Основные требования к главным схемам электроустановок.
По дисциплине «Электрооборудование электрических станций и подстанций.
для специальности «Нетрадиционные источники электроэнергии.
Тема: Общая характеристика электрических станций.
Цель: Сформировать у слушателей знания о видах главных схем электростанций, элементах главных схем и требованиях к главным схемам.
1.Общие сведения о схемах электроустановок.
2.Элементы главных схем.
3.Основные требования к главным схемам электроустановок.
4.Виды главных схем.
1. А.А. Чунихин Электрические аппараты, М.:Энергоатомиздат, 1998, учебник для ВУЗов. 718 с.
2. Л.А. Родштейн. Электрические аппараты, Л.:Энергоиздат, 1981, учебник для техникумов. 304 с.
3. В.М.Яшутин, О.Ю.Анисимов Электрические аппараты СИЯиП, Учебное пособие, 200.
4. В.М.Яшутин, Альбом рисунков к учебному пособию , Электрические аппараты , СИЯиП, 1997.
5. Б.К. Буль и др. Основы теории электрических аппаратов. М. Высшая школа 1990. 230 с.
Общие сведения о схемах электроустановок.
Главной схемой электрических соединений электростанции (подстанции) называется совокупность основного электрооборудования (генераторы, трансформаторы, линии), сборных шин, коммутационной и другой первичной аппаратуры со всеми выполненными между ними соединениями.
Выбор главной схемы является определяющим при проектировании электрической части электростанций (подстанций), так как он определяет полный состав элементов и связей между ними. Выбранная главная схема является исходной при составлении принципиальной схемы электрических соединений, схемы собственных нужд, схемы вторичных соединений, монтажных схем и т.д.
На чертеже главные схемы изображаются в однолинейном исполнении, при отключенном положении всех элементов установки.
Все элементы и связи между ними изображаются в соответствии со стандартами единой системы конструкторской документации (ЕСКД.
В условиях эксплуатации наряду с принципиальной главной схемой применяются упрощенные оперативные схемы, в которых указывается только основное оборудование. Дежурный оперативный персонал каждой смены заполняет оперативную схему и вносит в нее необходимые изменения о положении выключателей и разъединителей, происходящие во время дежурства.
При проектировании электроустановок до разработки главной схемы составляется структурная схема выдачи электроэнергии (мощности), на которой показывают основные функциональные части электроустановки (РУ, генераторы, трансформаторы) и связи между ними. Структурные схемы служат для дальнейшей разработки более подробных и полных принципиальных схем, а также для общего ознакомления с работой электроустановки.
На чертежах этих схем функциональные части изображаются в виде прямоугольников или условных графических изображений (рисунок 1,а). Никакой аппаратуры (выключателей, разъединителей, трансформаторов тока и т.д.) на этой схеме не показывают.
На рисунке 1,б показана главная схема этой же подстанции без некоторых аппаратов – трансформаторов тока. напряжения, разрядников. Такая схема называется упрощенной принципиальной схемой электрических соединений. На полной принципиальной схеме указывают все аппараты первичной цепи, заземляющие ножи разъединителей и отделителей, указывают также типы применяемых аппаратов.
Рисунок 1 – Главная схема понизительной подстанции.
а – структурная схема; б – принципиальная схема.
Элементы главных схем.
К элементам главных схем, кроме основного электрооборудования (генераторы, трансформаторы), относятся шины, разъединители, выключатели, реакторы и измерительные трансформаторы, а также провода, соединяющие аппараты одного присоединения и фидера (ошиновка.
В зависимости от назначения различают сборные, обходные, рабочие, резервные шины.
Сборные шины предназначены для приема электроэнергии от генераторов и последующего распределения ее между присоединениями.
Обходные шины позволяют проводить ремонты оборудования без перерыва нормальной работы присоединений, получающих питание во время ремонта «в обход» своего выключателя от этой вспомогательной системы шин.
Резервные шины делают возможным ремонт сборных шин без перерыва работы станции и нарушения электроснабжения потребителей. В большинстве схем с двумя системами шин любая из них может выполнять функции или рабочей, или резервной.
Следующим важным элементом всякой схемы является выключатель. Выключатели различаются по выполняемым функциям.
Выключатель, при помощи которого осуществляются включения и отключения генераторов, трансформаторов и линий в нормальных и аварийных условиях, называется выключателем присоединения.
Соединение сборных шин между собой производится междушинным выключателем (МШВ), секций шин – секционным выключателем.
Обходной выключатель связан с обходной системой шин и заменяет основные выключатели присоединений при их ремонте.
Разъединители используют в основном при ремонтах, создавая между ремонтирующимся оборудованием и элементами РУ, находящимися под напряжением, безопасный воздушный промежуток и обеспечивая между ними видимый разрыв.
Часто разъединители выполняют оперативные функции при выборе системы шин и подключении к ним присоединений. Существуют также заземляющие разъединители для надежного заземления отключенной для ремонта установки и специальные разъединители с быстродействующим автоматическим приводом, используемые для включения на землю одной или нескольких фаз, находящихся под напряжением и называемые короткозамыкателями.
Специальным типом разъединителя является также отделитель, назначение которого состоит в быстром отключении цепи в бестоковую паузу АПВ для образования изоляционного промежутка. В сочетании с короткозамыкателями отделители иногда заменяют выключатели в неответственных установках.
Ограничение токов короткого замыкания и облегчение коммутационной аппаратуры и шин достигается установкой реакторов между отдельными секциями шин (секционные реакторы) и в отходящих питающих линиях (фидерные реакторы). Обычно реактивирование шин и отходящих линий производят только на генераторном напряжении.
Трансформаторы тока и напряжения предназначены для преобразования тока и напряжения первичных цепей в величины, удобные для непосредственного измерения стандартными измерительными приборами и безопасные для обслуживающего персонала.
Измерительные и коммутационные аппараты, относящиеся к одному элементу основного оборудования станции (генератору, трансформатору, линии), вместе с соединительными проводниками и шинами образуют укрупненный элемент главной схемы, который принято называть электрическим присоединением. Генераторы имеют одно присоединение, трансформаторы в зависимости от числа обмоток – два или три, линии – два присоединения (по одному на каждом конце.
Основные требования к главным схемам электроустановок.
При выборе схемы электроустановки должны учитываться следующие факторы.
— значение электростанции или подстанции для электросистемы.
Электрические станции, работающие параллельно в энергосистеме, существенно отличаются по своему назначению. Одни из них, базовые, несут основную нагрузку (АЭС), другие, пиковые, работают неполные сутки во время максимальных нагрузок (газотурбинные электростанции), третьи несут электрическую нагрузку, определяемую их тепловыми потребителями (ТЭЦ). Различное назначение электростанций определяет целесообразность применения разных схем электрических соединений даже в том случае, когда количество присоединений одно и то же.
Подстанции могут предназначаться для питания отдельных потребителей или крупного района, для связи частей энергосистемы или различных энергосистем. Роль подстанции определяет ее схему.
— положение электростанции или подстанции в энергосистеме, схема и напряжения прилегающих сетей.
Шины ВН электростанции или подстанции могут быть узловыми точками энергосистемы, осуществляя объединение на параллельную работу нескольких подстанций. В этом случае через шины этой станции происходит переток мощности из одной части электросистемы в другую.
При выборе схем таких электроустановок в первую очередь учитывается необходимость сохранения транзита мощности.
Подстанции могут быть тупиковыми, проходными, отпаечными. Схемы таких подстанций будут различными даже при одном и том же числе трансформаторов одинаковой мощности.
Схемы распределительных устройств 6 – 10кВ зависят от схемы электроснабжения потребителей: питание по одиночным или параллельным линиям, наличие резервных вводов у потребителей и т.п.
— категория потребителей по степени надежности электроснабжения.
Все потребители с точки зрения надежности электроснабжения разделяются на три категории.
Электроприемники первой категории – потребители, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего оборудования, массовый брак продукции (нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства при нарушениях электроснабжения.
Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа потребителей, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования.
Электроприемники первой категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания, перерыв допускается лишь на время автоматического восстановления питания.
Для электроснабжения особой группы потребителей первой категории предусматривается дополнительное питание от третьего независимого источника. Независимыми источниками питания могут служить местные электростанции, электростанции энергосистем, специальные агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи.
Электроприемники второй категории – это потребители, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта.
Эти электроприемники рекомендуется обеспечивать питанием от двух независимых источников. Для потребителей второй категории при нарушении электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной бригады.
При наличии централизованного резерва трансформаторов и возможности замены поврежденного трансформатора за время не более одних суток допускается питание электроприемников второй категории от одного трансформатора.
Электроприемники третьей категории – это все остальные потребители, не подходящие под определение первой и второй категорий.
Для этих электроприемников электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы не превышают одних суток.
При выборе схемы электроустановки учитывается допустимый уровень токов КЗ. При необходимости решаются вопросы секционирования сетей, деления электроустановки на независимо работающие части, установки специальных токоограничивающих устройств.
Из сложного комплекса предъявляемых условий, влияющих на выбор главной схемы электроустановки, можно выделить следующие основные требования к схемам.
а) надежность электроснабжения потребителей.
б) приспособленность к проведению ремонтных работ.
в) оперативная гибкость электрической схемы.
г) экономическая целесообразность.
Надежность – свойство электроустановки, участка электрической сети или энергосистемы в целом обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей электроэнергией нормированного качества. Повреждение оборудования в любой части схемы по возможности не должно нарушать электроснабжение, выдачу электроэнергии в электрическую систему, транзит мощности через шины. Надежность схемы должна соответствовать характеру (категории) потребителей, получающих питание от данной электроустановки.
Надежность можно оценить частотой и продолжительностью нарушения электроснабжения потребителей и относительной величиной аварийного резерва, который необходим для обеспечения заданного уровня безаварийной работы энергосистемы и ее отдельных узлов.
Приспособленность электроустановки к проведению ремонтов определяется возможностью проведения ремонтов без нарушения или ограничения электроснабжения потребителей. Есть схемы, в которых для ремонта выключателя надо отключать данное присоединение на все время ремонта, в других схемах требуется лишь временное отключение отдельных присоединений для создания специальной ремонтной схемы; в третьих ремонт выключателя производится без нарушения электроснабжения даже на короткий срок. Таким образом, приспособленность для проведения ремонтов рассматриваемой схемы можно оценить количественно частотой и средней продолжительностью отключений потребителей и источников питания для ремонтов оборудования.
Оперативная гибкость электрической схемы определяется ее приспособленностью для создания необходимых эксплуатационных режимов и проведения оперативных переключений.
Наибольшая оперативная гибкость схемы обеспечивается, если оперативные переключения в ней производится выключателями или другими коммутационными аппаратами с дистанционным приводом. Если все операции осуществляются дистанционно, а еще лучше средствами автоматики, то ликвидация аварийного состояния системы значительно ускоряется. Оперативная гибкость оценивается количеством, сложностью и продолжительностью оперативных переключений.
Экономическая целесообразность схемы оценивается приведенными затратами, включающими в себя затраты на сооружение установки – капиталовложения, ее эксплуатацию и возможный ущерб от нарушения электроснабжения.
4.1 Схемы с одной системой шин.
Наиболее простым видом главной схемы является схема с одной несекционированной системой шин (рисунок 2). Достоинства схемы заключаются в крайней простоте, наглядности и минимальных затратах на сооружение распределительного устройства (РУ.
Рисунок 2 — Схема с одной несекционированной системой шин.
Основным недостатком является, что такая схема не обеспечивает достаточной надежности электроснабжения. Повреждение шин, шинных разъединителей или любого выключателя вызывает полное погашение всех присоединений. Ремонт шин требует прекращения электроснабжения всех потребителей. Ревизия любого выключателя также сопряжена с погашением его присоединения на все время работ.
Уменьшить объем погашений при одной системе шин возможно секционированием этих шин (рисунок 3.
Рисунок 3 — Схема с секционированной системой шин.
Основным недостатком данной схемы является тот факт, что существенного уменьшения объема погашений в такой схеме во время аварий можно добиться только при глубоком ее секционировании, когда число секций равно числу присоединений. Это делает схему неэкономичной, причем необходимость в погашении присоединений при ремонте их выключателей остается.
Повышение надежности схемы с одной системой шин может быть достигнуто превращением ее в кольцевую путем соединения между собой концов шин (рисунок 4.
Рисунок 4 – Кольцевая схема.
Тем не менее, преимущества кольцевой схемы . заключающиеся в двухстороннем питании присоединений, реализуются только при ее глубоком секционировании. Ревизия выключателя присоединения на время ремонта также приводит к погашению этого присоединения.
Добавление обходного разъединителя QS1, который позволяет проводить ревизию выключателя присоединения без перерыва питания потребителей повышает ремонтопригодность кольцевых схем (рисунок 5.
Рисунок 5 – Схема включения обходного разъединителя.
4.2 Схемы с одной рабочей и обходной системами шин.
Усовершенствованием схемы с одной системой шин является добавление к рабочей системе специальной обходной системы шин (рисунок 6). Каждое присоединение при этом может быть подключено к обходной системе шин (ОСШ) через свой обходной разъединитель, а сама обходная система связывается с рабочей при помощи обходного выключателя QO.
Рисунок 6 – Схема с одной рабочей и обходной системой шин.
Вывод выключателя присоединения в ремонт производится следующим образом.
— включается обходной выключатель QO.
— включается обходной разъединитель присоединения, выключатель которого должен ревизоваться (например, QS1.
— отключается выключатель присоединения (например Q1), и разбирается его схема. После наложения заземлений выключатель готов к ремонту.
Схема с одной рабочей и одной обходной системами шин обладает следующими достоинствами . ревизия любого выключателя может выполняться без перерыва работы присоединения, отсутствуют разъединители шинной развилки (исключаются ошибки персонала.
Однако, схема имеет и ряд недостатков . необходима установка обходного и секционного выключателей, ревизия основной рабочей системы шин невозможна без погашения присоединений, КЗ на рабочей системе шин приводит к погашению всех присоединений, основные переключения присоединений осуществляются с помощью разъединителей.
Область применения схем с одной рабочей и обходной системами шин . рекомендуется для ВН подстанций 110 кВ при числе присоединений до шести включительно (с учетом трансформаторов), когда нарушение параллельной работы линий допустимо и отсутствует перспектива дальнейшего расширения подстанции. Если ожидается расширение РУ, то в цепях трансформаторов устанавливаются выключатели. Схемы с трансформаторными выключателями могут применяться для напряжений 110 кВ и 220 кВ на стороне высокого напряжения и с.н. подстанций.
4.3 Схема с двумя рабочими и обходной системой шин.
В электрических станциях 110-220кВ широко применяется схема с двумя основными и одной обходной системами шин (рисунок 7). Эта схема с одним выключателем на цепь, обладая всеми достоинствами простой схемы с двумя системами шин, имеет более высокую ремонтопригодность. Она дает возможность ревизии любого выключателя без перерыва работы присоединений, а также позволяет группировать эти присоединения произвольным образом.
Рисунок 7 – Схема с двумя основными и обходной системами шин.
Как правило, обе системы шин находятся под питанием при фиксированном распределении присоединений: линия W1 и трансформатор Т1 присоединены к первой системе шин РСШ I, линия W2 и трансформатор Т2 присоединены к системе шин РСШ II; шиносоединительный выключатель QА включен. Такое соединение значительно увеличивает надежность схемы, так как при коротком замыкании на шинах отключается шиносоединительный выключатель QА и только половина присоединений потеряет питание. Если замыкание устойчивое, то присоединения, потерявшие питание, переводятся на исправную систему шин. Перерыв электроснабжения этой половины присоединений определяется длительностью переключения присоединений.
— малое количество выключателей (один на одно присоединение.
— достаточно высокая надежность схемы.
— относительно малое время перерыва электроснабжения при авариях на одной из систем шин.
— повреждение шиносоединительного выключателя QА равносильно короткому замыканию на обеих системах шин.
— усложняется эксплуатация РУ, так как при выводе в ревизию и ремонт выключателей требуется большое число операций разъединителями.
— увеличены затраты на сооружение ОРУ в связи с установкой шиносоединительного, обходного выключателей и большого количества разъединителей.
Область применения . рекомендуется для ВН и СН РУ 110…220 кВ электростанций при числе присоединений до 12 и подстанций при 7…15 присоединениях. При числе присоединений 12…16 секционируется одна система шин, при большем количестве присоединений секционируются обе системы шин.
4.4 Схемы с двумя системами шин и тремя выключателями на два присоединения.
В распределительных устройствах 330…750 кВ применяется схема (рисунок 
с двумя системами шин и тремя выключателями на два присоединения.
Как следует из рисунка, на шесть присоединений необходимо иметь в схеме 9 выключателей, т.е. на каждое присоединение приходится полтора выключателя (поэтому схема носит название «полуторной» или «3/2 выключателя на цепь.
Каждое присоединение включено через два выключателя. Для отключения, например, линии W2 надо отключить выключатели Q5 и Q6, а для отключения трансформатора Т2 – выключатели Q4 и Q5.
В нормальном режиме все выключатели включены, обе системы шин находятся под напряжением. Для ревизии любого выключателя отключают выключатель и его разъединители, установленные с двух сторон выключателя. Таким образом, для вывода в ревизию нужно минимальное количество операций.
Разъединители служат только для отделения выключателя при ремонтах, никаких оперативных переключений ими не проводят.
Рисунок 8 – Схема с двумя системами шин и тремя выключателями на два присоединения.
Схема позволяет производить опробование выключателей в рабочем режиме без операций разъединителями.
Для увеличения надежности схемы одноименные элементы присоединяются к разным системам шин: трансформаторы Т1, Т3 и линия W2 к первой системе шин А1, трансформатор Т2 и линии W1, W3 – ко второй системе шин – А2.
При таком состоянии в случае повреждения любого элемента или сборных шин при одновременном отказе в действии одного выключателя и ремонте выключателя другого присоединения отключается не более одной линии и одного источника питания.
– высокая надежность и гибкость. Например, произошло короткое замыкание на сборных шинах А2. По сигналам защиты отключатся выключатели Q1, Q4 и Q7. При этом все присоединения останутся в работе. При одинаковом числе источников и линий, линии останутся в работе даже при повреждении двух систем шин; при этом лишь нарушится параллельная работа линий.
– при ревизии любого выключателя все присоединения остаются в работе.
– схема позволяет производить опробование выключателей в рабочем режиме без операций разъединителями.
– количество необходимых операций разъединителями в течение года для вывода в ревизию поочередно всех выключателей, разъединителей и сборных шин в этой схеме значительно меньше, чем в схеме с двумя рабочими и обходной системами шин.
– отключение КЗ на линии двумя выключателями, что увеличивает количество ревизий выключателя.
– удорожание конструкций РУ в связи с увеличением числа выключателей, особенно при нечетном числе присоединений, так как каждая цепь должна присоединяться через два выключателя.
– снижение надежности схемы, если количество линий не соответствует числу трансформаторов. В этом случае к одной цепочке из 3 выключателей присоединяется две линии, поэтому возможно аварийное отключение одновременно двух линий.
– номинальный ток выключателей определяется режимом ремонта одного из выключателей, когда по смежному с ремонтируемым выключателю может протекать ток двух присоединений.
– усложнение релейной защиты.
– увеличение количества выключателей.
Область применения . благодаря высокой надежности и гибкости схема находит широкое применение в РУ 330…750кВ на мощных электростанциях.
4.5 Схема с двумя системами шин и четырьмя выключателями на три присоединения.
В этой схеме (рисунок 9) на 9 присоединений приходится 12 выключателей, т.е. на каждое присоединение по 4/3 выключателя.
Наилучшие показатели имеет схема, в которой число линий и трансформаторов отличается в два раза (рисунок 11.6.
Схема с 4/3 выключателями на присоединение имеет все достоинства схемы 3/2, а кроме того.
– схема более экономична (1,333 выключателя вместо 1,5 на присоединение.
– секционирование шин требуется только при 15-ти присоединениях и более.
– надежность схемы не снижается, если в одной цепочке будут присоединены две линии и один трансформатор вместо двух трансформаторов и одной линии.
– конструкция ОРУ по рассмотренной схеме достаточно экономична и удобна в обслуживании, если принять компоновку с двухрядным расположением выключателей.
Рисунок 9 — Схема с двумя системами шин и четырьмя выключателями на три присоединения.
Недостатки схемы аналогичны указанным для семы с двумя системами шин и тремя выключателями на два присоединия. кроме того.
– при ремонте любого из выключателей, примыкающего к шинам, отказ другого, примыкающего к шинам выключателя в той же цепочке приводит к потере трех присоединений, поэтому присоединения не следует делать одноименными.
– при ремонте любого из выключателей и отключении в той же цепочке смежного с ремонтируемым выключателя происходит ложное отключение присоединения, коммутируемого ремонтируемым и отключившимся выключателем.
– при общем числе присоединений, не кратном трем, увеличивается число выключателей, то есть одну или две цепочки в РУ приходится включать по схеме 3/2 или даже включать одно присоединение через два выключателя.
– номинальный ток выключателей определяется режимом ремонта одного из выключателей, примыкающих к шинам, когда по не смежному с ремонтируемым выключателю среднего ряда рассматриваемой цепочки может протекать суммарный ток двух присоединений, а по другому, не примыкающему к шинам выключателю данной цепочки – суммарный ток трех присоединений.
Область применения . достаточно широко в РУ 330 … 750кВ мощных КЭС и АЭС.
Из анализа недостатков схем 3/2 и 4/3 следует.
1) очень важно для снижения вероятностей ложного отключения присоединений держать замкнутыми все выключатели в РУ, в том числе и выключатели неработающих элементов, если хотя бы одно присоединение из этой цепочки остается включенным.
2) вероятность аварийного отключения блоков и линий, повреждений и отказов коммутационной аппаратуры в период ремонта выключателей и связанных с этим отключений неповрежденных присоединений зависит от продолжительности ремонта, повреждаемости линий и блоков, а также от числа цепей. Все это необходимо учитывать при выборе схемы РУ.
1. Виды схем электроустановок.
2. Назначение типовых элементов главных схем.
3. Факторы влияющие на выбор схемы электроустановки.
4. Требования, предъявляемые к главным схемам электроустановок.
5. Схемы с одной системой шин. Достоинства и недостатки.
6. Схемы с одной рабочей и обходной системами шин. Достоинства и недостатки.
7. Схемы с двумя рабочими и обходной системами шин. Достоинства и недостатки.
8. Схемы с двумя системами шин и тремя выключателями на два присоединения. Достоинства и недостатки.
9. Схемы с двумя системами шин и четырьмя выключателями на три присоединения. Достоинства и недостатки.
