Схемы электрических сетей

Электрической сетью называют совокупность линий электропередачи и подстанций, работающих на определенной территории (ГОСТ 19431-74).

Обще­принятая классификация электрических сетей от­сутствует. Наиболее об­щим является разделение сетей по их схемам соединения на разомкнутые и замкнутые. Вто­рым важным признаком, по которому делятся схемы соединения сетей, является наличие или отсутствие резерви­рования. В разомкнутых сетях резервирование соответству­ет применению двух параллельных или двухцепных линий, нерезервированные разомкнутые сети вы­полняются одноцепными линиями. Рассмотрим более подробно различные типы схем соединения электрических сетей.

Разомкнутые нерезервированные сети применяются для передачи электроэнергии к потребителям III категории и в некоторых специально обоснованных технико-экономи­ческими расчетами случаях для электроснабже­ния потребителей II категории. Они являются наиболее дешевыми, однако обеспечивают наименьшую надежность; получили широкое распространение как первый этап раз­вития сети – при небольших нагрузках присоединенных подстанций и возможности их резервирования. При этом для правильного проектирования сети уже на первом этапе следует решить, в каком направлении намечается дальнейшее развитие сети. Также такие схемы широко применяются в сельских распреде­лительных сетях и для электроснабжения бытовых потребителей небольших городов и поселков и промышлен­ных потребителей III категории.

Разомкнутые сети часто де­лят на магистральные, радиальные и радиально-магистральные или разветвленные.

На рис. 4.1а приведена схема магистральной нерезерви­рованной сети. Магистральная линия предназначена для питания нескольких потребителей, расположенных в одном направлении. Недостаток такой сети – в низкой надежно­сти. При аварии на головном участке ЦП1 и его отключе­нии отключаются все потребители, питающиеся от одной магистрали. При аварии на промежуточном участке отклю­чаются все потребители, расположенные за этим участком. Например, при отключении участка 12 необ­ходимо отключение потребителей 2 и 3.

В радиальной се­ти (рис. 4.1б) каждый потребитель питается по своему радиальному участку сети. Так, потребитель 1 питается по участку ЦП1, 2 – по участку ЦП2 и т. д.

Радиально-магистральная сеть (рис. 4.1в) со­держит и магистральные, и радиальные линии.

Рис. 4.1. Разомкнутые схемы электрических сетей.

Разомкнутые резервированные сети при­меняются для электроснабжения потребителей I, II категорий. Такие се­ти выполняются в виде двухцепных линий, и за счет дублирова­ния линии (на одних опорах) обеспечивается резервирование питания потребите­лей. При выходе из строя одной цепи вторая остается в работе, и потребители I и II ка­тегории продолжают снабжаться электроэнергией. Эта схема ха­рактеризуется равномерной загруз­кой обеих ВЛ, что соответствует минимуму потерь, не вызывает уве­личения токов КЗ в смежных участках сети, позволяет осуществлять четкое ведение режимов работы сети, обеспечивает возможность при­соединения подстанций по простейшим схемам. Разомкнутые резервированные схемы широко применя­ют в питающих, а также в промышленных и городских сетях.

Разомк­нутые резервированные сети также разделяются на магист­ральные (рис. 4.1г), ради­альные (рис. 4.1д) и радиально-магистральные или разветвленные (рис. 4.1е).

Замкнутые электрические сети – это резер­вированные сети. В этих сетях каждый потребитель полу­чает питание не менее чем по двум ветвям. При отключении любой ветви в таких сетях потребитель получает питание по второй ветви. Замкнутые сети более надежны, чем ра­зомкнутые, но в них больше потери мощности и их сложнее эксплуатировать. В этих сетях труднее осуществлять автоматизацию и до­биться селективности релейной защиты, плавких предо­хранителей и тепловых автоматов.

Замкнутые сети подразделяются на простые и сложно-замкнутые.

В простых замкнутых сетях каждый узел пи­тается не более чем по двум ветвям. Эти сети состоят из одного контура. В свою очередь, про­стые замкнутые сети условно делятся на линии с двухсторонним питанием (рис. 4.2а, г) и кольце­вые (рис. 4.2б, д). Ли­нии с двухсторонним пита­нием и кольцевая сеть могут со­стоять как из од­ноцепных участков, так и из участков, выпол­ненных двумя параллельными или двухцепными линиями.

Рис. 4.2. Замкнутые схемы электрических сетей.

Достоинствами схем рис. 4.2б, д, как и радиальных, являются независимость потокораспределения от по­токов в сети ВН, отсут­ствие влияния на уровень токов КЗ в прилегаю­щих сетях, возможность применения простых схем присоединения под­станций.

Преимуще­ствами конфигурации сети рис. 4.2а, б являются возможность охвата территории сетями, создание «шин» между двумя ЦП для присоединения по мере необходимости новых подстанций, уменьшение суммарной длины ВЭЛ, возможность при­соединения подстанций по упрощенным схемам. Недостатками конфи­гурации являются большая вероятность неэкономичного потокораспределения при параллельной работе сетей разных напряжений и повышение уровней токов КЗ, вызывающее необходимость секциониро­вания сети в нормальных режимах.

Линии с двухсто­ронним питанием и простые замкнутые сети широко при­меняются в сельских и городских распределительных сетях.

Из-за сложности автоматизации и защиты простые замкнутые сети, питающие городских и сельских потреби­телей, эксплуатируются в разомкнутом режиме. Такие простые замкнутые, но работающие в разомкнутом режи­ме сети называются петлевыми (рис. 4.2в, е). На рис. в приведена кольцевая распределительная сеть напря­жением 6–10 кВ, в которой в нормальном режиме разъ­единитель отключен и сеть работает разомкнутой. При по­вреждении головного участка, например ЦП1, питание по­требителей на участке ЦПЗ, т. е. потребителей 1–3, прекращается на время, необходимое эксплуатационному персоналу для производства оперативных переключений. После переключений включается разъединитель и отклю­чается поврежденный головной участок ЦП1. В результа­те потребители 1–3 будут получать электроэнергию по длинному пути ЦП4,5,6,3,2,1. В нормальном режиме пет­левые сети работают в разомкнутом режиме и могут быть легко автоматизированы и защищены, их эксплуатация в нормальном режиме проста. При авариях потребители отключаются только на время оперативных переключений. Применение петлевых сетей возможно только для потреби­телей, допускающих подобный перерыв в электроснабже­нии. Таким образом, надежность петлевых сетей выше, чем разомкнутых, хотя и несколько ниже, чем если бы они ра­ботали в замкнутом режиме.

Сложнозамкнутые сети (рис. 4.2ж) содержат несколько замкнутых контуров. В этих сетях есть хотя бы один узел, получающий питание по трем и более ветвям, например узлы 1, 2. Является, как правило, результатом неуправляемого развития сети в условиях ограниченного количества и неравномерного размещения ЦП. Характеризуется слож­ными схемами подключения подстанций, трудностями обеспечения оп­тимального режима, повышенными уровнями токов КЗ. Сложнозамкнутые схемы широко рас­пространены в питающих сетях напряжением 110 кВ и выше.

Основой рационального построения сети является применение про­стых типов конфигураций и использование в качестве коммутационных пунктов главным образом подстанций следующей ступени напряжения, являющихся центрами питания для проектируемой сети.

Перейдем к рассмотрению способов присоединения к сети подстанций. Понижающие подстанции предназначены для распределения энер­гии по сети НН и создания пунктов соединения сети ВН (коммутацион­ных пунктов). Определяющей для выбора места размещения подстанции является схема сети НН, для питания которой предназначена рассмат­риваемая подстанция. Оптимальная мощность и радиус действия под­станции определяются плотностью нагрузок в районе ее размещения и схемой сети НН. При большой плотности нагрузок, сложной и развет­вленной сети НН следует рассматривать целесообразность разукрупне­ния подстанций ВН для повышения надежности питания и снижения стоимости сооружения сети НН.

Классификация подстанций по их месту и способу присоединения к сети нормативными документами не установлена. Исходя из приме­няющихся типов конфигурации сети и возможных схем при­соединения подстанций их можно подразделить на следующие (рис. 4.3):

тупиковые – питаемые по одной (рис. 4.3а) или двум радиальным (рис. 4.3б) линиям;

ответвительные – присоединяемые к одной (рис. 4.3в) или двум (рис. 4.3г) проходящим ВЭЛ на ответвлениях;

проходные – присоединяемые к сети путем захода одной линии с двусторонним питанием (рис. 4.3д);

узловые – присоединяемые к сети не менее чем по трем питающим линиям (рис. 4.3е, ж).

Рис. 4.3. Способы присоединения подстанций к электрическим сетям.

Ответвительные и проходные подстанции объединяют термином промежуточные, который определяет размещение подстанций между дву­мя центрами питания се­ти (или узловыми под­станциями). Проходные и узловые подстанции, через шины которых осу­ществляются перетоки мощности между отдельными точками сети, на­зываются транзитными.

В литературе и некоторых нормативных документах используется также термин опорная подстанция, под которым, как правило, подразу­мевают подстанции более высокой ступени напряжения (например, под­станции 220/110 кВ при рассмотрении сети 110 кВ). Однако в ГОСТ 24291-80 этот термин использован для определения эксплуатационной роли подстанции. Поэтому для подстанций, питающих сеть рассматри­ваемого напряжения, целесообразно использовать термин центр питания (ЦП).

Данные статистического анализа частоты при­менения приведенных выше схем присоединения подстанций в сети 110–330 кВ:

Напряжение сети, кВ	Частота использования схем по рис., %
а	б	в	г	д	е, ж
			–	–

Из приведенных данных видно, что большинство подстанций при­соединяется к сети по двум линиям, при этом следует иметь в виду тенденцию к увеличению этого числа за счет уменьшения доли подстан­ций, присоединяемых на первом этапе по одной линии. Удельный вес узловых подстанций увеличивается с ростом напряжения сети, одновре­менно снижается доля тупиковых и ответвительных подстанций. Наи­более распространенным типом подстанции 110–330 кВ является про­ходная.

Анализ схем построения электрической сети 110–330 кВ показыва­ет, что к узловым подстанциям целесообразно присоединять до четырех ВЛ; большее число линий является, как правило, следствием неуправ­ляемого развития сети, неудачного выбора конфигурации или запазды­вания сооружения в рассматриваемой точке сети центра питания выс­шего напряжения.

Схемы присоединения подстанций к сети, допустимое количество промежуточных подстанций между двумя центрами питания выбира­ются в зависимости от нагрузки и ответственности потребителей подстан­ции, протяженности рассматриваемого участка сети, целесообразности его секционирования и необходимости сохранения транзита мощности. Для некоторых групп потребителей (тяговые подстанции железной дороги, насосные и компрессорные станции магистральных трубо­проводов) эти вопросы регламентированы нормативными документами.

Линии сверхвысокого напряжения сооружаются с промежуточными подстанциями. Промежуточные подстанции делят линию электропере­дачи на участки, что способствует увеличению пропускной способности электропередачи, так как при повреждении участка отключается только цепь этого участка, а не вся линия. Кроме того, присоединение промежуточных энерго­систем в определенной мере стабилизирует напряжение на подстанции. Если на начальном этапе сооружения электропередачи не предполагается строительство промежуточных подстанций, то тогда на ли­нии предусматривают переключательные пункты (ПП на рис. 4.4). Пропускная способность двухцепных связанных электропередач длиной 800–1000 км повышается вследст­вие сооружения на линии переключательных пунктов и рас­тет при увеличении их числа. Так, в случае сооружения одного переключательного пункта на линии 500 кВ ука­занной длины ее пропускная способность повышается на 30 % по сравнению со случаем, когда на линии отсутству­ют переключательные пункты. При двух-трех переключа­тельных пунктах пропускная способность линии увеличива­ется соответственно на 45 и 60 %. Сооружение переключа­тельного пункта по затратам практически равноценно сооружению промежуточной подстанции (без учета стои­мости трансформаторов). Поэтому необходимость строи­тельства переключательных пунктов должна быть обосно­вана технико-экономическими расчетами.

Рис. 4.4. Схема линии сверхвысокого напряжения.