Конструкции линий, подстанций и их основного электрооборудования

В этом параграфе не излагаются подробные сведения о конструктивном исполнении и комплексах электрооборудования ИП СЭС, входящих в состав ЭЭС и описываемых в лекции 7 (ТЭЦ, ПС 35—220 кВ и т.п.). Здесь уделяется внимание специфике и современным тенденциям конструктивных решений и применяемого основного электрооборудования линий и ПС СЭС.

Линии СЭС. Линии глубоких вводов 110—220 кВ, передающие десятки и сотни мегаватт в центральные районы крупных городов, следует осуществлять подземными кабельными линиями. Такая конструкция этих линий экономически оправдана в связи с высокой стоимостью отчуждаемой территории жилых районов с учетом стоимости инженерного оборудования (транспорт, водо- и газопроводы и др.), безопасностью для населения, а также по архитектурным технико-эстетическим соображениям. Аналогичное применение кабелей 110—500 кВ наблюдается и при электроснабжении крупных промышленных предприятий, по историческим причинам оказавшихся в глубине территории города; известны такие решения при питании крупных подземных подстанций метрополитена и прилегающих к ним районов. До последнего времени описываемые линии выполнялись маслонаполненными кабелями низкого давления. В современный и перспективный периоды следует применять кабели с синтетической изоляцией(«сшитый» полиэтилен).

Линии 6—20 кВ в сельских районах и населенных пунктах городского и коттеджного типа с застройкой зданиями до трех этажей обычно воздушные. Это связано со значительно меньшей стоимостью ВЛ по сравнению с кабельными. В настоящее время имеется возможность существенного повышения надежности воздушных линий данных напряжений и удешевления прокладки их трасс при применении так называемых самонесущих изолированных проводов (СИП).

На территориях промышленных предприятий и городов линии 6—20 кВ следует выполнять кабелями.

В жилых районах городов обычно применяется прокладка кабелей в траншеях (в грунте) (рис. 5.9, а), а также в асбоцементных трубах или железобетонных блоках при пересечениях с улицами, бульварами и т.п. При прокладке 20 кабелей и более применяются специальные туннели (рис. 5.9, б).

На промышленных предприятиях, где наблюдается значительная плотность использования территории, а также возможны химическое загрязнение грунта, попадание на грунт расплавленных металлов, применяются конструктивные замены подземных кабельных линий надземными их прокладками в галереях (рис. 5.10).

Внутрицеховая прокладка кабеля выполняется в каналах (рис. 5.10, а) полов цехов, а также магистральными распределительными шинопроводами. Последние представляют собой алюминиевые шины, изолированные от металлических коробов, прикрепляемых к строительным конструкциям цеха (рис. 5.11). Данный тип внутрицеховой распределительной сети заслуженно получил широкое распространение как дающий широкие возможности различного расположения ЭП и его подключений, а также обеспечивающий высокую надежность внутрицеховых электросетей.

Понижающие подстанции СЭС.

Подстанции 35—220/6—10 кВ могут выполняться как с открытыми распределительными устройствами (РУ) высшего напряжения, располагающимися на территории, прилегающей к зданию, в котором размещаются РУ 6—20 кВ, диспетчерский пункт и др., так и с закрытыми РУ всех номинальных напряжений. Отмечается особая актуальность всемерной экономия площадей, занимаемых ГПП и ПГВ. Данное условие наиболее полно реализуется при осуществлении указанных ПС с РУ 35—220 кВ из герметичных комплектных ячеек с элегазовой изоляцией (КРУЭ) и с закрытой установкой трансформаторов 35—220/6—10 кВ с принудительным охлаждением.

Подстанция 110 кВ указанного конструктивного выполнения с трансформаторами мощностью 2x63 MB · А занимает площадь не более 0,5—0,6 га, а ПС 220/110/10 кВ с автотрансформаторами мощностью 2x250 MB · А — в пределах 0,8—1 га. Аналогичные по установленной мощности трансформаторов ПС с открытыми распределительными устройствами высших напряжений и открытой установкой трансформаторов потребовали бы в 3—4 раза большей территории. Помимо указанного при применении КРУЭ обеспечивается экологическая безопасность для эксплуатационного персонала ввиду экранирования электрических и магнитных полей металлическими кожухами КРУЭ.

Сооружение закрытых ПС 35—220 кВ с электрооборудованием в виде воздушных или масляных выключателей, опорных разъединителей, открытых шин и т.п. приводит к увеличению объемов здания — сравнительно с применением КРУЭ — в 3,5—4 раза.

Современной и перспективной тенденцией является осуществление распределительных устройств 6—10 кВ ГПП и ПГВ с применением вакуумных или элегазовых выключателей, обладающих меньшими габаритами по сравнению с малообъемными масляными выключателями, а также имеющих большие предельные токи отключаемых коротких замыканий (до 40—50 кА).

Трансформаторные подстанции 6—20/0,38—0,66 кВ любой технологической области электроснабжения содержат вводное устройство 6—20 кВ, один или два трансформатора, распределительный щит 380/220—660/380 В, аппараты защиты трансформаторов и линий вторичного напряжения от токов коротких замыканий, а также АВР в тех случаях, когда это требуется.

Трансформаторные подстанции выполняются как отдельно стоящими от производственных и жилых зданий, так и встроенными в здания.

В СЭС промышленных предприятий расположение ТП вне зданий достаточно часто применялось в прошедший период, но и в настоящее время это необходимо по условиям охраны труда в цехах, где продукты производства и выбросы в воздух взрыво- и пожароопасны.

В настоящее время в большинстве случаев применяются внутрицеховые ТП 6—20 кВ индустриального изготовления, представляющие собой комплекс конструктивных элементов и всего необходимого электрооборудования; комплектные трансформаторные пункты (КТП) выпускаются с трансформаторами типа ТМ мощностью от 250 до 2500 кВ · А (рис. 5.12).

Совместная установка двух КТП позволяет образовывать двухтрансформаторную ТП. Обычно КТП устанавливаются на полу цеха. Однако в некоторых случаях КТП могут устанавливаться на специальных конструкциях выше основного технологического оборудования (4—5 м), что способствует более полному использованию площади цеха.

Отдельно стоящие ТП 6—20 кВ электросетей городских жилых районов размещаются внутри жилых кварталов. Современным направлением является полностью индустриальное (в конструктивной и электротехнической частях) изготовление отдельностоящих городских ТП с применением синтетической изоляции, герметических трансформаторов (ТМГ), элегазовых выключателей нагрузки и с помещением всего электрооборудования 6-20 кВ в герметическии кожух, заполненный элегазом (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Городская малогабаритная блочная трансформаторная подстанция 6—20/0,4 кВ с трансформаторами ТМГ2x630 кВ• А:

а -принципиальная электрическая схема; б - план размещения электрооборудования; ВИ - выключатели нагрузки; ЭВН —-элегазовые выключатели нагрузки; МТ - максималь­но-токовые реле; ПН - плавкие предохранители; КТ – контакторы.

Вместе с тем в многоэтажных (более 30-35 этажей), многообъемных зданиях оправдано размещение ТП внутри них, но с установкой «сухих» трансформаторов.

Основным видом ТП 6—20/0,38 кВ электроснабжения сельскохозяйственных районов являлся «мачтовый тип», когда трансформатор и все иное электрооборудование размещается на специальной деревянной П- или АП-образной опоре. Вместе с тем применяются отдельностоящие ПС с кирпичной строительной частью. Современным направлением развития сельских ТП является применение специализированных индустриально изготовляемых комплектных ПС (рис. 5.14).

Распределительные устройства распределительных пунктов состоят из ячеек выключателей вводов питающих и отходящих линий, секционного выключателя, измерительных трансформаторов и др. Ранее в РП применялись малообъемные масляные выключатели в сочетании с комплектными ячейками одностороннего обслуживания (КСО). Современные тенденции заключаются в применении вакуумных и элегазовых выключателей 6—20 кВ, а также конструктивно усовершенствованных и автоматизированных комплектных ячеек, что сокращает площади РП и повышает надежность электроснабжения.

Основные вопросы проектирования и расчетов СЭС

Исходные материалы и общие задачи проектирования. Общими исходными сведениями являются: район осуществления СЭС того или иного объекта, его климатические и геолого-географические условия; источники питания электроэнергией (ПС ЭЭС, ТЭЦ, ДЭС и т.п.).

Технические исходные сведения состоят из: генерального плана объекта электроснабжения, включающего схему-план застройки территории объекта, технологические характеристики всех цехов промышленного или сельскохозяйственного предприятия, зданий жилого района, населенных пунктов сельскохозяйственного региона, типа ПС электрического транспорта и т.п.; состав и установленные мощности всех ЭП, включая сведения о требованиях к надежности их питания, пожаро- или взрывобезопасности сырья и продукции, охраны экологической среды, см [5.6] и т.п.

Расчетные электрические нагрузки потребителей электроэнергии и электрических сетей. Понятие расчетной электрической нагрузки подразумевает то наибольшее значение мощности (кВт, квар, кВ · А), которое может потреблять конкретная группа ЭП или ПЭ в целом с учетом реальных технологических процессов и их взаимозависимостей. Расчетные электрические нагрузки линий и трансформаторов подстанций определяются аналогичными условиями комплексов однородных или неоднородных ПЭ, питаемых по этим элементам электрических сетей.

Приводимые в нормах расчетные электрические нагрузки указываются для наибольших их суточных значений длительностью 30 мин, что соответствует установившейся температуре нагрева проводников под действием протекающего тока.

В нормах проектирования СЭС приводятся расчетные нагрузки в виде потребления активной мощности характерными группами ЭП (металлорежущие станки, квартиры, животноводческие помещения и т.п.). Нормативные расчетные (активные) нагрузки устанавлива­ются на основе массовых их измерений в периоды и часы их наибольших значений (например, в декабре в рабочие дни с 16 до 20 ч). Полученные комплексы измеренных нагрузок обрабатываются с применением мето­дов математической статистики, на основе чего определяются для групп однородных ЭП:

среднестатистическое значение активной нагрузки

σ(Р_i) — среднеквадратическое отклонение измеренных нагрузок

от ;

где i - та или иная группа ЭП.

Расчетная активная нагрузка, кВт:

P_P.i= + β[σ(Р_i)]

=где β = 2—3 — мера рассеяния, обеспечивающая интегральную вероят­ность того, что реальные нагрузки не превзойдут ее расчетное значение в 97,5—99,9 % случаях.

Расчетные реактивные нагрузки в большинстве случаев определяются по расчетным активным нагрузкам и эмпирическим средним значениям коэффициентов реактивной мощности (tg φ). Подробнее см. [5.2, 5.11, 5.12, 5.13].

Для снижения потерь электроэнергии и потерь напряжения применя­ется выработка реактивной мощности непосредственно в узлах ее потребления в электрической сети — компенсация реактивных нагрузок. С этой целью применяются установки конденсаторов 0,4—10 кВ, стати­ческие тиристорные компенсирующие установки, а также выработка реактивной мощности синхронными двигателями, работающими в режиме перевозбуждения. В последнем случае используются лишь электродвигатели, необходимые по технологическим соображениям. Такое использование синхронных двигателей оправдано при их большой мощности (десятки и сотни киловатт) с высокой частотой вращения (более 150—200 об/мин) и загруженных по активной мощности не более 0,7—0,8 номинальной. Соотношение реактивной мощности, компенси­руемой синхронными двигателями и установками конденсаторов, уста­навливается специальными расчетами.

Компенсация реактивных нагрузокостро актуальна для СЭС про­мышленности, где большую часть электроэнергии потребляют асинхрон­ные двигатели и потому «естественный» коэффициент мощности состав­ляет 0,7—0,75. В СЭС коммунально-бытовых ПЭ, как правило, установка компенсирующих устройств не требуется, так как в периоды наибольших

нагрузок коэффициенты мощности на шинах 6—10 кВ понижающих ПС не менее 0,90—0,92.

Подробнее технически и экономически важная тема источников реак­тивной мощности изложена в [5.2, 5.7, 5.12].

Условия выбора параметров электрооборудования СЭС.Методы выбора параметров электроустановок изложены в [5.2, 5.11, 5.12, 5.27].

Отмечаются также возможности перегрузок (сверх нормативных) кабелей до 1 кВ и 6—20 кВ как систематических в нормальных режимах схем электрических сетей, так и кратковременных (1,15—1,3) при послеаварийных состояниях схемы [5.19]. Данные возможности обусловлены недоизносом теплового и изолирующего ресурса изоляции, связанного с неравномерностью суточных графиков активной и реактивной мощности ПЭ. Существуют аналогичные возможности перегрузок трансформаторов 6—20/0,4 кВ, особенно ощутимые для трансформаторных подстанций коммунально-бытовых и сельских ПЭ.

Задачи расчетов режимов электрических сетей.Расчеты режимов электрических сетей СЭС основываются на общих положениях теории электрических сетей. Основной задачей расчетов является выбор номи­нальных параметров основного электрооборудования СЭС (проводов, кабелей, трансформаторов, компенсирующих устройств), определение потоков мощностей во всех элементах сетей и рабочих напряжений при нормальных и аварийных состояниях схем в режимах наибольших и наи­меньших нагрузок ПЭ.

Особенностью расчетов режимов сетей до 1 кВ и 6—20 кВ является не учет активных и реактивных проводимостей линий. При кабельных линиях до 20 кВ допускается не учитывать реактивные сопротивления при сечениях жил до 70—95 мм² трёх- и четырехжильных кабелей.

Второй центральной задачей расчетов режимов рассматриваемых электросетей является определение рабочих напряжений на шинах' ПС 6—20/0,38—0,66 кВ и в узлах подключений ЭП. Конечная цель данных расчетов — определение рабочих отклонений напряжения на зажимах ЭП (во всех расчетных режимах) и сопоставление их с допустимыми нор­мативными. Сложности могут заключаться в подборе рабочих ответвле­ний трансформаторов типа ПБВ 6—20/0,38—0,66 кВ, при которых соблюдаются допустимые отклонения напряжения во всех режимах при одном и том же рабочем ответвлении трансформатора.

При наличии резкопеременных нагрузок и при пусковых режимах асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором необходим расчет размаха изменений (колебаний) напряжения и сопоставление результатов данных расчетов с допустимыми значений колебаний. Для СЭС, содержа­щих выпрямительные установки, а также при резкопеременных перегрузках, необходима проверка соблюдения допустимых характеристик несинусоидальности напряжения. При крупных однофазных ЭП проводится расчет несимметрии фазных напряжений. Расчеты качества напряжения коммунально-бытовых ПЭ, в которых основная часть ЭП — однофазные, на стадии проектирования могут выполняться в предположении симмет­ричности нагрузок фаз на вводах в здание.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте структуры современных систем электроснабжения (крупные про­мышленные предприятия, населенные пункты, сельскохозяйственные районы и т.п.).

2.Назовите основные группы потребителей электроэнергии и характерные для этих групп составы электроприемников.

3. Каково назначение (в составе систем электроснабжения) электрических сетей, выполненных при номинальных напряжениях: 35— 110-—220 кВ; 6—10—20 кВ; 380/127—660/380 В?

4. Изобразите принципиальные схемы распределительных сетей, предназначенных для питания потребителей электроэнергии, в составе которых имеются электроприем­ники, относящиеся (по требованиям надежности электроснабжения) к I категории; только II и IIIкатегории; только IIIкатегории.

5. По каким причинам нейтрали распределительных электрических сетей выполняются: до 1 кВ — эффективно («глухо») заземленными; 6—20 кВ заземленными через дугогасящие реакторы?

6. С учетом каких основных влияющих факторов определяются расчетные электриче­ские нагрузки групп электроприемников (цехов, жилых и общественных зданий и т.п.) на основе известной их установленной мощности?

7.С какими техническими экономическими целями осуществляется на промышленных предприятиях установка устройств компенсирующих реактивные нагрузки?

8. Каковы современные тенденции конструкций трансформаторных подстанций 6— 10—20/0,38 кВ, осуществляющих электроснабжение цехов промышленных предпри­ятий, жилых районов городов, сельскохозяйственных населенных пунктов и произ­водств?

9. Назовите области применения воздушных и кабельных линий 0,38—20 кВ.

10. Сформулируйте основные требования, которым должно отвечать проектирование современного электроснабжения производственных и гражданских объектов.

Литература для самостоятельного изучения

5.1. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. М.: Высшая школа, 1991.

5.2. Будзко И.А., Лещинская Т.Б., Сукманов В.И. Электроснабжение сельского хозяй­ства. М.: Колос, 2000.

5.3. ГОСТ 13109—97. Нормы качества электрической энергии в системах электро­снабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1998.

Электроснабжение и электрооборудование цехов / В.И. Григорьев. Э.А. Киреева, В.А. Миронов и др. М.: Энергоатомиздат, 2003.

5.5. Электроснабжение и электрооборудование жилых и общественных зданий В.И. Григорьев, Э.А. Киреева, А.П. Минтюков и др. М: Энергоатомиздат, 2003.

5.6. Дьяков А.Ф., Максимов Б.К., Борисов Р.К. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. М.: Энергоатомиздат, 2003.

5.7. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электро­энергии. М: Энергоатомиздат, 1985.

5.8. Загайнов НА., Финкельштейн B.C., Кривов Л.Л. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса. М.: Транспорт, 1988.

5.9. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский. Р.Г. Шамо-нов и др. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.

5.10. Карпов Ф.Ф., Солдаткина Л.А. Регулирование напряжения ч электросетях про­мышленных предприятий. М.: Энергия, 1970.

5.11.Козлов В.А. Городские распределительные электрические сети. Л.: Энергоиздат, 1982.

5.12. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов. М.: Мастерство, 2001.

5.13. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергоатомиз­дат, 1995.

5.14. Левин М.С., Мурадян А.Е., Сырых Н.Н. Качество электроэнергии в сетях сель­ских районов. М.: Энергия, 1975.

5.15. Лещинская Т.Б. Методы многокритериальной оптимизации систем электро­снабжения сельских районов в условиях неопределенности исходной информации. М.: Агроконсолот, 1998.

5.16. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. М: Высшая школа, 1990.

5.17. Маркушевич Н.С., Солдаткина Л.А. Качество напряжения в городских электри­ческих сетях. М.: Энергия, 1975.

5.18. Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий. М.: Энергия, 1973.

5.19. Правила устройства электроустановок. Министерство топлива и энергетики Рос­сийской Федерации. — 6-е изд., перераб. и доп. с изменениями. М.: ЗАО «Энерго­сервис», 2000.

5.20. Слепцов М.А., Савина Т.А. Электроснабжение электрического транспорта. М.: Издательство МЭИ, 2001.

5.21. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д.Л. Файбисо-вича. М.: Издаетльство НЦ ЭНАС, 2005.

5.22. Тульчин И.К., Нудлер Г.И. Электрические сети жилых и общественных зданий. М.: Энергоатомиздат, 1990.

5.23. Фокин Ю.А., Туфанов В.А. Оценка надежности систем электроснабжения. М.: Энергоиздат, 1981.

5.24. Электротехнологические промышленные установки / под ред. А.Л. Свенчанского. М.: Энергоиздат, 1982.

5.25. Экономика промышленности: учебное пособие для вузов. В трех томах. Т. 2. Эко­номика и управление энергообъектами. Кн. 2. РАО «ЕЭС России». Электростан­ции. Электрические сети / Н.Н. Кожевников, Т.Ф. Басова, Н.С. Чинокаева и др.; под ред. А.И. Барановского, Н.Н. Кожевникова, Н.В. Пирадовой. М.: Издательство МЭИ, 1998.

5.26. Электротехнический справочник. — 8-е изд. исправл. и доп. Т. 3. М.: Издатель­ство МЭИ, 2002.

5.27 Электрические системы. Электрические сети / В.А. Веников, А.А. Глазунов, Л.А. Жуков и др.; под ред. В.А. Веникова, В.А. Строева. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1998.

5.28. Глазунов А.А., Строев В.А., Шаров Ю.В. Системы электроснабжения — подсис­темы электроэнергетических систем // Электричество. 2007. № 9. С. 5—8.

Глава шестая