А. И. Хальясмаа схемы электрических соединений подстанций
 Скачать 3.73 Mb.
|
|
С. Е. КОКИН С. А. ДМИТРИЕВ А. И. ХАЛЬЯСМАА СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ Учебное пособие Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина С. Е. Кокин, С. А. Дмитриев, А. И. Хальясмаа СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ Учебное пособие Рекомендовано методическим советом УрФУ для студентов электроэнергетических специальностей 140400 — Электроэнергетика и электротехника Екатеринбург Издательство Уральского университета 2015 УДК 621.311.2(075.8) ББК 31.277я73 К59 Рецензенты: канд. экон. наук, проф., директор ОАО «Екатеринбургская электросете- вая компания» А. С. Семериков; канд. техн. наук, доц., зам. директора по науке ЗАО «Техсистем груп» В. Г. Неуймин Научный редактор — канд. техн. наук, доцент А. А. Суворов Кокин, С. Е. К59 Схемы электрических соединений подстанций: учебное посо- бие / С. Е. Кокин, С. А. Дмитриев, А. И. Хальясмаа. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2015. — 100 с. ISBN 978-5-7996-1457-7 Учебное пособие содержит описание принципов построения схем электри- ческих соединений подстанций, требования к надежности схем. Особое вни- мание уделяется вопросам применения типовых схем подстанций для различ- ных классов напряжения. Пособие будет иметь определенную ценность как для студентов очной и заочной формы обучения, изучающих курсы «Электри- ческая часть станций и подстанций», «Электрооборудование», «Эксплуатация электрических станций», «Режимы работы электрических станций» и т. п., так и для специалистов в области проектирования энергетических объектов раз- личных классов напряжения в качестве учебного и справочного материала. Библиогр.: 13 назв. Табл. 28. Рис. 28. УДК 621.311.2(075.8) ББК 31.277я73 ISBN 978-5-7996-1457-7 © Уральский федеральный университет, 2015 3 Оглавление Введение ............................................................................................ 7 Глава 1. Принципы построения схем электрических соединений энергообъектов ............................... 9 1.1. Общие сведения и определения ................................................. 9 1.2. Схемы с однократным принципом подключения присоединений ...................................................11 1.3. Схемы с двукратным принципом подключения присоединений .................................................. 12 1.4. Схема многоугольника с подменным выключателем ..............15 Глава 2. Типизация и унификация главных схем электрических соединений подстанций ............................................................... 17 2.1. Подстанция — составная часть схемы ЭЭС ............................. 17 2.2. Типы подстанций ......................................................................18 2.3. Основные требования, предъявляемые к схемам ....................19 Глава 3. Типовые схемы электрических соединений подстанций .................................... 21 3.1. Общие указания по применению типовых схем ..................... 21 3.2. Обоснование надежности схем ............................................... 25 3.3. Указания по применению блочных схем .................................27 3.3.1. Схема 1. Блок (линия — трансформатор) с разъединителем ...........................................................27 3.3.2. Схема 3Н. Блок (линия — трансформатор) с выключателем) ............................................................27 3.3.3. Схема 4H. Два блока (линия — трансформатор) с выключателями и неавтоматической перемычкой со стороны линии) ..........................................................27 4 СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ 3.4. Указания по применению мостиковых схем, схем «заход-выход» и «треугольник» .........................................27 3.4.1. Схема 5H. Мостик с выключателями в цепях линий и ремонтной перемычкой со стороны линий .... 28 3.4.2. Схема 5АH. Мостик с выключателями в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов ....................................... 28 3.4.3. Схема 6. Заход-выход ..................................................... 28 3.4.4. Схема 6Н. Треугольник .................................................. 28 3.5. Указания по применению схем четырехугольника и шестиугольника.................................................................... 29 3.5.1. Схема 7. Четырехугольник ............................................. 29 3.5.2. Схема 8. Шестиугольник ............................................... 29 3.6. Указания по применению схем со сборными шинами и одним выключателем на присоединение ............................. 30 3.6.1. Схема 9. Одна рабочая секционированная выключателем система шин ......................................... 30 3.6.2. Схема 9Н. Одна рабочая секционированная по числу трансформаторов система шин с подключением трансформаторов к секциям шин через развилку выключателей ...................................... 30 3.6.3. Схема 9АН. Одна рабочая секционированная система шин с подключением ответственных присоединений через «полуторную» цепочку .............. 30 3.6.4. Схемы 12. Одна рабочая секционированная выключателем и обходная системы шин ...................... 30 3.6.5. Схема 12Н. Одна рабочая, секционированная выключателями, и обходная система шин с подключением каждого трансформатора к обеим секциям рабочей системы шин ........................31 3.6.6. Схема 13. Две рабочие системы шин .............................31 3.6.7. Схема 13Н. Две рабочие и обходная системы шин ........31 3.6.8. Схема 14. Две рабочие секционированные выключателями и обходная системы шин с двумя шиносоединительными и двумя обходными выключателями ..............................................................31 3.7. Указания по применению схем со сборными шинами с двумя и «полутора» выключателями на присоединение ...... 32 3.7.1. Схема 15. Трансформаторы–шины с присоединением линий через два выключателя) ...... 32 3.7.2. Схема 16. Трансформаторы-шины с полуторным присоединением линий) ............................................... 32 5 Оглавление 3.7.3. Схема 17. Полуторная .................................................... 32 3.8. Указания по применению схем для КРУЭ ............................... 33 3.9. Указания по применению схем распределительных устройств 10(6) кВ.................................. 34 3.9.1. Схема 10(6)-1. Одна секционированная выключателем (или двумя выключателями) система шин................................................................... 34 3.9.2. Схема 10(6)-2. Две секционированные выключателями системы шин ...................................... 34 3.9.3. Схема 10(6)-3. Четыре секционированные выключателями системы шин ...................................... 35 3.10. Указания по применению схем подключения компенсирующих устройств .................................................. 36 3.11. Типовые схемы ........................................................................37 Глава 4. Рекомендации по выбору главных схем электрических соединений подстанций ............................................................... 68 4.1. Факторы, влияющие на выбор схемы РУВН ПС ...................... 68 4.2. Перечень схем РУ 35 кВ ........................................................... 68 4.3. Перечень схем РУ 110 кВ .......................................................... 69 4.4. Перечень схем РУ 220 кВ ......................................................... 70 4.5. Перечень схем РУ 330 кВ ......................................................... 71 4.6. Перечень схем РУ 500 кВ ......................................................... 71 4.7. Перечень схем РУ 750 кВ .......................................................... 72 4.8. Перечень схем РУ 10(6) кВ, линейных регулировочных трансформаторов 35 кВ, синхронных компенсаторов и регулируемых ШКБ 10(6), 35 кВ ........................................... 72 4.9. Алгоритм выбора схем для РУ 35 кВ ........................................ 73 4.10. Алгоритм выбора схем для РУ 110 и 220 кВ ...........................74 4.11. Защита от перенапряжений ................................................... 75 Глава 5. Рекомендации по выбору схем питания собственных нужд подстанций ........................................................................... 77 6 СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ Глава 6. Определение стоимости электросетевого строительства .................................................. 82 6.1. Общие положения .................................................................... 82 6.2. Определение укрупненных показателей стоимости подстанций 35–750 кВ.............................................................. 82 6.3. Определение укрупненных показателей стоимости ЛЭП 6–750 кВ .............................................................................87 Глава 7. Конструктивное выполнение распределительных устройств........................................................................................ 89 Принятые сокращения .....................................................................97 Список литературы ......................................................................... 99 7 Введение П особие написано на основе норм технологического проектиро- вания (НТП) [1], правил устройства электроустановок (ПУЭ) [2] и руководящих указаний по применению типовых схем под- станций [3]. Установлено минимальное количество типовых схем РУ (в том чис- ле ОРУ, ЗРУ, КРУЭ), которые охватывают большую часть встречающихся в практике случаев проектирования новых и реконструкции действующих подстанций (ПС) и комплектных трансформаторных подстанций (КТП) и позволяют обеспечить надежность и живучесть ПС с помощью эконо- мичных унифицированных решений. Для разработанного набора схем РУ выполняются типовые проектные решения компоновок сооружений, уста- новки оборудования, устройств управления, релейной защиты, автомати- ки и строительной части. Приведенные типовые схемы РУ являются обязательными при проек- тировании новых, расширяемых и подлежащих техническому перевоору- жению и реконструкции ПС всех ведомств, в случае, если ПС в последую- щем будут эксплуатироваться ОАО «ФСК ЕЭС». Применение нетиповых схем допускается только при наличии соответ- ствующих технико-экономических обоснований. В работе принята терминология ПУЭ. Для обозначения обязательности выполнения требований применяются слова «должен», «следует», «необ- ходимо» и производные от них. Слова «как правило» означают, что данное требование является преобладающим, а отступление от него должно быть обосновано. Слово «допускается» употребляется, когда данное решение может быть применено в виде исключения. Слово «рекомендуется» озна- чает, что данное решение является одним из лучших, но не обязательным. За последние несколько лет рекомендуемые к применению схемы под- станций существенно изменились. Основные изменения по сравнению с нормативными материалами от 1987 и 1993 гг. следующие: — на вновь проектируемых или реконструируемых ПС исключена воз- можность применения схем с отделителями и короткозамыкателя- ми, эксплуатация которых показала их низкую надежность; 8 СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ — из числа типовых схем со сборными шинами и одним выключате- лем на присоединение исключены схемы с совмещением обходного и секционного (шиносоединительного) выключателя; — существенно расширены число схем с коммутацией присоединения двумя выключателями и область их применения; — в ряде случаев, когда применяется современное оборудование с вы- сокими эксплуатационными характеристиками, допускается упро- щение структуры схем (отказ от ремонтных перемычек, отказ от об- ходной системы шин). — в ряде схем, в целях повышения надежности, между секциями си- стем сборных шин принята установка двух последовательно вклю- ченных выключателей. Например, в схемах РУ 10 (6) кВ установка одного секционного выключателя допускается только при наличии соответствующих обоснований. 9 Глава 1 Принципы построения схем электрических соединений энергообъектов 1.1. Общие сведения и определения Г лавная схема (ГС) электрических соединений энергообъекта — это совокупность основного электротехнического оборудования, коммутационной аппаратуры и токоведущих частей, отражаю- щая порядок их соединения между собой. В общем случае элементы главной схемы электрических соединений можно разделить на две части: 1) внешние присоединения (далее в тексте — Присоединения) — гене- раторы, блоки «генератор-трансформатор», трансформаторы, авто- трансформаторы, линии электропередачи, шунтирующие реакторы; 2) внутренние элементы, которые в свою очередь делятся на: — схемообразующие — элементы, образующие структуру схемы: коммутационная аппаратура (выключатели, разъединители, от- делители и т. п.), токоведущие части (сборные шины, участки то- копроводов), токоограничивающие реакторы; — вспомогательные — элементы, предназначенные для обеспече- ния нормальной работы ГС: трансформаторы тока, напряжения, разрядники и т. п. Неуклонная тенденция концентрации мощности на энергетических объектах остро ставит проблемы, связанные с надежностью и экономично- стью электроэнергетических систем (ЭЭС) в целом и, в частности, главных схем электрических соединений энергообъектов и их распределительных устройств (РУ). С одной стороны, это связано с повышением значимости присоединений ГС для сохранения нормальной работы ЭЭС, а с другой — со значительным ростом единичной стоимости оборудования ГС. Прежде всего (но не исключительно) это касается РУ сверхвысокого и ультравысо- кого напряжения. 10 СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ В связи с уникальностью объектов и значительной неопределенностью исходных данных процесс выбора главной схемы всегда является результа- том технико-экономического сравнения конкурентоспособных вариантов, цель которого — выявить наиболее предпочтительный с точки зрения удов- летворения заданных качественных и количественных условий. Учет эко- номических, технических и социальных последствий, связанных с различ- ной степенью надежности ГС, в настоящее время представляет наибольшую сложность этапа технико-экономического сравнения. Это связано, в первую очередь, с недостаточностью исходных данных (особенно статистических характеристик надежности), сложностью формулирования показателей на- дежности ГС в целом и определения ущербов от недоотпуска электроэнер- гии и нарушений устойчивости параллельной работы ЭЭС. Основное назначение схем электрических соединений энергообъ- ектов заключается в обеспечении связи ее присоединений между со- бой в различных режимах работы. Именно это определяет следующие основные требования к ГС: — надежность — повреждения какого-либо присоединения или вну- треннего элемента не должны, по возможности, приводить к поте- ре питания исправных присоединений; — ремонтопригодность — вывод в ремонт какого-либо присоединения или внутреннего элемента не должен, по возможности, приводить к потере питания исправных присоединений и снижению надежно- сти их питания; — гибкость — возможность быстрого восстановления питания исправ- ных присоединений; — возможность расширения — подключение к схеме новых присоеди- нений без значительных изменений существующей части; — простота и наглядность — снижение возможных ошибок эксплуата- ционного персонала; — экономичность — минимальная стоимость при условии выполне- ния перечисленных выше требований. Анализ надежности схем электрических соединений осуществля- ется путем оценки последствий различных аварийных ситуаций, ко- торые могут возникать на присоединениях и элементах ГС (любое присое- динение и любой элемент ГС могут послужить источником отказа и любой из них необходимо периодически ремонтировать). Условно аварийные ситуации в ГС можно разбить на три группы: — аварийные ситуации типа «отказ» — отказ какого-либо присое- динения или элемента ГС, возникающий при нормально работа- ющей ГС; — аварийные ситуации типа «ремонт» — ремонт какого-либо присое- динения или элемента ГС; 11 Глава 1. Принципы построения схем электрических соединений энергообъектов — аварийные ситуации типа «ремонт + отказ» — отказ какого-либо присоединения или элемента ГС, возникающий в период проведе- ния ремонта элементов ГС. Все известные в настоящее время ГС построены на основных принципах подключения присоединений, которые будут рассмотрены далее. 1.2. Схемы с однократным принципом подключения присоединений В данном классе схем для коммутации присоединения требуется сра- батывание одного выключателя. К таким схемам относятся схемы со сбор- ными шинами, наиболее широко применяемые сегодня на напряжениях до 220 кВ включительно. Родоначальником данного класса схем является схема рис. 1.1, а — одна система сборных шин с коммутацией присоедине- ния одним выключателем. По структуре это схема звезды (рис. 1.1, б). Схе- ма симметричная и односвязная (между любыми двумя присоединениями существует один путь связи). Q1 W5 W1 W2 W4 W3 W6 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 a б Рис. 1.1. Принципиальные схемы электрических соединений: а — схема с одной системой шин и подключением присоединений через один выключатель; б — структура схемы с однократным принципом подключения присоединений К несомненным достоинствам таких схем следует, прежде всего, отнести их высокую экономичность, наглядность, простоту. Возможность отключе- ния присоединения одним выключателем, безусловно, снижает вероятность развития цепочечных аварий. Однако между двумя любыми присоединени- ями существует всего один независимый путь связи. Основной недостаток данного класса схем заключается в том, что любое внутреннее поврежде- ние требует срабатывания большого числа выключателей и влечет за со- бой потерю большого числа присоединений. 12 СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ Применение секционного выключателя (рис. 1.2) не устраняет основ- ной недостаток схемы, а лишь снижает в два раза число одновременно те- ряемых в результате внутренних повреждений присоединений. Примене- ние развилки из разъединителей (схема с двумя рабочими системами шин) позволяет осуществлять ремонт систем сборных шин без потери присоеди- нений. Однако в нормальном режиме схема «живет» в состоянии одиноч- ной секционированной и любое внутреннее повреждение по-прежнему при- водит к потере всех присоединений, связанных с системой сборных шин. Q7 Q1 Q3 Q2 Q5 Q4 Q6 W1 W2 W3 W4 W5 W6 Рис. 1.2. Схема одна система шин, секционированная выключателем 1.3. Схемы с двукратным принципом подключения присоединений В данном классе схем для коммутации присоединения требуется сраба- тывание двух выключателей. Сюда относятся схемы, наиболее широко при- меняемые в настоящее время в качестве схем РУ энергообъектов на напря- жениях 330–500 кВ и выше. Родоначальником данного класса является схема многоугольника (рис. 1.3). Схема содержит выключатели (число выключателей равняется числу присоединений, соединенных в кольцо) и разъединители, которые распо- ложены с обеих сторон выключателя (для проведения ремонтов). Присое- динения подключены между выключателями и также снабжены разъеди- нителями по условиям ремонтопригодности. Схема многоугольника обладает наибольшей устойчивостью в аварий- ных ситуациях типа «отказ»: короткое замыкание на любом присоединении или элементе данной схемы отключается всего двумя выключателями (в том числе и отказ любого выключателя схемы или любого ее присоединения). 13 Глава 1. Принципы построения схем электрических соединений энергообъектов Данное свойство схемы особен- но ценно с точки зрения ликвида- ции цепочечных аварий, которые локализуются всего одним дополни- тельным выключателем. Отметим, что из известных схем данным свой- ством обладает лишь схема многоу- гольника (рис. 1.4). Основной недостаток схемы многоугольника заключается в рез- ком изменении конфигурации схе- мы при ремонтах любого оборудо- вания кольца. Схема из кольцевой превращает- ся в разомкнутую цепочку. И в этот период любое повреждение может привести к тяжелым последствиям. Например, отказ W4 в период ре- монта Q1 приводит к необходимо- сти отключения Q4 и Q5, что приводит к делению схемы на части, а следо- вательно, к резкому изменению структуры энергосистемы. Q2 Q6 Q4 Q3 Q5 W1 W2 W3 W4 W5 W6 Рис. 1.4. Схема многоугольника в период ремонта выключателя Q1 Применяемые в настоящее время для высоких классов напряжения схе- мы «3/2» (рис. 1.5) и «4/3» являются, по сути, схемами смежных многоу- гольников. Существенное увеличение числа выключателей приводит к тому, что при ремонтах выключателей снижается надежность не всех, а части при- соединений (размыкается не все кольцо, а только его часть). Так, напри- мер, при ремонте Q1 присоединения W1 и W4 становятся «односвязными» и отказы Q7, Q8, Q9 или A2 приводят к отделению этих присоединений от остальной части схемы и, как следствие этого, к существенному изме- нению структуры энергосистемы. Кроме этого, в названных выше схемах существуют режимы (ремонты систем сборных шин), при которых размыкаются все кольца и снижается Q4 Q2 Q5 W4 Q6 W5 W6 Q1 W1 Q3 W3 W2 Рис. 1.3. Схема многоугольника 14 СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ надежность всех присоединений. На рис. 1.6 приведена структура схемы «3/2» в период ремонта системы шин. Из приведенного рисунка видно, что любая аварийная ситуация в районе второй системы сборных шин приво- дит к полному делению схемы на три несвязные цепочки, что, безусловно, повлечет за собой серьезную системную аварию. A2 W4 Q1 W1 A1 W5 W6 W2 W3 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Рис. 1.5. Схема «3/2» A2 W1 W2 W3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 W4 W5 W6 Рис. 1.6. Схема «3/2» в период ремонта системы шин Поведение более экономичной схемы «4/3» качественно не отличается от поведения схемы «3/2», имеют место только количественные отличия. Так, например, в период ремонта выключателя в схеме «3/2» снижается 15 Глава 1. Принципы построения схем электрических соединений энергообъектов надежность двух присоединений, а в период ремонта выключателя в схе- ме «4/3» снижается надежность трех присоединений. Одним из достоинств схем «3/2» и «4/3» в сравнении со схемой мно- гоугольника считается то, что при отказе крайних выключателей цепочек на время оперативных переключений теряет питание одно присоедине- ние. Однако это достоинство мнимое, поскольку при этом требуется сра- батывание трех, а не двух выключателей, как в многоугольнике. И, кроме того, подобный результат можно получить и в схеме многоугольника, при- менив избыточное число выключателей. Так, например, если создать мно- гоугольник из девяти выключателей и подключить к нему шесть присое- динений, то отказы трех выключателей будут приводить к потере на время оперативных переключений двух присоединений, а отказы шести выклю- чателей — к потере одного. При этом локализация отказа всегда произво- дится двумя выключателями. Сохранение кольца в различных режимах работы, безусловно, является важной задачей. Решение ее позволило бы резко повысить надежность от- дельных присоединений и целостность узла энергосистемы. Особенно важ- но решить эту задачу для высоких классов напряжения, на которых значи- мость отдельных присоединений велика, а деление узла на части приводит к тяжелым системным авариям. 1.4. Схема многоугольника с подменным выключателем В нормальном состоянии разъединители QS13–QS18 отключены и схе- ма «живет» в режиме многоугольника. Приведенная конфигурация обла- дает не только всеми достоинствами многоугольника, но и следующими: — вновь добавленное оборудование отключено от схемы, а следова- тельно, не снижает надежность в нормальном режиме работы; — ремонт любого выключателя кольца происходит с сохранением мно- гоугольника. Например, при необходимости ремонта выключателя Q4 достаточно разомкнуть QS23, замкнуть QS15 и QS16 (выключа- тель Q7 шунтирует Q4). После отключения QS7 и QS8 выключатель Q4 выводится в ремонт. Разъединители QS19 и QS20 в «крайних» подменных цепочках необходимы для обеспечения возможности ре- монтов Q1 и Q6. На рис. 1.7 приведена схема многоугольника с подменным выключате- лем. Ремонт любого оборудования схемы (в том числе и вновь добавленно- го) можно проводить с сохранением многоугольника. Например, при необ- ходимости ремонта Q4, Q5, QS8, QS9, QS16 и QS29 достаточно разомкнуть QS23 и QS24, замкнуть QS15 и QS17 (выключатель Q7 шунтирует Q4 и Q5). 16 СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПОДСТАНЦИЙ После отключения QS7 и QS10 все перечисленное оборудование выводит- ся в ремонт. При этом многоугольник остается замкнутым. QS20 QS18 QS31 QS14 QS27 QS22 QS26 W1 W2 Q S1 QS13 Q S2 Q S3 Q1 Q S4 Q S5 Q2 QS21 QS19 QS29 QS28 W3 W4 QS30 W5 W6 Q S9 QS16 QS15 Q S6 Q S7 Q3 Q S8 Q4 QS23 QS17 Q S1 1 Q S1 0 Q5 Q S1 2 Q6 QS24 QS25 Q7 Рис. 1.7. Схема многоугольника с подменным выключателем Другими словами, ремонты любого оборудования в данной схеме проис- ходят без снижения надежности присоединений. Данным свойством боль- ше не обладает ни одна из известных схем. Подробный анализ поведения схемы в различных аварийных ситуаци- ях показывает, что последствия таких соединений как минимум не хуже, чем в схеме «3/2» или «4/3», а по экономичности схема многоугольника значительно превосходит их. 17 Глава 2 Типизация и унификация главных схем электрических соединений подстанций 2.1. Подстанция — составная часть схемы ЭЭС П одстанция — один из наиболее сложных и наиболее часто встре- чающихся элементов электроэнергетической системы, который требует при проектировании и сооружении многообразия про- фессий привлеченных работников и значительных трудозатрат. Трудозатраты строительно-монтажных работ при сооружении ПС в |