Типовые электрические схемы распределительных устройств электростанций и подстанций. Характеристики. Применение. Оперативные переключения

Владимир Сергеевич Марков, 2016

Рассмотрены все типовые электрические схемы распределительных устройств 6-750 кВ электростанций и подстанций. Приведено более 30 примеров циклов оперативных переключений. Предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся вопросами проектирования, эксплуатации и управления режимами работы электростанций, подстанций и электрических сетей, а также студентов, обучающихся по планам подготовки бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика», Полезна в сочетании с другой книгой автора "Главные электрические схемы и схемы питания собственных нужд электрических станций и подстанций".

1. Схемы распределительных устройств объектов электрической сети (ОЭС)

1.1. Схемы распределительных устройств. Общая информация

Распределительным устройством (РУ) называется электроустановка, служащая для приёма и распределения электроэнергии и содержащая коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, вспомогательные устройства (компрессорные, аккумуляторные и др.), а также устройства защиты, автоматики и измерительные приборы [1]. Распределительные устройства могут быть открытыми (ОРУ), закрытыми (ЗРУ) и комплектными (КРУ).

ОРУ называется РУ, всё или основное оборудование которого расположено на открытом воздухе. ЗРУ называется РУ, оборудование, которого находится в здании. КРУ называется РУ, состоящее из полностью или частично закрытых шкафов или блоков со встроенными в них аппаратами, устройствами защиты и автоматики, поставляемое в собранном виде или подготовленном для сборки виде.

Связи оборудования РУ отражены на их электрических схемах. При проектировании, сооружении и эксплуатации ОЭС используются так называемые однолинейные схемы, на которых одно и то же оборудование многофазных установок показывается в основном для одной фазы. На этих схемах могут быть фрагменты, относящиеся к каждой фазе электроустановки, если отличается состав оборудования разных фаз.

Схемы РУ могут быть полными и упрощёнными. На полных схемах показывается всё оборудование с учётом требований ГОСТ и ЕСКД. На упрощенных схемах, используемых в учебных целях, не показывают такое оборудование, как измерительные трансформаторы тока и напряжения, разрядники и другие ограничители перенапряжения (ОПН), специальные элементы заземления электроустановок. Разъединители на этих схемах показываются упрощенно в виде косой черты, пересекающей токоведущую часть. В данном пособии показаны и те, и другие варианты схем РУ. Присутствуют схемы, скопированные из альбома типовых схем без буквенных обозначений электроаппаратов и токоведущих частей. На принципиальных схемах РУ допускается не показывать контакты высоковольтных выключателей. Состояние контактов коммутационных электроаппаратов на всех схемах, кроме оперативных, используемых оперативным персоналом станций и подстанций, принято показывать отключённым вне зависимости от их состояния при эксплуатации РУ. На схемах, входящих в проект станции или подстанции, должны указываться типы, марки и основные характеристики оборудования.

На оперативных схемах присутствуют принятые на станции или подстанции буквенно-цифровые обозначения генераторов, трансформаторов, электроаппаратов, секций и систем шинных конструкций. В России до сих пор электрооборудование РУ принято обозначать русскими буквами. Например, ВТ — выключатель трансформатора, ШР — шинный разъединитель, СК — секция распределительного устройства и т.п. В международной практике приняты обозначения электроаппаратов и токоведущих частей с применением букв латинского алфавита: Q-выключатель, QS-разъединитель, A-система шин и т.п.

Выбор схемы РУ в конкретном случае определяется рядом факторов, главными из которых являются:

–тип электростанции или подстанции, её технологические особенности и роль в энергосистеме;

–номинальное напряжение, на котором передаётся электроэнергия в сторону РУ и от него;

–характеристики присоединений РУ (трансформаторов, линий электропередач, устройств для выработки или потребления реактивной мощности), а именно: их номинальные мощности (пропускная способность), общее количество присоединений каждого вида, число непарных или не резервируемых ЛЭП; перспективы изменения количества присоединений РУ между 5-м и 10-м годом эксплуатации ОЭС.

В некоторых случаях возможно выполнение РУ по двум или трём альтернативным схемам. В первую очередь должны рассматриваться варианты схем, входящих в перечень типовых. Выполнение РУ по типовым схемам гарантирует, как правило, его сооружение в нормативные сроки, при минимуме затрат денежных средств, а также возможность расширения РУ (переход к другой схеме) с минимальным объёмом работ. Отказ от использования типовой схемы РУ требует соответствующего технико-экономического обоснования.

1.2. Требования, предъявляемые к схемам РУ

Схемы РУ при конкретном проектировании разрабатываются на основании схем развития энергосистемы, схем электроснабжения района или объекта и других работ по развитию электрических сетей. Они должны удовлетворять ряду требований (критериев). Важнейшие из них: надежность, экономичность, удобство эксплуатации, техническая гибкость, экологическая чистота, компактность, унифицированность. В настоящей работе приводятся определения указанных категорий в том виде, в каком они даны в [4].

Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Уровень надежности может быть регламентирован или экономически обоснован. Требования к надежности схем РУ в основных и распределительных сетях различаются. Так, при расчетных отказах в первых из них критерием допустимости значения одновременного сброса мощности из-за отказов элементов схем является сохранение устойчивости генерирующих источников в энергосистеме, в том числе статической апериодической устойчивости, а также предотвращение недопустимых токовых перегрузок электрооборудования. В свою очередь для схем РУ в распределительных сетях одно из первостепенных значений приобретает обеспечение электроснабжения потребителей в соответствии с их категорийностью, регламентированной нормативными документами.

Экономичность подразумевает принятие решений с учетом необходимых капитальных вложений и сопутствующих ежегодных издержек производства и сбыта продукции. Принимаемый уровень надежности обосновывается сопоставлением затрат на его повышение с экономическими последствиями из-за ненадежности (например, с ущербом или штрафными санкциями) при расчетных отказах элементов схем. При анализе режимов следует учитывать параметры электросетевого и генерирующего оборудования, а также возможность применения противоаварийного управления. Выбор схемы РУ должен быть произведен на основании технико-экономических показателей, учитывающих затраты на его сооружение и эксплуатацию и экономические последствия, вызванные аварийными возмущениями. При этом показатели надежности элементов схемы РУ должны быть приняты на основании опыта эксплуатации или в соответствие со стандартами организации.

Удобство эксплуатации заключается в наглядности и простоте схем, снижающих вероятность ошибочных действий персонала, возможности минимизации количества переключений при изменении режима применительно как к первичным, так и вторичным цепям, в обеспечении соответствия режимов работы электроустановки и энергосистемы.

Техническая гибкость — способность адаптироваться к изменяющимся условиям работы электроустановки при плановых и аварийно-восстановительных ремонтах, расширении, реконструкции и испытаниях.

Экологическая чистота определяется степенью воздействия электроустановки на окружающую среду, как-то: шум, электрические и магнитные поля, загрязнение выбросами и отходами, нарушение ландшафта и пр.

Компактность характеризуется возможностью минимизации площади земли, отчуждаемой под РУ. Это позволяет наиболее рационально решать проблему приобретения земельных участков, которая при обосновании и выборе схем электроустановок нередко является определяющей.

Унифицированность заключается в применении ограниченного числа типовых схем. Использование типовых решений позволяет снижать материальные и финансовые затраты на проектирование, монтаж, пуско-наладку и эксплуатацию электроустановки.

Удобство эксплуатации, техническую гибкость и экологическую чистоту следует также рассматривать в контексте соответствующих нормативов безопасности персонала и предельно допустимых параметров воздействия электроустановки на окружающую среду. Техническое решение должно обеспечивать требуемое качество электроэнергии и обеспечивать работу РУ при расчетных значениях токов короткого замыкания. Схемы РУ должны предусматривать вывод выключателей и отделителей в ремонт, осуществляемый:

–для всех схем РУ напряжением 6-35 кВ, а также для блочных и мостиковых схем РУ напряжением 110, 220 кВ (за исключением цепи, по которой осуществляется транзит мощности) — путем временного отключения цепи, в которой установлен ремонтируемый аппарат;

–для мостиковых схем РУ напряжением 35-220 кВ — путем применения ремонтных перемычек, за исключением случаев, когда перемычки отсутствуют;

–для схем со сборными шинами РУ напряжением 110, 220 кВ — путем применения обходных выключателей, за исключением случаев, когда обходная система шин отсутствует;

–для схем РУ напряжением 6-220 кВ — путем установки подменного выключателя, если применяется такой тип выключателя (схемы с выкатными выключателями, КРУЭ);

–для схем РУ напряжением 330-750 кВ (кроме схем блоков 330,500 кВ), а также 110-220 кВ по схеме четырехугольника — отключением выключателя без отключения присоединения.

Число одновременно срабатывающих выключателей в пределах РУ одного напряжения должно быть не более:

–при повреждении линии — двух;

–при повреждении трансформаторов напряжением до 500 кВ — четырех;

–при повреждении трансформаторов напряжением 750 кВ — трех.

Схемы с отделителями допустимо использовать в электрических сетях только на напряжении 110 кВ в том случае, когда владелец объекта не может обеспечить укомплектование РУ требуемым количеством выключателей. Их недопустимо применять в следующих случаях:

–в РУ, расположенных в зонах холодного климата, а также в особо гололедных районах;

–в районах с сейсмичностью более 6 баллов по шкале МSК-64;

–когда действие отделителей и короткозамыкателей приводит к выпадению из синхронизма синхронных двигателей у потребителя или нарушению технологических процессов;

–для присоединения трансформаторов мощностью более 25 МBA;

–в цепях трансформаторов, присоединенных к линиям, имеющим ОАПВ.

В схемах без выключателей в цепях трансформаторов для обеспечения отключения головного выключателя питающей линии при повреждении трансформатора применяются следующие решения:

–короткозамыкатели в одной фазе — для сетей 110 кВ;

–передача сигнала на отключение выключателя с применением устройства телеотключения или по кабелям.

Применение передачи отключающего сигнала должно иметь технико-экономическое обоснование. При этом в целях резервирования для РУ напряжением 110 кВ допускается установка короткозамыкателя.

1.3. Принципы выполнения схем распределительных устройств

Изучая схемы РУ, необходимо понять общие принципы их выполнения. Важнейшими из них являются:

–схемы РУ (кроме некоторых блочных схем) формируются из комплектов оборудования электроаппаратов, в которые входят: один выключатель, два разъединителя и один или несколько трансформатор тока;

–основными элементами схемы РУ являются силовые выключатели. Они предназначены для коммутаций цепей при протекании по ним токов эксплуатационных режимов и режимов КЗ. При отказе оборудования отключается один или несколько ближайших к нему выключателя;

–самыми многочисленными электроаппаратами РУ являются разъединители; они предназначены для создания видимых разрывов цепи предварительно отключенной выключателем или надежно шунтированной другими коммутационными аппаратами; при выводе в ремонт отключаются ближайшие к ремонтируемому оборудованию разъединители, что позволяет максимально сократить зону отключения;

–на разъединителях есть специальные контакты (ножи), связанные с одной стороны с заземляющим устройством ОЭС, и конкретной точкой РУ, с другой стороны. Они необходимы для создания так называемого стационарного заземления части электроустановки и обеспечения дополнительной безопасности ремонтного персонала; между основными и заземляющими контактами разъединителей есть разного рода блокировки, препятствующие включению заземляющих ножей при включенных основных контактах и наоборот включение основных контактов при включенных заземляющих ножах;

–секционирование (деление) системы шин осуществляется комплектом оборудования, в который входят так называемый секционный выключатель (СВ), трансформатор тока и два разъединителя (рис.5.1); при выполнении дифференциальных релейных защит секций устанавливаются, как правило, два трансформатора тока;

— в некоторых цепях, например, перемычках, последовательно (рядом) устанавливаются два разъединителя, что позволяет выводить в ремонт любой из них, создавая видимый разрыв на другом, сохраняя большую часть электроустановки в работе;

— в кольцевых схемах РУ (рис.4.1-4.3) число комплектов оборудования равно числу присоединений;

–в полуторные цепочки РУ (рис 6.1) подключаются по два присоединения к трем комплектам электроаппаратов, в вертикальные цепочки, состоящие из четырех выключателей. подключаются по три присоединения.

1.4. Основные правила выполнения оперативных переключений

Вывод любого электрооборудования в ремонт предусматривает отключение ремонтируемого элемента от источников питания, выделение его из схемы путём создания видимого разрыва (на разъединителях или отделителях) в точках, максимально приближенных к месту выполнения работ, а также заземления части электроустановки со всех сторон, откуда может быть подано напряжение к месту выполнения работ. Операции на разъединителях могут выполняться после отключения цепей выключателями и отсутствии тока в цепи. Если до или после коммутации разъединителя по нему протекает ток, то отключение или включение разъединителя допустимо при наличии шунтирующей разъединитель цепи. Например, в схеме мостика, приведенной на рис. 3.3, допускается включение или отключение разъединителей в перемычке (QS5 или QS6) при включенных разъединителях QS7 — QS10 и выключателе Q3.

При ремонтах секций или систем шин РУ от него должны быть отключены все присоединения и созданы соответствующие видимые разрывы цепи. При наличии в РУ нескольких (двух) систем шин присоединение может быть временно переведено с одной на другую систему шин. Обязательным условием безопасного перевода присоединения с одной системы шин на другую является равенство напряжения на этих системах шин. Для выполнения этого условия в момент перевода присоединения между системами шин должна быть цепь связи через так называемый шиносоединительный выключатель (ШСВ) или разъединитель (пару разъединителей какого-либо присоединения).

При проведении ремонтов должно быть организовано заземление части электроустановки со всех сторон, откуда может быть подано (даже ошибочно) напряжение на выводимое в ремонт оборудование. Исключение относится к сборным шинам РУ. Для них должно быть предусмотрено стационарное заземление, как правило, в двух разных точках РУ независимо от количества подключаемых присоединений.

В схемах РУ с обходной системой шин (ОСШ) (рис. 5.8, 5.9, 5.10 и 5.12-5.14) присоединение на нее переводится при ремонтах основного (единственного) выключателя линии или трансформатора. Напряжение на ОСШ подается с рабочих систем или секций сборных шин через обходной выключатель (ОВ), который выполняет функцию выключателя присоединения на время ремонта его основного выключателя.

До включения или отключения разъединителей в ОРУ должна быть выполнена проверка состояния колонок его изоляторов. Эти действия необходимы для предотвращения поломки разъединителя во время выполнения его коммутации и повышения безопасности оперативного персонала (ОП). В приведенных примерах эта процедура не обозначается.

Для предотвращения самопроизвольного изменения состояния контактов выключателя предусматривается такая процедура, как снятие оперативного тока (ОТ) с привода выключателя. После снятия оперативного тока контакты аппарата практически не могут изменить то состояние, в котором они находились до снятия оперативного тока. Необходимость проверки по месту установки включенного/отключенного положения выключателя после снятия (подачи) ОТ с устройств управления его привода оговаривается в [2,9]. Эта процедура предусмотрена для дополнительной страховки ОП, выполняющего переключения.

Перед отключением или включением намагничивающих токов силовых трансформаторов 110-220 кВ (трансформаторы на холостом ходу), работающих с разземленной нейтралью, необходимо заземлить их нейтрали разъединителем нейтрали (ЗОН). До отключения выключателей воздушных линий при выводе ЛЭП в ремонт (резерв) необходимость вывода устройство автоматического повторного включения (АПВ) в зависимости от их схемы и конструкции определяется указаниями инструкций по РЗ и А. В примерах циклов оперативных переключений вывода в ремонт и ввода в работу главных трансформаторов на двухтрансформаторных подстанциях с двумя напряжениями рассмотрены режимы эксплуатации оборудования, соответствующие требованиям «Норм технологического проектирования подстанций переменного тока напряжением 35-750 кВ» [5]. Трансформаторы работают раздельно на стороне 6,10,35 кВ для уменьшения токов короткого замыкания в этих РУ и связанной с ним сети. Секционный выключатель в РУ этих напряжений в нормальных условиях отключен. Возможно включение этого выключателя от АВР при отключении любого трансформатора его РЗ. Трансформаторы имеют устройства автоматического регулирования напряжения (АРНТ) и устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН).

При вводе оборудования в работу необходимо:

— снять заземление, установленное до ремонта и во время его;

— устранить видимые разрывы цепей;

— подать напряжение (проверить исправное состояние);

— включить соответствующие цепи.

Действия персонала могут приводить к достижению одновременно нескольких целей: отключению цепи и снятию напряжения, созданию видимого разрыва и снятию напряжения, отключению цепи и созданию видимого разрыва и т.д.

В разделах 2-6 рассмотрены примеры циклов оперативных переключений без указания некоторых процедур, выполняемых в реальных условиях, а именно:

–проверки состояния колонок изоляторов (СКИ) разъединителей и отделителей до их включения или отключения,

–вывода из работы/ввода в работу устройства автоматического повторного включения (АПВ) линий электропередач, устройства автоматического ввода резервного питания (АВР),

–включения/отключения заземляющего ножа в нейтрали обмотки трансформатора 110-220 кВ,

–дистанционного выравнивания напряжения на секциях РУ до включения силовых трансформаторов на параллельную работу,

— снятия оперативного тока с привода выключателя, проверки включенного/отключенного положения выключателя и т.д.

То, какие именно процедуры не упоминаются в конкретных примерах, зависит от их важности в соответствующих циклах переключений.

В разделе 7 приведены примеры циклов оперативных переключений, в которых указаны практически все действия персонала при выводе оборудования в ремонт (резерв). Эти примеры взяты из приложения к Приказу Министерства энергетики Российской Федерации от 13 сентября 2018 г. № 757 об утверждении правил переключений в электроустановках [9].

В приложении к основному тексту приводятся паспорта наиболее часто используемых типовых схем РУ: «Мостик с выключателями в цепях линий и ремонтной перемычкой со стороны линий», «Две рабочие и обходная системы сборных шин. Взяты автором из [4]. В паспортах указываются основные свойства схемы РУ: её номер, область использования, степень удовлетворения важнейшим требованиям, схемы, к которым допускается переход в перспективе, данные об устанавливаемом оборудовании и т.д.