Подстанции

Подстанции (главные понижающие подстанции ГПП, подстанции глубокого ввода ПГВ и др.) наряду с ТЭЦ являются источниками питания электроэнергией объектов (промышленных предприятий, городских районов и др.). Подстанции (ПС) размещают по возможности ближе к центру электрических нагрузок объекта.

Одним из важных вопросов при проектировании ПС является выбор ее схемы электрических соединений. Эта схема в большой степени зависит от способа присоединения ПС к питающей электрической сети. Рассмотрим эти способы на примере рис. 1.4, где все ПС условно показаны только шинами высшего напряжения.

Под центром питания (ЦП) электрической сети будем понимать шины соответствующего напряжения электростанции или подстанции более высокой ступени напряжения. Так, например, шины 110 кВ подстанции 220/110 кВ являются ЦП для электрической сети 110 кВ.

Тупиковая подстанция (ПС1 на рис. 1.4) получает питание с одной стороны по одной или двум параллельным линиям. Мощность, текущая от ЦП к тупиковой ПС, поступает только к потребителям этой ПС и не передается дальше.

Ответвительная подстанция (ПС2 на рис. 1.4) присоединяется глухой (без коммутационных аппаратов) отпайкой к одной или двум проходящим линиям. Такое присоединение ПС не требует больших затрат, однако эксплуатация линий с отпайками не удобна, поскольку при ремонте, например, одной линии участка ПС2-ПС3 необходимо отключать всю линию ЦП-ПС3. При этом потребители ПС2 и ПС3 будут получать питание по другой, но одной оставшейся в работе линии ЦП-ПС3.

Рис. 1.4. Способы присоединения ПС к питающей электрической сети

Проходная (транзитная) подстанция (ПС3 и ПС4 на рис. 1.4) включается в рассечку двух линий с односторонним питанием или в рассечку одной линии с двухсторонним питанием. Такие ПС более дорогие, чем ответвительные, так как требуют большего количества коммутационных аппаратов на высшем напряжении, чем ответвительные ПС. Однако эксплуатация линий с такими ПС более удобна, поскольку при ремонте, например, одной линии участка ПС3-ПС1 необходимо отключать только эту линию.

Узловая подстанция (ПС5 на рис. 1.4) присоединяется к центрам питания не менее чем тремя линиями. Для таких ПС требуются более сложные схемы электрических соединений на высшем напряжении, чем у тупиковых, ответвительных и проходных ПС.

Схемы электрических соединений подстанций тесно увязываются с их назначением и способом присоединения к энергосистеме. Все схемы электрических соединений подстанций можно разделить на следующие виды:

схемы без сборных шин (блочные и упрощенные схемы);

схемы многоугольников;

схемы с одной системой сборных шин (без обходной или с обходной системой шин);

с двумя системами сборных шин (без обходной или с обходной системой шин).

Схема электрических соединений подстанции должна быть обоснованно упрощена с учетом применения современного высоконадежного оборудования. Для распределительных устройств напряжением до 220 кВ включительно в основном рекомендуется применять блочные и упрощенные схемы, а также схемы с одной секционированной системой шин. Две системы шин и обходные системы шин рекомендуется применять только при наличии жесткого обоснования технико-экономическими расчетами.

В соответствии с указанными требованиями для распределительных устройств 35...220 кВ подстанций разработаны типовые схемы электрических соединений, приведенные на рис. 1.5. Распределительные устройства низкого напряжения (РУНН) показаны условно.

Блочные схемы, выполненные блоком линия-трансформатор с разъединителем или выключателем (рис. 1.5,а,б,в), применяются, главным образом, для тупиковых и ответвительных подстанций. В схеме рис. 1.5,а при повреждении в трансформаторе предусматривается передача отключающего импульса на головной выключатель.

В случае двухтрансформаторных подстанций используются два блока, не связанные между собой по стороне высшего напряжения, или два блока, связанные между собой неавтоматической (ремонтной) перемычкой из двух разъединителей (рис. 1.5,в). Эта перемычка позволяет осуществлять питание потребителей через два трансформатора при ремонте или повреждении одной из линий.

В упрощенных схемах используются рабочие перемычки (мостики) с выключателями и ремонтные перемычки с разъединителями (рис. 1.5,г,д). Такие схемы применяются на тупиковых, ответвительных и проходных подстанциях.

На проходных подстанциях перемычка с выключателем (рабочая перемычка) нормально замкнута, поскольку через нее осуществляется транзит мощности. Ремонтная перемычка на проходных подстанциях включается для транзита мощности через подстанцию при ремонте выключателя рабочей перемычки. На тупиковых и ответвительных подстанциях рабочая перемычка с выключателем нормально разомкнута, а ремонтная перемычка может отсутствовать.

В схеме рис. 1.5,г, применяемой натупиковых и ответвительных ПС, при повреждении одной из линий автоматически отключается выключатель со стороны поврежденной линии и включается выключатель в рабочей перемычке, оба трансформатора остаются в работе, а потребители получают питание по одной линии. При повреждении одного из трансформаторов автоматически отключается выключатель со стороны поврежденного трансформатора. Потребители будут получать питание по одной линии через один трансформатор.

В схеме рис. 1.5,д, применяемой натупиковых и ответвительных ПС, при повреждении одной из линий автоматически отключается выключатель со стороны поврежденной линии. Потребители будут получать питание по одной линии через один трансформатор. Включение в работу второго трансформатора может быть осуществлено оперативными переключениями через ремонтную перемычку. При повреждении одного из трансформаторов автоматически отключается выключатель со стороны поврежденного трансформатора. Потребители будут получать питание по одной линии через один трансформатор.

Рис. 1.5. Типовые схемы РУ высшего и среднего напряжения подстанций

Выбор между схемами рис. 1.5,г и д для тупиковых и ответвительных ПС определяется важностью автоматического сохранения в работе двух трансформаторов при повреждении одной из линий. С этой позиции предпочтение следует отдать схеме 1.5,г.

В схеме рис. 1.5,г, применяемой напроходных (транзитных) ПС, при повреждении одной из линий автоматически отключается выключатель со стороны поврежденной линии. Потребители будут получать питание по другой линии, но через два трансформатора, поскольку выключатель в рабочей перемычке остается включенным. Транзит мощности через ПС прерывается. При повреждении одного из трансформаторов автоматически отключается выключатель со стороны поврежденного трансформатора и выключатель в рабочей перемычке. Потребители будут получать питание по одной линии через один трансформатор. Транзит мощности через ПС автоматически прерывается, но может быть восстановлен оперативными переключениями через рабочую перемычку.

В схеме рис. 1.5,д, применяемой напроходных (транзитных) ПС, при повреждении одной из линий автоматически отключается выключатель в рабочей перемычке. Потребители будут получать питание по одной линии через один трансформатор. Транзит мощности через ПС прерывается. При повреждении одного из трансформаторов автоматически отключается выключатель со стороны поврежденного трансформатора. Потребители будут получать питание через один трансформатор. Транзит мощности через ПС сохраняется, поскольку выключатель в рабочей перемычке остается включенным.

Выбор между схемами рис. 1.5,г и д для проходных (транзитных) ПС определяется важностью автоматического сохранения транзита мощности через ПС при повреждении одного из трансформаторов. С этой позиции предпочтение следует отдать схеме 1.5,д.

Схема четырехугольника (рис. 1.5,е) является наиболее распространенной из схем многоугольников и применяется при четырех присоединениях (две линии и два трансформатора) и необходимости секционирования (деления) транзитной линии. В этой схеме каждая линия может подключаться к любому трансформатору. Для этого на присоединении каждой линии установлены два выключателя.

Схема четырехугольника обладает более высокой надежностью, чем схемы рис. 1.5,г,д, так как авария в линии или трансформаторе приводит к отключению только поврежденного элемента. При аварийном или плановом отключении одной из линий трансформаторы будут получать питание по второй линии. При аварийном или плановом отключении одного из трансформаторов транзит мощности через ПС сохраняется.

Схема четырехугольника применяется, как правило, для напряжений 220 кВ и при мощности трансформаторов 125 МВ×А и выше.

Схема с одной рабочей секционированной системой сборных шин (рис.1.5,ж) используется, как правило, для напряжения 35 кВ (высшего, среднего и низшего) при пяти и более присоединениях (два трансформатора три и более линии). Допускается применять эту схему для РУ 110-220 кВ при использовании высоконадежного оборудования, например герметизированных ячеек с элегазовой изоляцией.

В нормальном режиме работы секционный выключатель QB выключен. Если все присоединенные линии являются отходящими, выключатель QB включается при повреждении одного из трансформаторов. Если схема используется в транзитной ПС (ПС3 рис. 1.4), выключатель QB включается при повреждении одной из питающих линий.

Схема имеет ряд существенных недостатков:

ремонт одной секции сборных шин (или любого шинного разъединителя) связан с отключением всех линий, подключенных к этой секции;

повреждение на секции сборных шин приводит к отключению всех линий, отходящих от этой секции;

ремонт любого выключателя (кроме секционного) связан с отключением соответствующего присоединения линии или трансформатора.

Схема с одной рабочей секционированной системой сборных шин и обходной системой шин (рис. 1.5,з) с обходным Q1 и секционным QВ выключателями применяется для РУ 110-220 кВ при пяти и более присоединениях (два трансформатора три и более линии).

В нормальном режиме секционный выключатель QB и шиносоединительный выключатель Q1 отключены. Все разъединители QS линий и трансформаторов со стороны обходной системы шин (ОСШ) отключены. В нормальном режиме ОСШ находится без напряжения.

Схема с ОСШ является более надежной, чем предыдущая, поскольку позволяет проводить ремонт любого выключателя Q (линии или трансформатора) без отключения соответствующего присоединения. Для ремонта, например трансформаторного выключателя Q, включаются разъединитель QS и разъединители QS1 и QS2 обходного выключателя, включается обходной выключатель Q1, отключается выключатель Q и его разъединители. Трансформатор, питающий секцию 2, и линии, питающиеся от секции 2, остаются в работе. Для ремонта, например, линейного выключателя Q включаются разъединитель QS и разъединители QS1 и QS2 обходного выключателя, включается обходной выключатель Q1, отключается выключатель Q и его разъединители.

При ремонте одной секции шин (или любого шинного разъединителя) все линии, отходящие от этой секции, и трансформатор ремонтируемой секции отключаются. Это недостаток схемы.

Схема с двумя рабочими системами сборных шин и обходной системой шин (рис. 1.5,и) с обходным Q1 и шиносоединительным Q2 выключателями применяется для РУ 110-220 кВ при пяти и более присоединениях (два трансформатора, три и более линии).

В нормальном режиме обе системы шин I и II находятся под напряжением, все присоединения (линии и трансформаторы) равномерно распределены между системами шин.

В случае ремонта одной системы шин (или любого шинного разъединителя) все присоединения этой системы шин (линии и трансформатор) переводятся на вторую систему шин. Оба трансформатора остаются в работе. Это достоинства рассматриваемой схемы по сравнению с предыдущей схемой.

ОСШ, как и в предыдущей схеме, позволяет проводить ремонт любого выключателя (линии или трансформатора) без отключения соответствующего присоединения.

Типовые схемы РУНН 6...10 кВ, выполненные на базе комплектных шкафов КРУ, приведены на рис. 1.6.

Схема с одной секционированной системой шин (рис.1,6,а) применяется на подстанциях с трансформаторами без расщепления обмотки низшего напряжения. Схема с двумя секционированными системами шин (рис.1.6,б) применяется при расщепленных обмотках трансформаторов. При необходимости ограничения токов КЗ в цепи выключателей ввода Q устанавливаются токоограничивающие реакторы. При применении сдвоенных реакторов количество систем шин увеличится до четырех, а количество секций шин – до восьми.

При электроснабжении ответственных потребителей на секционных выключателях QВ предусматривается устройство автоматического ввода резервного питания (АВР). В нормальном режиме работы секционные выключатели отключены, трансформаторы работают раздельно. При исчезновении по какой-либо причине напряжения, например, на секции 1 автоматически отключается выключатель ввода Q1 и включается секционный выключатель QВ. Потребители секций 1 и 2 получают питание через трансформатор Т2.

а) б)

Рис. 1.6. Типовые схемы РУ 6...10 кВ подстанций

В настоящее время широко применяются комплектные трансформаторные подстанции блочного типа КТПБ с высшим напряжением до 220 кВ включительно. Применение КТПБ, укрупненные блоки которых полностью изготовлены в заводских условиях, позволяет уменьшить объем строительно-монтажных работ, увеличить надежность электроснабжения, повысить безопасность обслуживания, уменьшить габариты подстанций.

В зависимости от назначения и способа присоединения к электрической сети комплектация таких подстанций может быть самой разнообразной. На рис. 1.7 в качестве примера приведено конструктивное выполнение КТПБ напряжением 110/6-10 кВ с трансформаторами мощностью до 16 МВ×А включительно. Открытое распределительное устройство высшего напряжения выполнено в соответствии со схемой рис. 1.5,г. Распределительное устройство низшего напряжения выполнено закрытым.

Рис. 1.7. Конструктивное выполнение КТПБ напряжением 110/10 кВ:

1 - провода ВЛ; 2 - молниеотвод на портале; 3 - приемный портал; 4 - аппаратура высокочастотной связи; 5, 8, 10 – линейные разъединители; 6, 9 - разъединители в перемычках; 7, 15 - алюминиевые шины; 11 - выключатель; 12 - разрядник; 13 - разрядник и заземляющий нож в нейтрали трансформатора; 14 - силовой трансформатор; 16 - блок трансформатора собственных нужд; 17 - закрытое распределительное устройство 10 кВ; 18 - отдельно стоящий молниеотвод; 19 - трансформатор напряжения; 20 – разрядник; 21 - выключатель в перемычке; 22 - ограждение подстанции.