Выбор структурной схемы станции

Для разработки главной схемы электрических соединений необходимо выбрать структурную схему станции или схему выдачи мощности, на которой показываются основные функциональные части электростанции (генераторы, трансформаторы, распределительные устройства) и связи между ними.

На этой стадии проектирования необходимо определиться с типом энергоблоков (единичный, объединенный, укрупненный), а также с установкой генераторного выключателя, так как это влияет на количество и мощность трансформаторов и высоковольтных выключателей.

В настоящем учебном пособии предусмотрены задания с выдачей мощности на двух напряжениях, так как именно по этой схеме работает более 60% электростанций. Хотя возможны схемы с выдачей мощности на одном напряжении – примерно 10% отечественных электростанций (пиковые гидроаккумулирующие или газотурбинные) и даже на трех напряжениях, что значительно усложняет электрическую схему электростанции, но может приниматься при соответствующем характере прилегающих сетей.

В соответствии с изложенным для ТЭЦ возможны структурные схемы, приведенные на рис. 2.1.

а) б)

в) г)

Р и с. 2.1. Структурные схемы ТЭЦ на двух напряжениях:

а – с присоединением всех генераторов на ГРУ; б – комбинированная

с присоединением части генераторов на ГРУ и части блочно к РУВН;

в – блочное присоединение всех генераторов на РУВН с отпаечным

РУ 6-10 кВ; г – блочное присоединение к РУСН и РУВН

Для КЭС возможны структурные схемы, приведенные на рис. 2.2.

а) б)

в) г)

Р и с. 2.2. Структурные схемы КЭС на двух напряжениях:

а – блочная с единичными блоками; б – блочная с единичными блоками

и блоком с автотрансформатором; в – блочная с объединенными

блоками; г – блочная с укрупненными блоками

Выбор структурной схемы производится с учетом соображений и данных, полученных в разделе 1, а также следующих рекомендаций [2,3,8]:

1. Объединенные и укрупненные блоки существенно упрощают схемы распредустройств повышенных напряжений, но не применяются на ТЭЦ из условий обеспечения надежности теплоснабжения. На КЭС возможно их применение, но с учетом допустимого резерва мощности системы, который составляет от 4 до 10 % , и ограничений по токам короткого замыкания, особенно на генераторном напряжении в укрупненных блоках.

2. Распредустройства разных напряжений электростанции соединяются трансформаторной связью. Причем при коэффициенте трансформации не более 5 целесообразно применять автотрансформаторы связи (РУСН и РУВН), а при большем коэффициенте трансформации - трансформаторы связи (ГРУ и РУВН) с учетом режима нейтрали на каждом напряжении. Поскольку через трансформаторы (автотрансформаторы) связи в общем случае происходит переток мощности в одном или в другом направлении, то они обязательно должны быть с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН). При этом необходимо учитывать, что при автотрансформаторном блоке (рис.2.2,б) при номинальной загрузке третичной обмотки автотрансформатора переток возможен только из РУСН в РУВН.

В соответствии с нормами технологического проектирования (НТП) тепловых электростанций для обеспечения надежной связи РУ, надежного электроснабжения местной нагрузки на ГРУ или РУСН и теплоснабжения потребителей ТЭЦ, рекомендуется устанавливать два трансформатора (автотрансформатора) связи. Допускается установка одного, но только при особом обосновании.

НТП тепловых электростанций допускается выполнение блоков, как с генераторным выключателем, так и без него. Установка генераторного выключателя обязательна в объединенных и укрупненных блоках, в единичных блоках, коммутируемых в РУ повышенных напряжений (330 и более) двумя выключателями, в блоках с турбинами с противодавлением, в блоках с частыми технологическими остановами, работающие в пиковом режиме, например ГТУ, а также для повышения надежности электроснабжения потребителей собственных нужд и уменьшения оперативных переключений при пуске и останове турбоагрегатов.

Кроме того, наличие или отсутствие генераторного выключателя влияет на мощность и количество резервных трансформаторов собственных нужд, которые предусматриваются всегда, так как собственные нужды являются потребителями первой категории надежности электроснабжения.

При отсутствии генераторного выключателя резервный трансформатор должен заменить самый крупный рабочий трансформатор собственных нужд и одновременно обеспечить пуск или останов другого блока и поэтому называется пуско-резервным ПРТСН, то есть должен иметь мощность, большую мощности самого крупного рабочего, как правило, на ступень шкалы мощностей.

При наличии генераторного выключателя резервный трансформатор собственных нужд РТСН не участвует в пуске и останове блока, а поэтому его мощность равна мощности самого крупного рабочего трансформатора собственных нужд.

Имеется разница и в количестве резервных трансформаторов. Так при отсутствии генераторного выключателя:

– при 1-2 блоках устанавливается один ПРТСН;

– при 3-6 блоках устанавливается два ПРТСН;

– при 7 и более блоках устанавливается два ПРТСН, подключенных к шинам РУ и один, не подключенный (холодный резерв), но генераторного напряжения.

При наличии генераторного выключателя:

– при 1-2 блоках устанавливается один РТСН;

– при 3 и более устанавливается один РТСН, подключенный к шинам РУ и один, не подключенный (холодный резерв), но генераторного напряжения.

Для ТЭЦ с поперечными связями по пару принимается один резервный трансформатор собственных нужд на каждые 6 рабочих.

Таким образом, с целью повышения надежности электроснабжения собственных нужд и уменьшения мощности и количества резервных трансформаторов можно рекомендовать установку генераторных выключателей. Но следует иметь в виду, что для турбогенераторов мощностью более 500 МВт может не оказаться соответствующих генераторных выключателей. Для таких турбогенераторов разработан и производится специальный комплекс аппаратный генераторный - КАГ-30, содержащий выключатель нагрузки, не предназначенный для отключения токов короткого замыкания.

3. Одновременно целесообразно на этой стадии наметить, хотя бы предварительно, место подключения резервных трансформаторов собственных нужд.

При этом необходимо учесть рекомендации НТП тепловых электростанций:

– при питании собственных нужд от сборных шин ГРУ и ответвлений от блоков генератор-трансформатор резервный трансформатор присоединяется, как правило, к шинам ГРУ или при занятости всех секций рабочими трансформаторами собственных нужд – к отпайке обмотки низшего напряжения трансформатора связи;

– при питании собственных нужд только ответвлениями от блоков генератор-трансформатор резервный трансформатор присоединяется к сборным шинам РУ повышенного напряжения с низшем номинальным напряжением при условии, что эти шины могут получать электроэнергию от внешней сети при остановке генераторов станции, в том числе и через трансформаторы (автотрансформаторы) связи;

– допускается подключение резервного трансформатора к третичной обмотке автотрансформатора связи, если обеспечиваются допустимые колебания напряжения на шинах собственных нужд при регулировании напряжения автотрансформаторов и допустимое по условию самозапуска электродвигателей суммарное реактивное сопротивление автотрансформатора и резервного трансформатора;

– допускается подключение резервного трансформатора к обмотке среднего напряжения автотрансформаторов связи с установкой выключателя на ответвлении, а также к посторонним источникам питания, расположенным вблизи электростанции (сетевая подстанция, соседняя станция);

– при двух резервных трансформаторах собственных нужд, подключенных к источнику, необходимо обеспечить сохранение в работе одного из них при повреждении любого элемента главной схемы электрических соединений.

4. При разработке структурной схемы необходимо оптимально распределить выбранные генераторы (раздел 1) между РУ станции и определить перетоки мощности между ними в различных режимах. Необходимо иметь в виду, что реально станция работает с различным графиком выработки мощности генераторами и различным графиком нагрузки потребителей в зависимости от времени года (зима, лето), времени суток (день, ночь), ремонтных периодов и т.д.

В заданиях настоящего пособия не задается режим выработки мощности, то есть предполагается, что генераторы постоянно работают в номинальном режиме, а нагрузка на среднем - или генераторном - напряжениях задана двухступенчатым графиком нагрузки - и .

В соответствии с НТП тепловых электростанций кроме основного режима, когда в работе участвуют все генераторы, необходимо рассматривать часто встречающийся случай, когда один генератор на РУСН или ГРУ остановлен.

При выборе варианта распределения генераторов между РУ можно исходить из следующих соображений:

– мощность генераторов за вычетом расхода на собственные нужды, выдаваемая на шины ГРУ ТЭЦ, должна превышать максимальную местную нагрузку - ;

– мощность генераторов за вычетом расхода на собственные нужды, выдаваемая на шины РУСН блочных электростанций, должна быть примерно равна максимальной нагрузке - ;

– мощность генераторов за вычетом расхода на собственные нужды, выдаваемая на шины РУСН блочных электростанций и с блоком генератор-автотрансформатор, должна превышать максимальную нагрузку - даже при отключенном одном генераторе, так как переток возможен только из РУСН в РУВН.

Расчет перетоков лучше проводить по полной или кажущейся мощности, принимая для нагрузки такой же, как для генераторов коэффициент мощности, по следующим выражениям.

Мощность, выдаваемая генератором на шины ГРУ или РУСН, в нормальном режиме

, МВА, (2)

где - число генераторов, подключенных к РУ;

- номинальная мощность генератора, МВт;

- коэффициент мощности генератора;

- расход мощности на собственные нужды, МВА.

Мощность, выдаваемая генераторами на шины ГРУ или РУСН, в ремонтном режиме, когда один генератор остановлен

, МВА. (3)

Если к РУ подключены генераторы различной мощности, то расчет ведется для каждого типа генератора, а выводится из работы самый мощный.

Переток мощности между РУ в нормальном режиме при максимальной - и минимальной - нагрузке

, МВА, (4)

, МВА. (5)

Переток мощности между РУ в ремонтном режиме при максимальной - и минимальной - нагрузке

, МВА, (6)

, МВА. (7)

Максимальная величина мощности перетока из рассмотренных четырех, определяет мощность трансформатора (автотрансформатора) связи.

ВЫБОР СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ (АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ)

Выбор силовых трансформаторов осуществляется в зависимости от назначения, мощности, напряжений обмоток, группы соединений. Класс напряжения трансформатора всегда определяется напряжением обмотки высшего напряжения, которое должно соответствовать напряжению элемента электростанции, к которому она подключается. Напряжения остальных обмоток должны соответствовать напряжениям соответствующих элементов.

Целесообразно выбирать трехфазные трансформаторы, применение группы из однофазных или трехфазных трансформаторов оправдано только при отсутствии соответствующих мощностей и габаритов трехфазных трансформаторов.

Выбор трансформаторов (автотрансформаторов) связи

Для ТЭЦ с РУ генераторного напряжения – ГРУ в основном используются трансформаторы связи с регулированием напряжения под нагрузкой с установкой двух трансформаторов, а для блочных станций двух автотрансформаторов связи также с РПН.

Номинальная мощность трансформатора (автотрансформатора)

, (8)

где расчетная мощность определяется через максимальную мощность перетока , определенную в разделе 2.1

, (9)

если учесть отключение одного из трансформаторов связи, то

, (10)

где - коэффициент систематической перегрузки;

- коэффициент аварийной перегрузки при температуре окружающей среды и длительностью перегрузки 6 часов в сутки.

Более надежно выбирать трансформатор связи по и соответствующим напряжениям. Однако, если вероятность отключения одного из трансформаторов (автотрансформаторов) очень мала, то это экономически нецелесообразно и необходимо исходить из .

Если отсутствует двухобмоточный трансформатор, то можно выбрать соответствующий по мощности трансформатор с расщепленной обмоткой низшего напряжения, включив расщепленные обмотки параллельно.

Если генератор без местной нагрузки включается в блок с автотрансформатором связи, то расчетная мощность последнего определяется максимальной нагрузкой третичной обмотки, к которой присоединен генератор

, (11)

где - коэффициент типовой мощности автотрансформатора.

После выбора номинальной мощности автотрансформатора проверяют возможность передачи через него максимального перетока из РУСН в РУВН

, (12)

где - относительная загрузка третичной обмотки генераторной мощностью.

Если такой режим нагрузки оказывается недопустимым, то изменяют или число блоков, присоединенных к РУСН, или число автотрансформаторов, или реже их мощность.

Выбор блочных трансформаторов

Блочные трансформаторы должны без перегрузки передавать мощность генератора за вычетом расхода на собственные нужды, то есть номинальная мощность блочного трансформатора

. (13)

Блочные трансформаторы в отличие от других выбираются без РПН, что существенно повышает надежность блока. Если имеется отпаечное РУНН, то его нагрузка учитывается также как расход мощности на собственные нужды.

Выбор трансформаторов собственных нужд

Номинальную мощность рабочих трансформаторов собственных нужд (ТСН) выбирают в соответствии с их расчетной нагрузкой. С учетом повышенных требований надежности системы собственных нужд перегрузка рабочих ТСН не допускается. Расчетная мощность ТСН определяется суммой мощностей всех электроприемников, которые присоединены к данному трансформатору. Поскольку точное определение мощности всех токоприемников затруднительно, то при проектировании для определения расчетной мощности ТСН часто пользуются статистическими данными расхода мощности на собственные нужды для соответствующих электростанций (табл.1.3), то есть в соответствии с выражением

, МВА, (14)

где - доля мощности собственных нужд в %;

- номинальная мощность генератора, МВт;

- коэффициент мощности нагрузки собственных нужд можно принять равным генератора.

При установке на станции газотурбинных установок, особенно малой и средней мощности, допускается установка одного ТСН на четыре ГТУ и при расчете мощности необходимо подставлять суммарную мощность.

Напряжение первичной обмотки рабочего ТСН первой ступени напряжения всегда равно напряжению соответствующего генератора, так как они подключаются либо к шинам ГРУ генераторного напряжения, либо к отпайке от токопровода между генератором и блочным трансформатором. Причем, если в блоке установлен генераторный выключатель, то рабочий ТСН подключается между выключателем и трансформатором, чтобы при отключенном генераторе собственные нужды могли получать питание от рабочего ТСН, который получает энергию из РУ повышенного напряжения через блочный трансформатор.

На тепловых электростанциях напряжение на шинах собственных нужд первой ступени в основном принимается равным 6,3 кВ и к ним подключаются наиболее мощные потребители (электродвигатели мощностью более 200 кВт), а на шинах второй ступени – 0,4 кВ, к которым подключаются потребители меньшей мощности. Питание шин второй ступени напряжения осуществляется от трансформаторов собственных нужд второй ступени 6,3/0,4 кВ, которые подключают на шины собственных нужд первой ступени напряжения – 6,3 кВ и выбираются мощностью не более 1000 кВА с установкой вблизи от места потребления.

Количество и мощность резервных трансформаторов собственных нужд, а также место их подключения выбираются в соответствии с рекомендациями раздела 2.1.

Для трансформаторов собственных нужд второй ступени напряжения также предусматривается резервный трансформатор (один на шесть рабочих, который подключается на шины собственных нужд первой ступени напряжения, но другого блока).

Трансформаторы собственных нужд первой ступени напряжения выбираются с регулированием напряжения под нагрузкой. Только для ТСН, подключаемых к ГРУ допускается применение трансформаторов без регулирования напряжения под нагрузкой, так как на ГРУ поддерживается постоянное напряжение. По этой же причине при сооружении ГРУ с генераторным напряжением 6,3 кВ вместо ТСН устанавливают реакторы.

При выборе всех типов трансформаторов электростанции необходимо учитывать режим нейтрали подключаемых сетей и выбирать соответствующие схемы соединений обмоток и группы соединений трансформаторов.

Так сети с напряжением 110 и более кВ работают с эффективно заземленной нейтралью, с напряжением 6-35 кВ, в том числе генераторные и собственных нужд первой ступени, с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью, а сети 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью.

Поэтому трансформаторы связи, блочные трансформаторы, а также резервные трансформаторы, подключаемые к шинам 110 кВ и выше, имеют схему соединений . Автотрансформаторы с третичной обмоткой . Рабочие ТСН и резервные РТСН, подключаемые к третичным обмоткам автотрансформаторов связи, - . Рабочие и резервные трансформаторы собственных нужд второй ступени напряжения - .

Наличие в мощных трансформаторах (автотрансформаторах) хотя бы одной из обмоток, соединенных по схеме треугольник - , необходимо для компенсации магнитных потоков нулевой последовательности и высших гармонических, кратных трем, возникающих при несимметричной нагрузке и насыщении сердечника, которые могут привести к увеличению потерь и искажению напряжения.

Выбор трансформаторов в соответствии с изложенным материалом проводится по данным табл.2.1-2.6, более подробные данные приведены в [4,5,7].

Таблица 2.1