Общие требования к схемам и надежности электроснабжения

При построении схем систем передачи и распределения электроэнергии ре­шаются основные задачи выбора схем выдачи мощности новых (реконструируе­мых) электростанций, мест размещения новых подстанций и схем их присоедине­ния к существующим (проектируемым) сетям, схем электрических соединений электростанций и подстанций, мест размещения компенсирующих и регулирую­щих устройств.

При построении схем системы передачи и распределения электроэнергии можно условно разделить на системообразующие и распределительные электри­ческие сети.

К системообразующим относят электрические сети, которые объединяют электрические станции и крупные узлы нагрузки. Они предназначены для переда­чи больших потоков мощности и выполняют функции формирования энергосис­темы как единого объекта. Системообразующие сети выполняют на напряжения 330, 500 и 750 кВ, обеспечивая тем самым их большую пропускную способность. Назначение распределительных сетей — передача электроэнергии от подстанций системообразующей сети к центрам питания сетей городов, промышленных пред­приятий и сельской местности. К первой ступени распределительных сетей отно­сятся сети напряжением 220, 110 и 35 кВ, а ко второй — сети 20,10 и 6 кВ. Конеч­но, такое деление сетей на системообразующие и распределительные достаточно условное. При относительно небольшой мощности энергосистемы сети напряже­нием 220 кВ, а иногда и 110 кВ могут выполнять системообразующую роль. По мере увеличения плотности нагрузок часть сетей утрачивают системное значение, превращаясь в распределительные. Обычно это происходит в результате «над­стройки» сети более высокого напряжения на существующую сеть.

При разработке схем сети важно обеспечить преемственность на временном уровне, то есть возможность перехода от предшествующего состояния сети в по­следующее состояние. Это оказывается возможным лишь в том случае, если при выборе предшествующих решений производится оценка их влияния на после­дующее развитие сети и, наоборот, оценивается влияние последующих решений на первоочередные решения.

Возможные варианты конфигураций и схем электрических сетей зависят от многих факторов: географических условий территории, мест расположения ис­точников энергии и предполагаемых потребителей и др. Поэтому число вариантов развития сети может быть очень большим. Для отбора ряда наиболее экономич­ных вариантов на основе формализованного подхода к построению конфигурации сети предлагаются специальные оптимизационные модели. Однако из-за их несовершенства они могут быть использованы лишь в качестве «советчика» проектировщика. Технико-экономическую оценку отработанных вариантов предлагается осуществлять с использованием оценочных моделей.

В соответствии с [6] к схемам электрических сетей предъявляются следую­щие требования:

1. Обеспечение необходимой надежности. Имеются два принципиальных подхода к оценке надежности схем сетей. Первый опирается на нормативные до­кументы [12,65], в которых все электроприемники по требуемой степени надеж­ности разделяются на три категории (см. параграф 12.4). Для электроснабжения потребителей каждой из категорий предъявляются соответствующие требования к схемам (питание от одного, двух и т. д. независимых источников). Реализация этого подхода при формировании схем сетей формально не представляет затруд­нений. Однако к узлам сети, как правило, подключаются потребители, относя­щиеся к различным категориям. При этом, если ориентироваться на наименее от­ветственных потребителей, т. е. выбирать наиболее простую и, следовательно, наиболее дешевую схему, то не будут обеспечены требуемым уровнем надежно­сти электроснабжения наиболее ответственные потребители. Если же при выборе схемы ориентироваться на них, то это может привести к неоправданному услож­нению и удорожанию схемы сети.

Второй подход предполагает экономическую (количественную) оценку ущерба от недоотпуска электроэнергии (см. параграф 12.4). Его рекомендуют ис­пользовать прежде всего в тех случаях, когда сравниваемые варианты схем сети существенно отличаются по надежности электроснабжения, а также для оценки эффективности мероприятий, направленных на повышение надежности. Недоста­ток такого подхода заключается в неоднозначности численных значений удель­ных ущербов от недоотпуска электроэнергии потребителям, несмотря на то, что их определению посвящено достаточно большое количество научных работ.

Идеология обеспечения необходимой надежности схем сетей требует пере­смотра при переходе от плановой к рыночной экономике. Понятие «народнохо­зяйственного» ущерба от перерывов электроснабжения, использовавшееся в усло­виях плановой экономики, в какой-то мере должно быть скорректировано. Дейст­вительно, при наличии новых негосударственных форм собственности потребите­лю выгодно требовать от энергосистемы как можно более высокой степени на­дежности электроснабжения, не неся при этом каких-либо финансовых затрат. В то же время энергосистема вынуждена нести дополнительные капитальные затра­ты и ежегодные издержки на резервные элементы (например, прокладка двух па­раллельных линий вместо одной). При этом, как правило, в нормальном режиме не используется вся пропускная способность сети, что фактически приводит к «омертвлению» капиталовложений. Один из путей решения данной проблемы за­ключается в учете требуемой потребителем степени надежности в тарифе на элек­троэнергию, т. е. оплата энергосистеме за обеспечение надежности электроснаб­жения.

2. Обеспечение нормируемого качества электроэнергии. Действующий стандарт на качество электроэнергии устанавливает нормативные допустимые отклонения напряжения на зажимах электроприемников ± 5 % и предельно допус­тимые отклонения напряжения ± 10 % (см. параграф 10.3). Вероятность появления отклонений напряжения между нормативными допустимыми и предельно допус­тимыми не должна превышать 0,05. Очевидно, что при проектировании системо­образующих сетей, а также распределительных сетей напряжением 220—35 кВ невозможно контролировать отклонения напряжения у каждого электроприемни­ка. Поэтому контроль осуществляется на каждой ступени напряжения. Длительно допустимые рабочие напряжения установлены по условию нормальной работы электрооборудования (табл. П 1.2). Однако, в проектных расчетах на эти напря­жения ориентируются лишь в сетях 750—330 кВ, так как допустимые значения незначительно превышают номинальные напряжения.

В сетях 220—35 кВ схемы и параметры формируют обычно так, чтобы на­пряжения в любой точке сети в нормальных режимах составляли 1,1—1,0 от но­минального напряжения. При таких условиях за счет устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) трансформаторов оказывается возможным обеспечивать режим встречного регулирования напряжения на шинах 10—6 кВ подстанции в пределах 1,1—1,0 или 1,05—1,0 номинального напряжения. Тогда требования по обеспечению допустимых отклонений на зажимах электроприем­ников могут быть выполнены при проектировании сетей 10—6 кВ за счет соот­ветствующего выбора их схем и параметров.

3. Достижение гибкости сети. Здесь подразумевается два аспекта. Первый предполагает, что схема сети должна быть приспособлена к обеспечению переда­чи и распределения мощности в различных режимах, в том числе в послеаварийных при отключении отдельных элементов. Второй аспект выражает требование создания такой конфигурации сети, которая позволяет ее последующее развитие без существенных изменений созданной ранее сети.

4. Максимальное использование существующих сетей. Это требование соче­тается с предыдущим (гибкость сети) и отражает то, что сеть должна представлять собой динамически развивающийся объект.

5. Обеспечение максимального охвата территории. Сущность этого требо­вания заключается в том, что конфигурация сети должна позволять подключение к ней всех потребителей, расположенных на данной территории, независимо от ведомственной подчиненности и форм собственности.

6. Обеспечение оптимальных уровней токов короткого замыкания. В схеме сети, с одной стороны, токи короткого замыкания должны быть достаточны по значению для реагирования на них устройств релейной защиты, а с другой — ог­раничены с целью возможности использования выключателей с меньшей отклю­чающей способностью. Для ограничения токов короткого замыкания рассматри­вается комплекс путей: применение трансформаторов с расщепленными обмотка­ми и токоограничивающих реакторов, секционирование основной сети энергосис­темы, шин электростанций и подстанций и др.

7. Обеспечение возможности выполнения релейной защиты, противоаварийной и режимной автоматики. Данное требование связано с оптимизацией то­ков короткого замыкания и различными допустимыми режимами.

8. Создание возможности построения сети из унифицированных элемен­тов. Применение унифицированных элементов линий электропередачи и под­станций позволяет снизить стоимость сооружения проектной схемы сети. Поэто­му целесообразно применять технически и экономически обоснованное мини­мальное количество схем новых решений.

9. Обеспечение условий охраны окружающей среды. Это требование при по­строении схемы сети может быть выполнено за счет уменьшения отчуждаемой территории путем применения двухцепных и многоцепных линий, в том числе повышенной пропускной способности, простых схем подстанций и т. п.

При построении схем используется большое многообразие конфигураций электрических сетей. Условно их можно разделить на радиальные и замкнутые. В схемах радиальных сетей (рис. 11.1) узлы нагрузки получают ЭЭ от одного цен­тра питания ЦП. При этом к одноцепной линии может быть подключен только один узел нагрузки (рис. 11.1, а) или несколько узлов нагрузки (рис. 11.1, б). Ли­ния может быть разветвленной (рис. 11.1, в). В распределительных сетях 6 — 20 кВ центр питания может быть соединен с распределительным Пунктом РП, от ко­торого уже отходят линии непосредственно к узлам нагрузки (рис. 11.1, г). Между ЦП и РП может быть проложено две цепи. В этом случае сеть превращается в частично резервируемую (рис. 11.1, д).

Радиальные сети ввиду их простоты оказываются наиболее дешевыми, но в. то же время они обеспечивают наименьшую надежность электроснабжения. По­этому они используются обычно для питания узлов нагрузки небольшой мощно­сти, а также в случае возможности резервирования по сети низшего напряжения.

Для повышения надежности электроснабжения используют двойные ради­альные сети. Так же как и в одинарных радиальных сетях, к ним может быть под­ключен один узел нагрузки (рис. 11.1, е), несколько узлов (рис. МЛ, ж). Сеть мо­жет быть выполнена разветвленной (рис. 11.1, з). В такой сети обеспечивается ре­зервирование питания потребителей. Линии такой сети могут быть выполнены на двухцепных опорах либо в виде двух цепей на отдельных опорах. В зависимости от схем подключения подстанций в нормальном режиме линии могут работать параллельно либо раздельно.

В схемах замкнутых сетей узлы нагрузки могут получать питание с двух и более сторон [20]. Применяют замкнутые сети кольцевой конфигурации, выпол­ненные одинарными (рис.11.2, о) или двойными (рис. 11.2, б), подключенными к одному центру питания, что является некоторым их недостатком. Он устраняется в замкнутой одинарной (рис. 11.2, в) или двойной (рис. 11.2, г) сети, которая по­лучает питание от двух ЦП. Еще большую надежность имеет узловая сеть (рис. 11-2, д), в которой подстанции могут получать питание от трех ЦП. К более слож­ным относятся многоконтурные сети, отдельные участки которых могут выполняться одиночными либо двойными линиями (рис. 11.2, е) или полностью двой­ными линиями (рис. 11.2, ж).

Рис. 11.1. Варианты конфигураций радиальных сетей: а, 6, в — одинарная с одним узлом нагрузки, с несколькими узлами, разветвленная; г, д — с промежуточным распределительным пунктом; е, ж, з — двойная с одним узлом нагрузки, с несколькими узлами, разветвленная В заключение заметим, что при построении схем сетей следует стремиться по возможности применять простые типы конфигураций, но обеспечивающие требуемую степень надежности, например, такие, как двойные радиальные (рис. • 11.1, ж, з), одинарная и двойная с питанием от двух ЦП (рис. 11.2, в, г).