Лекция
по дисциплине: «Электротехнические системы и сети»
тема «Выбор структурной схемы электрической сети»
Итого 4 часа
Часть первая - 2 часа
Часть вторая - 2 часа
Часть первая
2 часа
Городские электрические сети
1. Общие требования. Система электроснабжения города представляет собой совокупность электрических сетей всех применяемых напряжений. Она включает электроснабжающие сети (линии напряжением 35 кВ и выше, понижающие подстанции 35-110/6-10 кВ), распределительные сети (линии напряжением 6-10 кВ и 0,4/0,23 кВ) и трансформаторные подстанции 6-10/0,4 кВ.
Сборные шины 6-10 кВ (в перспективе 20 кВ) районных понижающих подстанций называют центрами питания (ЦП) городских электрических сетей. Для принятия той или иной системы построения электрической сети необходимо учитывать мощность и число потребителей, их взаимное расположение, расстояние от питающего центра, требования по уровню, отклонениям напряжения и по надежности электроснабжения. Кроме того, схема сети должна обеспечивать наиболее экономичное решение как по капитальным вложениям, так и по эксплуатационным расходам. Требования к надежности электроснабжения регламентированы ПУЭ, согласно которым все электроприемники в этом отношении подразделяются на три категории:
I категория — электроприемники, нарушение электроснабжения, которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, вызванный повреждением оборудования, массовым браком продукции или расстройством сложных и трудно восстанавливаемых технологических процессов, а также нарушением работы особо важных элементов городского хозяйства. В городских электрических сетях к I категории относятся ответственные электроприемники театров, крупных кинотеатров, стадионов, универмагов с площадью торгового зала свыше 1800 м и т. п., сооружений с массовым скоплением людей, действующих при искусственном освещении, комплексы электроприемников особых лечебных помещений (операционных блоков больниц и родильных домов, пунктов неотложной помощи и т. п.); технические и силовые электроприемники жилых зданий выше 16 этажей (пожарные насосы, лифты, средства автоматического дымоудаления), аварийное освещение лестничных клеток, коридоров, вестибюлей, холлов, заградительные огни на кровлях зданий высотой 50 м и более, а также электроприемники технических и силовых установок узлов радиосвязи, телеграфа, телефонных, водопроводных и канализационных станций и групп городских потребителей с общей нагрузкой более 1000 кВА.
Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания, причем перерыв в электроснабжении допускается только на время автоматического включения резерва (АВР). Независимым называется источник питания данного объекта (в нашем случае объектом может являться группа электроприемников или электроустановок), на котором сохраняется напряжение при исчезновении его на других источниках. При небольшой мощности электроприемников и некоторых других особенностях местных условий в качестве второго источника питания могут быть использованы передвижные электростанции, аккумуляторные батареи, стационарные генераторы с двигателями внутреннего сгорания или паровыми машинами, а также перемычки на низшем напряжении от ближайшего распределительного пункта, имеющего независимое питание, с автоматическим включением резерва.
II категория — электроприемники, перерыв в электроснабжении которых влечет за собой массовый простой рабочих, оборудования и промышленного транспорта, а также нарушение нормальной деятельности большого числа жителей. К этой категории относятся: электроприемники жилых зданий, от 6 до 16 этажей включительно, а также меньшей этажности, но оборудованных стационарными кухонными электроплитами, зданий лечебных и детских учреждений, школ и других учебных заведений; силовых установок, технология которых ограничивает допускаемые перерывы в электроснабжении, например: квартальные котельные, тепловые пункты, столовые и кафе с числом посадочных мест от 100 до 500, магазины с площадью торгового зала от 220 до 1800 м2 и т. п.; группы городских потребителей с нагрузкой от 300 до 10000 кВА для кабельных сетей и от 1000 кВА и более для воздушных сетей.
Для электроприемников второй категории перерывы питания допускаются на время, необходимое для включения резерва выездной бригадой или дежурным персоналом. Допускается питание рассматриваемых приемников одной воздушной линией при напряжении 6 кВ и более, а при кабельных линиях не менее чем двумя кабелями, присоединяемыми через самостоятельные разъединители. Однако и для электроснабжения потребителей II категории рекомендуется устройство АВР, если применение этого устройства увеличивает капитальные вложения в сеть не более чем на 15% или если эти затраты окупаются за 5-8 лет. Допускается резервирование электроприемников II категории при аварии путем устройства перемычек на стороне низшего напряжения шланговым кабелем длиной до 50 м.
III категория — электроприемники, не подходящие под определение I и II категории. К ней, в частности, относятся газифицированные дома высотой 5 и менее этажей, небольшие поселки и т. д. Для этих электроприемников допускаются перерывы электроснабжения на время, необходимое для ремонта или замены поврежденного элемента электроснабжения, но не более чем на одни сутки.
Чтобы электроустановки работали нормально, важно обеспечить необходимый уровень напряжения на зажимах электроприемников. Отклонение напряжения ухудшает работу электрических ламп. Например, световой поток ламп накаливания снижается на 30% при снижении напряжения на 10%; повышение же напряжения на 10% сокращает срок службы ламп на 60%. Менее чувствительны люминесцентные лампы, но и на них вредно отражаются отклонения напряжения от номинального значения. При снижении напряжения вращающий момент электродвигателя резко снижается, и он может не пойти при пуске. При повышении напряжения у асинхронных двигателей и трансформаторов возрастает намагничивающий ток (реактивный), отчего снижается коэффициент мощности. Весьма чувствительны к изменениям напряжения кинескопы телевизоров, радиолампы и т. д. ПУЭ регламентируют допустимые отклонения напряжения величинами, приведенными в табл. 2.1.
Отклонением напряжения называют алгебраическую разность между напряжением на зажимах электроприемника и его номинальным напряжением
V = UЭ – UН
Отклонения напряжения часто выражают в процентах от номинального напряжения
Таблица № 2.1.
| Потребитель | Предельно допустимое отклонение напряжения, % |
| Рабочее освещение промышленных и коммунальных предприятий и общественных зданий | +5,0 -2,5 |
| Прожекторное освещение (наружное) | +5,0 -2,5 |
| Рабочее освещение жилых зданий, аварийное, наружное освещение, выполненное светильниками | ±5 |
| Аварийный режим осветительных установок | -12 |
| Электродвигатели | |
| а) в нормальных режимах | ±5 |
| б) в особых случаях | -10 |
| В сетях напряжением 12 – 42 В | -10 |
Отклонение напряжения может быть как положительным (UЭ > uН) так и отрицательным (UЭ< UН). Отклонения напряжения обычно рассчитываются для режима наибольших и наименьших нагрузок, что имеет важное значение для установления режима работы районных и городских подстанций.
2. Схемы электрических сетей. Распределение электроэнергии выполняют по радиальным, магистральным и смешанным схемам. При радиальных схемах каждая подстанция питается отдельными линиями, при магистральных — к одной линии может присоединяться группа из нескольких городских трансформаторных подстанций. Радиальные схемы электроснабжения весьма надежны, но они требуют большего расхода проводов или кабелей, а также высоковольтной аппаратуры, стоимость сетей значительно выше, чем при магистральной схеме. В крупных городах применяются радиальные и магистральные схемы в зависимости от требований к надежности электроснабжения присоединенных потребителей.
Городские электрические сети напряжением 6 -10 кВ характерны тем, что в любом из микрорайонов могут оказаться потребители всех трех категорий по надежности электроснабжения. Естественно, это требует и надлежащего построения схемы сети. Для подключения городских подстанций с двумя трансформаторами номинальной мощностью до 400 кВА часто применяют лак называемую лвухлучевую схему с АВР на стороне низшего напряжения с контакторной автоматикой (рис.2.1.). При выходе из строя одного из «лучей» высшего напряжения или трансформатора нагрузка с помощью контактора переключается на неповрежденный кабель и второй трансформатор, которые на это рассчитаны. Двухлучевая схема с АВР на стороне низшего напряжения имеет значительные преимущества, надежна в эксплуатации, обладает быстродействием (переключение производится за 0,2-0,3 с, тогда как АВР на стороне высшего напряжения включается за 1-1,5 с), однако она обходится несколько дороже так называемой петлевой схемы с резервными перемычками, применяемой в небольших и средних городах. При петлевой схеме (рис. 2.2.) переключение производится вручную выездным персоналом, а ответственные объекты приходится выделять на отдельные линии.
Риc 1. Двухлучевая магистральная схема сети Рис. 2. Схема петлевой сети
высокого напряжения с контакторной автоматикой 6-10 кВ:
(АВР) на стороне низкого напряжения: П - перемычка резервная
ТП - трансформаторные подстанции:
К - контакторы
В экспериментальном порядке в некоторых городах сооружают и уже эксплуатируют участки сетей по замкнутой схеме. Такие сети имеют высокую степень надежности и большую пропускную способность, но требуют несколько большего расхода цветного металла, сложны в эксплуатации, требуют применения специальных видов релейной защиты.
Трансформаторные подстанции. Трансформаторной подстанцией (ТП) называется электрическая установка, предназначенная для преобразования и распределения электроэнергии. В зависимости от положения в сети электросистемы понизительные подстанции подразделяют на районные и шестого значения.
Районные подстанции имеют первичное напряжение 500, 220,110 кВ и вторичное напряжение 220,110, 35, 10, 6 кВ. Подстанции, питающие мелкие промышленные и коммунальные предприятия, а также городские бытовые нагрузки, имеют первичное напряжение 6-10 кВ и вторичное напряжение 0,4/0,23 кВ. Их оборудование состоит из одного или нескольких силовых трансформаторов, распределительных устройств (РУ) первичного и вторичного напряжения и устройств управления, защиты и сигнализации.
Трансформаторные подстанции выполняются отдельно стоящими, пристроенными, т. е. примыкающими к зданию, встроенными в здания, внутрицеховыми - располагающимися непосредственно внутри производственного помещения. Кроме того, в небольших поселках и сельской местности сооружаются открытые мачтовые подстанции, на которых устанавливаются силовые трансформаторы мощностью до 100 кВА. Опорные конструкции таких подстанций обычно деревянные, но могут быть и железобетонные.
Большое распространение получили комплектные трансформаторные подстанции КТП, изготовляемые на заводе и доставляемые на место установки либо в собранном виде, либо в виде блоков, подготовленных для сборки. В крупных городах применяют БКТП — комплектные подстанции из объемных железобетонных элементов, которые изготовляют на заводе и вместе со смонтированным оборудованием (кроме трансформаторов) доставляют на место строительства и устанавливают на заранее подготовленную площадку. Такие подстанции прочны, долговечны и удобны в условиях городской застройки. Ведутся разработки городских подстанций для размещения в подземном пространстве.
В ПУЭ установлен ряд требований к конструкциям, размещению, оборудованию подстанций. Отметим наиболее важные из них. Подстанции не разрешается встраивать в жилые здания, школы, больницы, спальные корпуса санаториев. Поскольку трансформаторы с масляным заполнением взрывоопасны, их не разрешается размещать под и над помещениями, в которых могут находиться более 50 человек. При установке трансформаторов сухих или с негорючим наполнителем соблюдение этого требования не обязательно.
Подстанции не допускается размещать под помещениями производств с мокрым технологическим процессом, душевыми, уборными, ванными и т. д. Исключения возможны лишь при перекрытиях из монолитного бетона и надежной гидроизоляции. Необходимо применять меры защиты ТП от возможных повреждений при расположении в непосредственной близости от путей кранов и внутрицехового транспорта.
На внутрицеховых ТП допускается устанавливать не более трех масляных трансформаторов суммарной мощностью до 2000 кВА. При установке на втором этаже их мощность не должна превышать 630 (750) кВА. Мощность пристроенных ТП не ограничивается. Установлен разрыв между отдельно стоящими ТП и смежными зданиями. Так, до жилых и общественных зданий от ТП при I и II степенях огнестойкости соседнего здания по противопожарным нормам должно быть не менее 7 м, при III степени — 9м, при IV-V степенях — 10м.
Электрические схемы первичных соединений ТП определяются их назначением и характером присоединяемых потребителей. На городских ТП устанавливают трансформаторы мощностью до 630 кВА. Для электроснабжения потребителей I категории сооружают двухтрансформаторные, II категории одно- и двухтрансформаторные и III категории — однотрансформаторные подстанции.
На рис. 2.3 представлена однолинейная схема простейшей однотрансформаторной подстанции с воздушным вводом. Схема предусматривает присоединение трансформатора к сети напряжением 6-10 кВ через разъединитель РВ и предохранители ПК 6-10. Разъединитель предназначен для отключения трансформатора ТМ мощностью до 400 кВА при отключенной нагрузке (для этого служит рубильник РП-1), т. е. только тока холостого хода трансформатора. Предохранители ПК служат для автоматического отключения трансформатора при коротких замыканиях в самом трансформаторе или соединительных проводниках (шинах).
Предохранители ПН защищают трансформатор от токов коротких замыканий и перегрузки на стороне низшего напряжения. На подстанции, смонтированной по данной схеме, иногда устанавливают и трансформатор мощностью 630 кВА, однако и этом случае вместо рубильника и предохранителей на стороне низшего напряжения рекомендуется устанавливать автоматический выключатель. К трансформаторам тока ТТ присоединяют измерительные приборы: амперметры (А), счетчики активной (Wh) и реактивной энергии (VARh) Для измерения напряжения служит вольтметр (V).
Установка трансформаторов тока и предохранителей после рубильника обеспечивает безопасную работу при смене плавких вставок, ремонтах, замене счетчиков и т.д. Если подстанция является сетевой и питает жилые и общественные здания, то трансформаторы тока и измерительные приборы не устанавливают. На отходящих линиях установлены рубильники (РП) и предохранители (ПН). Если подстанция тупиковая, то для защиты трансформатора от атмосферных перенапряжений устанавливают трубчатые разрядники типа РТ на ближайшей опоре воздушной линии. Если подстанция служит как транзитная, т. е. для пропуска энергии через шины высокого напряжения к другим подстанциям, то устанавливают уже внутри подстанции на шинах высокого напряжения вилитовые разрядники.
При кабельном вводе в подстанцию разрядники не устанавливают. В крупных городах применяют двухтрансформаторные подстанции. Оба трансформатора являются рабочими и взаимно резервируют друг друга вручную или автоматически.
 |
Рис. 3. Схема однотрансформаторной концевой подстанции.
Важным условием построения распределительной сети является правильный выбор мощности и размещение ТП. Мощности трансформаторов определяют на основании расчетов электрических нагрузок, с учетом допустимых перегрузок в нормальном и аварийном режимах. Допустимые перегрузки в нормальном режиме установлены ГОСТом и приводятся в каталогах. Перегрузки масляных трансформаторов в аварийном режиме регламентированы ПУЭ и могут составлять 40% от номинальной мощности на время максимума нагрузок общей суточной продолжительностью не более 6 ч в течение не более 5 суток. При этом коэффициент заполнения суточного графика в период перегрузки должен быть не более 0,75
В некоторых крупных городах разрешена в аварийном режиме перегрузка на 80% при Кз.г. < 0,5. Наивыгоднейшую мощность подстанции выбирают на основании технико-экономических расчетов.