Схемы электрических сетей городов

В России насчитывается около 3000 городов (включая поселки го­родского типа), в которых проживает порядка 110 млн. человек.

Электрические сети в городах делятся на электроснабжающие (35 кВ и выше) и распределительные 0,38 и 6–10 кВ.

В настоящее время с помощью городских сетей распределяется око­ло половины вырабатываемой в стране электроэнергии (коммунально-бытовая сфера потребляет до 20 % электроэнергии, в т.ч. население 10– 12 %). Общая протяженность сетей 0,38–10 кВ ориентировочно состав­ляет 900 тыс. км при наличии порядка 300 тыс. шт. ТП 6–10/0,4 кВ с установленной мощностью трансформаторов порядка 90 тыс. МВ-А. Протяженность ВЛ 0,38 кВ составляет почти 50 % от общей протяжен­ности распределительных сетей. Для технического обновления городс­ких сетей с учетом их старения необходимо ежегодно заменять порядка 6-7 % воздушных и 3-4 % КЛ и ТП.

Города характеризуются высокой плотностью электрических нагру­зок (от 5 до 15–20 МВт/км² в центральных районах городов) и большим количеством потребителей, расположенных на ограниченной площади.

Крайне ограниченная территория и стесненные условия для выбо­ра трасс ВЛ и площадок ПС, повышенные архитектурно-эстетические требования к сооружаемым элементам сети диктуют необходимость применения простых схем ПС, сооружения закрытых ПС, двухцепных ВЛ и КЛ. Значительная стоимость КЛ 110-220 кВ предопределяет их использование только в центральной части крупнейших городов. Воз­душные линии и узловые ПС располагаются в пригородной зоне.

Большая концентрация электрических нагрузок, решающая роль электроэнергии в обеспечении нормальной жизнедеятельности города требуют высокой надежности электроснабжения. Электроприемники и их комплексы, а также отдельные потребители, при внезапном пре­кращении электроснабжения которых возникают опасность для жизни людей и нарушение работы особо важных элементов городского хозяй­ства, относятся к первой категории.

При рассмотрении надежности электроснабжения коммунально-бытовых потребителей следует определять категорию отдельных электроприемников. Допускается категорирование надежности электроснаб­жения для группы электроприемников.

Группа электроприемников – совокупность электроприемников, ха­рактеризующаяся одинаковыми требованиями к надежности электро­снабжения, например, электроприемники операционных, родильных отделений и др. В отдельных случаях в качестве группы электроприем­ников могут рассматриваться потребители в целом, например, водо­проводная насосная станция, здание и др.

Требования к надежности электроснабжения электроприемника следует относить к ближайшему вводному устройству, к которому электроприемник подключен через коммутационный аппарат.

При построении сети требования к надежности электроснабжения отдельных электроприемников более высокой категории недопустимо распространять на все остальные электроприемники.

Перечень электроприемников первой категории городских электри­ческих сетей включает:

а) электроприемники операционных и родильных блоков, отделе­ний анастезиологии, реанимации и интенсивной терапии, кабинетов лапароскопии, бронхоскопии и ангиографии; противопожарных уст­ройств и охранной сигнализации, эвакуационного освещения и боль­ничных лифтов;

б) котельные, являющиеся единственным источником тепла систе­мы теплоснабжения, обеспечивающие потребителей первой категории, не имеющих индивидуальных резервных источников теши;

в) электродвигатели сетевых и подпиточных насосов котельных вто­рой категории с водогрейными котлами единичной производительнос­тью более 10 Гкал/ч;

г) электродвигатели подкачивающих и смесительных насосов в на­сосных, дренажных насосов дюкеров тепловых сетей;

д) объединенные хозяйственно-питьевые и производственные водо­проводы в городах с числом жителей более 50 тыс. человек: насосные стан­ции, подающие воду непосредственно в сеть противопожарного и объе­диненного противопожарного водопровода; канализационные насосные станции, не допускающие перерыва или снижения подачи сточных вод, очистные сооружения канализации, не допускающие перерыва в работе;

е) электроприемники противопожарных устройств (пожарные на­сосы, системы подпора воздуха, дымоудаления, пожарной сигнализа­ции и оповещения о пожаре), лифты, эвакуационное и аварийное освещение, огни сетевого ограждения в жилых зданиях и общежитиях высотой 17 этажей и более;

ж) электроприемники противопожарных устройств, лифты, охран­ная сигнализация общественных зданий и гостиниц высотой 17 этажей и более, гостиниц, домов отдыха, пансионатов и турбаз более чем на 1000 мест[2], учреждений с количеством работающих более 2000 человек1, независимо от этажности, учреждений финансирования, кредитования и государственного страхования федеративного подчинения, библио­тек, книжных палат и архивов на 1000 тыс. единиц хранения и более;

з) музеи и выставки федерального значения;

и) электроприемники противопожарных устройств и охранной сиг­нализации музеев и выставок республиканского, краевого и областно­го значения;

к) электроприемники противопожарных устройств общеобразова­тельных школ, профессионально-технических училищ, средних специ­альных и высших учебных заведений при количестве учащихся более 1000 человек;

л) электроприемники противопожарных устройств, эвакуационное и аварийное освещение крытых зрелищных и спортивных предприя­тий общей вместимостью 800 мест и более, детских театров, дворцов и домов пионеров со зрительными залами любой вместимости;

м) электроприемники противопожарных устройств и охранной сиг­нализации универсамов, торговых центров и магазинов с торговой пло­щадью более 2000 м:, а также столовых, кафе и ресторанов с числом посадочных мест свыше 500;

н) тяговые подстанции городского электротранспорта;

о) ЭВМ вычислительных центров, решающих комплекс народно­хозяйственных проблем и задачи управления отдельными отраслями, а также обслуживающие технологические процессы, основные электро­приемники которых относятся к первой категории;

п) центральный диспетчерский пункт городских электрических се­тей, тепловых сетей, сетей газоснабжения, водопроводно-канализационного хозяйства и сетей наружного освещения;

р) пункты централизованной охраны;

с) центральные тепловые пункты (ЦТП), обслуживающие здания высотой 17 этажей и более, все ЦТП в зонах с зимней расчетной темпе­ратурой –40 °С и ниже;

т) городской ЦП (РП) с суммарной нагрузкой более 10 000 кВА.

Все прочие электроприемники потребителей, перечисленных в под­пунктах а), в), г), е), ж), и), к), л), м) относятся ко второй категории.

К электроприемникам второй категории относятся:

а) жилые дома с электроплитами за исключением одно - - восьми-квартирных домов;

б) жилые дома высотой 6 этажей и более с газовыми плитами или плитами на твердом топливе;

в) общежития вместимостью 50 человек и более;

г) здания учреждений высотой до 16 этажей с количеством работа­ющих от 50 до 2000 человек;

д) детские учреждения;

е) медицинские учреждения, аптеки;

ж) крытые зрелищные и спортивные предприятия с количеством мест в зале от 300 до 800;

з) открытые спортивные сооружения с искусственным освещением с количеством мест 5000 и более или при наличии 20 рядов и более;

и) предприятия общественного питания с количеством посадочных мест от 100 до 500;

к) магазины с торговой площадью от 250 до 2000 м²;

л) предприятия по обслуживанию городского транспорта;

м) бани с числом мест свыше 100;

н) комбинаты бытового обслуживания, хозяйственные блоки и ате­лье с количеством рабочих мест более 50, салоны-парикмахерские с количеством рабочих мест свыше 15;

о) химчистки и прачечные (производительностью 500 кг и более белья в смену);

п) объединенные хозяйственно-питьевые и производственные во­допроводы городов и поселков с числом жителей от 5 до 50 тыс. человек включительно; канализационные насосные станции и очистные соору­жения канализации, допускающие перерывы в работе, вызванные на­рушениями электроснабжения, которые могут устраняться путем опе­ративных переключений в электрической сети;

р) учебные заведения с количеством учащихся от 200 до 1000 человек;

с) музеи и выставки местного значения;

т) гостиницы высотой до 16 этажей с количеством мест от 200 до 1000;

у) библиотеки, книжные палаты и архивы с фондом от 100 тыс. до 1000 тыс. единиц хранения;

ф) ЭВМ вычислительных центров, отделов и лабораторий;

х) электроприемники установок тепловых сетей – запорной арма­туры при телеуправлении, подкачивающих смесителей, циркуляцион­ных насосных систем отопления и вентиляции, насосов для зарядки и разрядки баков аккумуляторов, баков аккумуляторов для подпитки теп­ловых сетей в открытых системах теплоснабжения, подпиточных насо­сов в узлах рассечки, тепловых пунктов;

ц) диспетчерские пункты жилых районов и микрорайонов, райо­нов электрических сетей;

ч) осветительные установки городских транспортных и пешеходных тоннелей, осветительные установки улиц, дорог и площадей категории

«А» в столицах республик, в городах-героях, портовых и крупнейших городах;

ш) городские ЦП (РП) и ТП с суммарной нагрузкой от 400 до 10000 кВА.

Проектирование схемы электрических сетей города должно выпол­няться с выявлением очередности развития на срок не менее 10 лет. Необходимо учитывать генеральные планы развития городов, которые выполняются на перспективу 25–30 лет.

Городские электрические сети классифицируются на:

электроснабжающие сети 110 кВ и выше;

питающие и распределительные сети 10 (6) кВ.

В качестве основного для городских сетей среднего напряжения принято 10 кВ. Аналогичная рекомендация принята МЭК для большин­ства стран. В тех городах, где имеются сети 6 кВ, они, как правило, пе­реводятся на напряжение 10 кВ. Целесообразность применения сетей 20 кВ должна быть технико-экономически обоснована.

Принципиальным вопросом построения схемы электроснабжения города является наивыгоднейшее число трансформаций энергии, т.е. количество ее преобразований между напряжениями 110 и 10 кВ. Прак­тика проектирования показывает, что введение промежуточного напряжения 35 кВ увеличивает капиталовложения и потери в сетях. Это яв­ляется причиной отказа от его применения в проектируемых системах электроснабжения городов, а также прекращением развития и даже ликвидацией сетей этого напряжения в тех городах, где они существо­вали ранее. Таким образом, для городских сетей следует считать пред­почтительной систему электроснабжения 110/10 кВ. К аналогичным выводам в результате многочисленных исследований пришли и зару­бежные специалисты.

Для электроснабжения крупных и крупнейших городов использу­ются также сети напряжением 220 кВ и выше. С учетом сказанного элек­троснабжающие сети условно делятся на:

сети внешнего электроснабжения - линии 220 кВ и выше, обеспе­чивающие связь системы электроснабжения города с внешними энер­гоисточниками, и ПС 220 кВ и выше, от которых питаются городские сети 110 кВ, а также линии 220 кВ и выше, связывающие эти ПС;

сети внутреннего электроснабжения – линии 110 кВ и ПС 110/10 кВ, предназначенные для питания городских сетей 10 кВ; в отдельных слу­чаях применяются глубокие вводы 220/10 кВ, которые также относятся к сетям внутреннего электроснабжения.

Выбор схемы электроснабжающей сети зависит от конкретных ус­ловий: географического положения и конфигурации селитебной тер­ритории города, плотности нагрузок и их роста, количества и характе­ристик источников питания, исторически сложившейся существующей схемы сети и др. Выбор производится по результатам технико-эконо­мического сопоставления вариантов.

Разработана «идеальная» схема

электроснабжения города, удовлет­воряющая приведенным выше тре­бованиям (рис. 4.19). Схема базиру­ется на системе напряжений 110/10 кВ. Сеть 110 кВ выполняется в виде двухцепного кольца, охватывающего город и выполняющего роль сборных шин, которые прини­мают энергию от ЦП – местных электростанций или ПС 220 кВ, расположенных на окраине или за пределами города. Электроснабжающая сеть города является звеном энергетической системы района. Глубокие вводы в районы с высокой плотностью и этажностью застрой­ки выполняются КЛ 110 кВ (линии диаметральной связи на рис. 4.19). Пропускная способность кольца 110 кВ должна обеспечивать перетоки мощности в нормальных и послеаварийных режимах при отключении отдельных элементов сети. Для более благоприятного распределения мощности в кольце следует чере­довать присоединение ЦП к сети 110 кВ и ПС 110/10 кВ.

Приведенная схема дает возможность дальнейшего расширения без коренной ломки, Пропускная способность сети 110 кВ может увеличи­ваться за счет «разрезания» кольца и подключения его к новым ЦП и за счет увеличения количества линий 110 кВ, т. е. повторения кольца с прокладкой линий по новым трассам и присоединения к ним новых ПС 110/10 кВ (рис. 4.20). Присоединение сети 110 кВ кольцевой кон­фигурации к новым ЦП позволяет изменять направление потоков мощ­ности в ней, увеличивая пропускную способность без реконструкции. Схемы электроснабжения конкретных городов в той или иной сте­пени, отличаются от идеальной схемы, однако ее общие принципы на­ходят соответствующее отражение в конкретных проектах.

Для крупных и крупнейших городов можно отметить несколько эта­пов развития электроснабжающей сети (рис. 4.21). Начальной стадией со­здания сети 110 кВ от городской ТЭЦ является 1-й этап, когда отдельные линии и ПС еще не представляют четкой единой системы электроснабже­ния. На 2-м этапе, связанном с появлением первой ПС 220/110 кВ, уже проступают принципы формирования сети; 3-й и 4-Й этапы харак­теризуются процессом окончательного формирования сети 110 кВ и создания вокруг города сети 220 кВ кольцевой конфигурации. Существенное отличие от идеальной схемы в рассматриваемом примере – отсутствие диаметральной связи и ПГВ в центре города, что является следствием высокой стоимости КЛ II0 кВ и трудностей осуществления глубоких вводов в застроенную часть города.

Для городов, вытянутых вдоль морских побережий или рек, элект-роснабжающая сеть 110 кВ обычно выполняется в виде магистральных двухцепных ВЛ, проходящих вдоль города и присоединенных в несколь­ких точках к ЦП 220/110 кВ (рис. 4.22).

После создания вокруг города сети напряжением 220 кВ и выше на нее перекладываются функции обеспечения параллельной работы ЦП; сеть 110 кВ может работать разомкнуто с учетом оптимального распре­деления потоков мощности и обеспечения целесообразных уровней токов КЗ.

Основным типом конфигурации сети 110 кВ является двухцепная ВЛ, опирающаяся на два ЦП (тип Д2, рис. 4.1, в); могут применяться так­же двухцепные радиальные ВЛ (тип Р2, рис. 4.1, б), хотя их применение ограничено, так как они характери­зуются худшим использованием про­пускной способности ВЛ, меньшей надежностью и гибкостью.

Практика проектирования и выполненные технико-экономи­ческие исследования позволяют дать следующие рекомендации по схемам присоединения городских ПС к сети 110 кВ:

к двухцепным ВЛ, опирающим­ся на два ЦП (конфигурации Д2, рис. 4.23, а), целесообразно присо­единять не более четырех подстан­ций , а к двухцепным радиальным ВЛ (конфигурации Р2, рис. 4.23, б) – не более двух;

главные электрические схемы городских ПС на стороне 110 кВ ре­комендуется выполнять по типовым схемам 4Н, 5 (5Н) (рис. 4.8);

в качестве коммутационных узлов сети 110 кВ целесообразно ис­пользовать РУ 110 кВ ПС с ВН 220-330 кВ и городских ТЭЦ.

Для крупных и крупнейших городов оптимальная мощность ПС 110/10 кВ, питаемых по ВЛ, – 2x25 МВА с возможностью замены по мере роста нагрузок на 2x40 МВ-А, для ПС, питаемых по КЛ, – 2x40 МВ-А с возможностью замены на 2x63 МВ-А.

Исходя из рекомендованных выше схем присоединения городских ПС к ВЛ 110 кВ и их оптимальной мощности сечение проводов для го­родских двухцепных ВЛ рекомендуется принимать не ниже 240 мм² (по алюминию).

Крупнейшие города с населением 1 млн. человек и более являются важнейшими промышленными и культурно-политическими центрами страны. Доля потребителей первой и второй категории по надежности оценивается в 70–80 % общей нагрузки города. Частичное, а тем более полное погашение систем электроснабжения таких городов имеет се­рьезные социально-экономические последствия. Поэтому для них при­знано целесообразным установить принципы построения систем элек­троснабжения, обеспечивающие его высокую надежность.

Характерной особенностью последних лет является размещение источников небольшой мощности (5–15 МВт) на территории городов. Для отдельных ответственных потребителей городской сети (вычисли­тельные центры, банки, крупнейшие магазины и др.) принята целесо­образной установка источников бесперебойного питания.

Построение электроснабжающих сетей напряжением 220(330) кВ должно удовлетворять следующим требованиям:

схема должна предусматривать сооружение не менее двух ПС с ВН 220 кВ и выше, питающихся от энергосистемы;

линии связи с энергосистемой должны присоединяться не менее, чем к двум внешним территориально разнесенным энергоисточникам и сооружаться, как правило, по разным трассам;

общее количество и пропускная способность линий связи с энерго­системой должны выбираться с учетом обеспечения питания города без ограничений при отключении двухцепной ВЛ;

построение схемы должно обеспечивать ограничение транзитных перетоков через городскую систему электроснабжения;

ЦП 220(330) кВ должны выполняться, как правило, двухтрансформа-торными (220 кВ - не менее 2x125 MB А, 330 кВ - не менее 2x200 МВ-А); установка одного AT допускается на первом этапе при обеспечении пол­ного резервирования по сети 110 кВ;

для обеспечения оптимальной схемы ЦП 220–330 кВ количество присоединяемых ВЛ этих напряжений, как правило, не должно превы­шать четырех.

Принципы построения сетей внутреннего электроснабжения напря­жением 110 кВ не отличаются от изложенных выше для всех городов.

Дополнительно рекомендуется при построении сети 110 кВ исходить из обеспечения резервирования не менее 70 % нагрузки любого ЦП 220(330) кВ при его полном погашении.