицита активной мощности, например, при отключении источников питания значительной мощности; при этом часть потребителей временно отключается, а остальные работают с приемлемыми параметрами режима. После включения резервных источников питание всех потребителей восстанавливается. При отсутствии АЧР при этом могло бы возникнуть нарушение устойчивости параллельной работы электростанций системы и прекращение питания всех потребителей.
Устройства автоматики применяют также для автоматического регулирования напряжения. С помощью автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) изменяют ток возбуждения, а следовательно, и напряжение на зажимах синхронных генераторов, компенсаторов и двигателей. Автоматические регуляторы напряжения (АРН) используют для переключения под нагрузкой регулировочных ответвлений трансформаторов и автотрансформаторов с РПН, линейных регуляторов и для изменения числа включенных конденсаторов в управляемых конденсаторных батареях. Устройства автоматики используют также для регулирования частоты и экономического распределения мощности между генераторами электростанций системы.
При проектировании электрических сетей необходимо учитывать наличие устройств защиты и автоматики, наиболее полно их использовать и правильно формулировать требования, предъявляемые к этим устройствам.
