Электрические сети систем электроснабжения

1. Системы электроснабжения

1.1. Особенности систем электроснабжения

К системам электроснабжения относятся электрические сети промышленных предприятий, городов, а также сельскохозяйственного назначения. Эти электрические сети обладают рядом признаков, обусловливающих определенную общность методов и средств расчета их надежности, которые заключаются в следующем [7].

1. Электрические сети систем электроснабжения являются составной частью распределительных электрических сетей электроэнергетических систем (ЭЭС). «Сверху» системы электроснабжения ограничены питающими шинами 35, 110 кВ (в ряде случаев 220, 330 кВ) подстанций или электростанций, а «снизу» – вводными устройствами потребителей или конкретными электроприемниками. До последнего времени системы электроснабжения обычно не содержали собственных источников электроэнергии. Ситуация изменилась в связи с распространением так называемой распределенной генерации – малых источников электроэнергии, подключаемых в узлах распределительной электрической сети (см. подробнее п. 1.2).

2. Рассматриваемые системы электроснабжения характеризуются большей, чем системообразующие электрические сети высших напряжений, территориальной плотностью узлов нагрузки и соответственно потребителей при меньшем территориальном охвате. Этим обусловлена не менее чем на порядок большая сложность схем замещения, используемых для расчета надежности электроснабжения.

3. Отличительная особенность электрических сетей систем электроснабжения – наличие в каждой из систем указанного типа трех-четырех уровней территориальной иерархии. Каждому из них соответствуют сети, различающиеся объемом и типами схем электрических соединений, классом напряжения, объемом автоматизации, конструктивным исполнением сетевых объектов – подстанций, линий электропередачи (ЛЭП) и т.п.

4. В расчетах надежности систем электроснабжения указанного типа по сравнению с основными и распределительными сетями ЭЭС в целом необходим более подробный учет характеристик конкретных потребителей при формулировании и разработке решений по управлению и развитию этих систем. Необходим учет ограничений как «сверху» – со стороны ЭЭС, так и «снизу» – со стороны потребителей. В свою очередь, системы электроснабжения также предъявляют требования к надежности как верхних, так и нижних по отношению к ним уровней. Расчет надежности рассматриваемых систем электроснабжения производится относительно их узлов нагрузки или конкретных потребителей. При этом определяются показатели, характеризующие частоту и длительность отключения или недопустимое отклонение режимных параметров, которые могут послужить причиной снижения производительности потребителей или полного их погашения. В зависимости от типа систем электроснабжения и характера потребителей рассчитываются также недоотпуск электроэнергии и ущерб, которые могут быть обусловлены перерывами электроснабжения. Вычисляемые частоты перерывов электроснабжения (частоты отказов сети) целесообразно дифференцировать по длительности перерыва, что позволит более точно оценивать последствия от перерывов электроснабжения. В частности, в системах электроснабжения промышленных предприятий следует учитывать нарушения работы электроприемников при кратковременных (на время АПВ или АВР) перерывах электроснабжения или снижениях напряжения (в пределе до нуля), поскольку такие отказы могут приводить к опрокидыванию асинхронных двигателей и т.п.

Общность признаков систем электроснабжения по отношению к распределительным сетям ЭЭС в целом не исключает их относительной индивидуальности. суть которой состоит в следующем:

1) системы электроснабжения промышленных предприятий характеризуются применением кольцевых, но в основном разомкнутых схем электрических соединений, ЛЭП преимущественно в кабельном исполнении, широким использованием токопроводов, разнообразным категорированием потребителей, срав-нительно высоким уровнем автоматизации, а также большей по сравнению с городскими и сельскохозяйственными системами электроснабжения территориальной плотностью потребителей и электрических сетей;

2) системам электроснабжения городов свойственно применение как замкнутых, так и разомкнутых схем электрических соединений, как воздушных, так и кабельных ЛЭП и относительно высокий уровень сетевого резервирования и автоматизации. Особенностью этих систем является разнообразие потребителей, в состав которых входят и промышленные, имеющие свои внутренние системы электроснабжения. Оперативное обслуживание городских, а также сельскохозяйственных систем электроснабжения осуществляется оперативно-выездными бригадами;

3) системы электроснабжения сельскохозяйственного назначения отличаются преимущественным применением ЛЭП в воздушном исполнении, широким использованием открытых подстанций, разомкнутых электрических сетей, а также более низким по сравнению с системами электроснабжения промышленных предприятий и городов уровнем резервирования и автоматизации.

Структуризация систем электроснабжения по уровням (три-четыре уровня) отражает наиболее характерное их построение.

Первый уровень для систем электроснабжения промышленных предприятий включает в себя одну либо несколько районных питающих подстанций или подстанций глубокого ввода, присоединенных к ЭЭС на напряжении 110 кВ и выше, в ряде случаев –на напряжениях 6, 10, 35 кВ. Схемы указанных сетей предусматривают взаимное резервирование от независимых источников и выполняются кабельными и воздушными ЛЭП, а также токопроводами.

Питающая сеть систем электроснабжения городов указанного уровня включает в себя сети 35, 110 кВ, а в крупных городах даже 220 и 330 кВ, схема которых зависит от размеров города. Для небольших городов и поселков городского типа характерно наличие одной понижающей подстанции, имеющей, как правило, двустороннее питание и два трансформатора. Схема питающей сети 35, 110 кВ города средних размеров состоит из нескольких подстанций этих напряжений, присоединенных к одной или нескольким линиям с двусторонним питанием, образующим совместно внешнее кольцо электроснабжения. Такие подстанции представляют независимые источники питания для потребителей, поскольку отказ любого из участков линий 35, 110 кВ приводит к обесточиванию лишь одной подстанции. В крупных городах в состав питающей сети входят образующие кольцо линии и подстанции 220, 330, а иногда и 500 кВ, от которых питаются подстанции 35, 110 кВ. Для больших городов характерно сооружение глубоких вводов, когда понижающая подстанция сооружается по упрощенной схеме вблизи центра нагрузки, а также применение кабельных линий 35, 110, 220 кВ.

Системы электроснабжения сельскохозяйственного назначения ограничены «сверху» шинами 35, 110 кВ узловых районных подстанций. Их питающая сеть включает в себя ряд линий этого класса напряжения с подстанциями 35/10 или 110/10 кВ, которые, в свою очередь, являются центрами питания для распределительной сети 10 кВ. Питающая сеть указанного уровня в системах электроснабжения сельскохозяйственного назначения, как правило, разомкнута.

Второй уровень. характерный для систем электроснабжения городов и отчасти для систем электроснабжения промышленных предприятий, включает в себя питающие сети 6, 10 кВ, представляющие собой ЛЭП, отходящие от центров питания и подающие электроэнергию к распределительным пунктам без присоединения к ним других потребителей. Питание распределительных пунктов в зависимости от мощности нагрузки осуществляется по двум-четырем линиям 6, 10 кВ. Распределительное устройство состоит из двух секций с секционным выключателем, снабженным устройством АВР, либо секционным разъединителем. Средняя протяженность питающих линий составляет 2–4 км, а нагрузка распределительных пунктов колеблется от 3 до 12 МВт. Питающая сеть указанного уровня может в отдельных случаях эксплуатироваться по замкнутой схеме.

Третий уровень в системах электроснабжения промышленных предприятий включает в себя распределительные сети напряжениями 6, 10 кВ, которые могут быть как кольцевыми, так и радиальными. В системах электроснабжения городов к указанному уровню относятся распределительные сети 6, 10 кВ, выполняемые в основном кольцевыми с трансформаторными подстанциями транзитного типа. Наиболее распространена в системах электроснабжения городов петлевая схема, в которой к линии присоединяются от 3 до 16 трансформаторных подстанций напряжением 6(10)/0,4 кВ и протяженность участков линий между трансформаторными подстанциями составляет в среднем 0,4–0,6 км. В нормальном режиме петля разомкнута. Петлевая схема обеспечивает требования к надежности питания потребителей II категории. В крупных городах для питания районов многоэтажной застройки применяется двухлучевая схема 6, 10 кВ, обеспечивающая требуемую надежность электроснабжения ответственных потребителей. Двухлучевая схема применяется с АВР на стороне 6,10 кВ или 0,4 кВ. При отказе любого из участков линии, 6, 10 или трансформатора 6(10)/0,4 кВ, электроэнергия на сборку низкого напряжения подается через секционный автоматический выключатель. Применяются также многолучевые и петлевые схемы с автоматическим включением резерва.

Распределительная сеть этого уровня для систем электроснабжения сельскохозяйственного назначения представлена весьма протяженными, в основном воздушными ЛЭП 10 кВ с многочисленными радиальными ответвлениями. Надежность электроснабжения обеспечивается широким использованием секционирующих устройств и в ряде случаев применением резервных перемычек.

Четвертый уровень включает в себя сеть напряжением 0,38 кВ, которая выполняется в различных модификациях: радиальная с присоединением потребителей на нерезервируемых ответвлениях; резервируемая и нерезервируемая; петлевая и магистральная. Используются разные сочетания схем сетей 0,38 и 6, 10 кВ. Замкнутые сети 0,38 кВ не применяются вообще или применяются ограниченно в городах из-за трудностей в обеспечении селективности работы предохранителей и несовершенства автоматических выключателей обратной мощности.

При расчетах надежности электроснабжения необходимо учитывать следующие особенности распределительных сетей систем электроснабжения.

1. Пропускная способность сети существенно влияет на надежность электроснабжения потребителей, так как перерывы или ограничения электроснабжения возможны при перегрузке отдельных элементов ЛЭП, трансформаторов как из-за увеличения тока, так и из-за снижения напряжения ниже допустимого уровня. Это может вызвать либо внезапное отключение, либо ограничение нагрузки потребителей по указанию диспетчера. Поэтому в расчете надежности целесообразно учитывать и электрический режим, определение параметров которого в данном случае не требует высокой точности, что позволяет применить упрощенные методы с малым временем счета на компьютере.

2. В резервированных сетях перерывы электроснабжения воз-можны как при совпадении вынужденных отключений взаиморезервирующих цепей, так и при наложении отказа одной из них на плановый ремонт другой. Частота таких совпадений носит явно выраженный сезонный характер и поэтому в расчетах надежности следует учитывать сезонную неравномерность факторов, определяющих надежность элементов системы электроснабжения. Также следует считаться с тем обстоятельством, что в сетях с малым временем восстановления питания (системы электроснабжения городов и промышленных предприятий) величина недооопуска электроэнергии зависит от того, в какое время суток произошло отключение.

3. Наличие территориальной иерархической структуры рассматриваемых систем электроснабжения предопределяет целесообразность использования для расчета надежности их электрических сетей методов и моделей в различных модификациях, рассчитанных на определение надежности сложнозамкнутых, кольцевых, разомкнутых, а также радиальных сетей. Целесообразность применения в пределах одной системы электроснабжения разных моделей оправдана также различиями в объеме сетей, относящихся к различным иерархическим уровням. Учет разной заблаговременности принятия различных решений по обеспечению надежности электроснабжения предопределяет дифференциацию характеристик используемой информации и уровень детализации учета индивидуальных особенностей элементов системы (объекта) в зависимости от конкретного содержания задач управления и развития системы электроснабжения.

4. Общность применяемых методов и моделей в наибольшей степени проявляется в расчетах питающих сетей при оценке их структурной надежности и надежности с учетом электрического режима, так как определяющим фактором в последнем случае являются уровни напряжения в узлах сети и пропускная способность сетевых элементов. На уровне распределительной сети индивидуализация применяемых методов проявляется в дифференциации определяемых показателей, учитываемых факторов, характеризующих динамику поведения объекта, а также в дифференциации информационного обеспечения расчетов.