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

Владимир Марков

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

Обозначения и сокращения

В тексте применены следующие обозначения и сокращения:

АВ (QF) –автоматический выключатель;

АВР –автоматическое включение резерва;

АГП –автомат гашения магнитного поля;

АПВ – автоматическое повторное включение;

АРВ – автоматический регулятор возбуждения;

АТ – автотрансформатор;

АЧР – автоматическая частотная разгрузка;

АЭС – атомная электростанция;

В (Q) – выключатель;

ВЛ – воздушная линия электропередачи;

ДГР – дугогасящий реактор;

ДЗШ – дифференциальная защита шин;

ЕЭС России –Единая энергетическая система России;

ЗН (QSG) –заземляющий разъединитель (заземляющие ножи разъединителя);

ЗОН – заземляющий однополюсный нож;

ЗРУ – закрытое распределительное устройство;

КЗ (QN) –короткозамыкатель;

К.З. (к.з.) – короткое замыкание;

КЛ – кабельная линия электропередачи;

КРУ – комплектное распределительное устройство;

КРУН – комплектное распределительное устройство наружной установки;

КРУЭ – комплектное распределительное устройство с элегазовой изоляцией;

КЭС – конденсационная электростанция;

ЛЭП (W) – линия электропередачи;

ОД (QR) –отделитель;

ОВ (QO) – обходной выключатель;

ОВБ – оперативно-выездная бригада;

ОСШ (АО) – обходная система шин;

ОЭС – объект электроэнергетической системы:

ПА – противоаварийная автоматика;

ПС – подстанция;

РЗ –релейная защита;

РЗА –релейная защита и автоматика;

РП –распределительный пункт;

РПН –устройство регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой;

РУ –распределительное устройство;

С (В) –секция шин;

СВ (QB) – секционный выключатель;

СН –собственные нужды;

СШ (А) –система шин;

Т – трансформатор;

ТН (TV)– трансформатор напряжения;

ТС –телесигнализация;

ТСН –трансформатор собственных нужд;

ТТ (ТА) –трансформатор тока;

ТУ –телеуправление;

УПАСК –устройства передачи аварийных сигналов и команд;

УРОВ –устройство резервирования при отказе выключателя;

ФОЛ – устройство фиксации отключения линии;

ФОТ – устройство фиксации отключения трансформатора;

ФОВ – устройство фиксации отключения выключателя;

ШОВ (QAO) – шиносоединительный и обходной выключатель (выключатель совмещенного исполнения);

ШСВ (QA)–шиносоединительный выключатель.

Предисловие

Книга «Типовые электрические схемы распределительных устройств электростанций и подстанций. Характеристики. Применение. Оперативные переключения» была издана типографским способом в 2016 году издательством «Универсум» в городе Смоленске. Тираж книги был не большой. В настоящее время в свободном доступе этой книги практически нет. В последние годы не было публикаций по этой теме и других авторов. Поэтому возникла мысль о создании электронной версии данной книги. Книга может быть полезна в качестве дополнительной литературы при изучении дисциплины «Электрическая часть электростанций и подстанций». Её востребованность возрастает в условиях широкого внедрения дистанционных образовательных технологий. На базе этого материала лектор сможет эффективно осуществлять образовательный процесс. Она может быть полезна заинтересованным читателям при изучении другой книги автора "Главные электрические схемы и схемы питания собственных нужд электрических станций и подстанций", вышедшей в издательстве "Инфра-инженерия" ([e-mail]) в Вологде в 2020 году. В ней автор рассматривает помимо схем учебного характера схемы реальных электрических станций и подстанций с указанием их конкретных особенностей.

Учитывая требования издателя, в текст книги внесены изменения редакционного характера.

Выражаю слова благодарности за большую работу, проделанную при подготовке книги к изданию, ее редактору Шафоростову Геннадию Павловичу, а также старшему преподавателю кафедры электроэнергетических систем Смоленского филиала МЭИ Вайтеленок Ларисе Витальевне за помощь по созданию большого количества рисунков схем РУ.

Пожелания и замечания просьба присылать по адресу 214 013 г. Смоленск, Энергетический проезд, дом 1, кафедра «Электроэнергетические системы» филиала ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске или непосредственно мне по электронной почте [e-mail] с указанием темы письма «о книге»

Марков Владимир Сергеевич

Введение

Распределительные устройства – важный элемент любого объекта энергосистемы (ОЭС). Они предназначены для соединения друг с другом основного оборудования электростанций и подстанций, а также линий электропередач разного назначения. И у нас в стране, и за рубежом разработано великое множество схем, по которым выполняются РУ.

Изучая схемы РУ, необходимо понять общие принципы их выполнения, логику связей электроаппаратов и токоведуших частей. Важно знание того, какие действия на оборудовании выполняет оперативный персонал, выводя в ремонт то или иное оборудование или вводя его после ремонта в работу. Неверная последовательность действий при проведении оперативных переключении может привести к тяжелым последствиям и для самих людей, и к порче оборудования. Обучаемый должен знать, как ведет себя схема в соответствии с логикой релейной защиты и автоматики (РЗ и А) при различных отказах на присоединениях и в оборудовании РУ.

Существует несколько десятков схем, по которым выполнялись и выполняются РУ действующих ОЭС России. Они могут существенно отличаться, прежде всего, по составу электрических аппаратов и связям между оборудованием РУ.

Материал данной работы посвящен типовым схемам РУ. Типовые схемы РУ подстанций 35-750 кВ и общие указания по их применению приводятся в соответствующих стандартах организаций (СТО) [3,4]. Некоторые схемы, из указанных в этих документах, применяются и на подстанциях, и на электростанциях. Применение типовых схем гарантирует, как правило, минимум затрат на их проектирование, сооружение и эксплуатацию. Дает возможность при изменениях на ОЭС (подключении новых присоединений) осуществлять простые переходы от одной схемы к другой без серьезных переделок в существующей уже схеме. Список типовых схем меняется примерно раз в десять лет. Какие-то схемы из него уходят, а какие-то добавляются. Порядковые номера схем сохраняются за ними навсегда. Вновь вводимые в состав типовых схемы получают номера, в которые помимо цифр входят одна или две буквы. Все схемы можно разбить на группы, объединенные по их главным свойствам: количество выключателей на присоединение и варианты связи комплектов электроаппаратов в РУ. В этой связи различают блочные, мостиковые, кольцевые схемы РУ, схемы РУ со сборными шинами и с одним или более чем с одним выключателем на присоединение. Каждая типовая схема имеет свою область применения: тип объекта (электростанция или подстанция), номинальное напряжение, количество присоединений разного типа. Все свойства типовых схем РУ, а также область их использования приводятся в соответствующих паспортах [4]. В паспортах указываются её номер, область использования, степень удовлетворения важнейшим требованиям, а также схемы, к которым допускается переход в перспективе, данные об устанавливаемом оборудовании и т.д.

Помимо типовых схем РУ существует множество нетиповых схем. К ним относятся схемы РУ, используемые на некоторых электростанциях с уникальным составом оборудования, а также схемы РУ, разработанные и реализуемые за пределами нашей страны и, кроме того, схемы РУ, исключенные из состава типовых. Например, схемы РУ с отделителями. Знание последних в наших условиях необходимо, так как в России еще много действующих объектов, на которых эти схемы применяются.

Большое внимание в работе уделено вопросам проведения оперативных переключений в РУ при выводе оборудования в ремонт (резерв) или вводе его в работу после ремонта (из резерва). В виде примеров представлены циклы оперативных переключений с разной степенью подробности рассмотрения действий оперативного персонала.

Рисунки, использованные в данной работе, с помощью которых изучаются свойства схем РУ, разные. Есть рисунки, которые перенесены в данную работу из альбома типовых схем [3] без переделок. На них аппараты и токоведущие части не имеют никаких обозначений. Только измерительные трансформаторы напряжения на альбомных схемах показываются в виде прямоугольников с буквами TН. Для изучения оперативных переключений эти схемы практически не пригодны. Поэтому в предлагаемых к рассмотрению материалах есть схемы РУ, а в некоторых случаях схемы подстанций в целом, с указанием оперативных номеров (обозначений) основного оборудования и элементов РУ. На базе этих схем рассмотрены примеры упрощенных циклов оперативных переключений. В данной работе присутствуют схемы РУ с разными вариантами обозначения электроаппаратов и токоведущих частей. В основной ее части (разделы 1- 6) используются обозначения в соответствии с международными стандартами. В этих обозначениях используются буквы латинского алфавита. Второй вариант обозначений, в котором для обозначения электрооборудования используются буквы русского алфавита, до сих пор применяется в официальных документах и на практике в РФ. Схемы РУ и текст с использованием обозначений, принятых в России, присутствуют в разделе 7 настоящего пособия. В этом разделе рассмотрены циклы оперативных переключений, взятые в качестве примеров, из действующих Правил переключений в электроустановках [2,9]. В этих примерах используются специфичные обозначения и самих электроаппаратов, и силовых трансформаторов, и линий электропередач такие, которые присутствуют на оперативных схемах электростанций и подстанций в России. Все коммутационные аппараты на оперативных схемах показаны с соответствующим ситуации состоянием контактов. Использование в работе и тех, и других вариантов обозначений направлено на формирование у обучаемого (студента) знаний схем, с которыми ему предстоит работать после окончания обучения в ВУЗе, а у действующих специалистов навыков чтения схем, составленных в соответствии с требованиями МЭА.

Помимо полных схем РУ, в работе используются схемы упрощенные. На них указываются важнейшие (не все) элементы схемы с простейшим изображением выключателей и разъединителей. Разъединители изображаются в виде косой черточки, пересекающей под углом токоведущую часть. На них не показаны измерительные трансформаторы тока и напряжения, ограничители перенапряжения и иное электрооборудование. Упрощенные схемы часто применяются в учебной литературе и, кроме того, в аудиторных условиях изучения дисциплины, что позволяет лектору быстрее воспроизводить их на доске, а студенту переносить их в конспект.

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.