Характеристика систем распределения электрической энергии

В предыдущем параграфе были рассмотрены системы передачи ЭЭ, одна из функций которых заключается в доставке энергии к центрам питания (районам) распределительных сетей. В качестве таких центров рассматриваются подстанции с вторичным напряжением 6—110 кВ, а также шины генераторного напряжения ТЭЦ. Назначение распределительных сетей — доставка электроэнергии непосредственно потребителям напряжением 6—10 кВ, распределение электроэнергии между подстанциями напряжением 6—110/0,38—35 кВ района электропотребления, сбор мощности, производимой небольшими станциями (теплофикационными и гидравлическими), мощности которых составляют десятки, иногда, сотни мегаватт.

Непрерывный рост во времени этих мощностей приводит к постоянному увеличению номинального напряжения распределительных сетей. Так, еще до недавнего времени, распределительные функции возлагались главным образом на сети напряжением 6—35 кВ электроснабжения отдельных групп потребителей. Назначение сетей напряжением 110 кВ заключалось в передаче (без промежуточных отборов) этих потоков до зон (территорий) их распределения.

На современном этапе электрификации, развития хозяйственно-экономической деятельности, сопровождающихся увеличением охвата этих территорий и количества крупных энергоемких предприятий, распределительные функции возлагаются на питающие сети напряжением 110 кВ, а в некоторых ЭЭС перешли к разветвленным линиям электропередачи напряжением 220 кВ. Кроме того, рост мощностей, потребляемых промышленными предприятиями, крупными городами, приводит к необходимости применения глубокого ввода линий напряжением 110—220 кВ, т.е. максимального приближения повышенных напряжений к узлам, районам электропотребления. (Выбор номинального напряжения рассматривается в подразделе

12.5. ) Поэтому необходимо отметить условность деления системы передачи и распределения ЭЭ на системообразующие, протяженные сети (системы передачи ЭЭ) и системы распределения ЭЭ по их номинальному напряжению.

Итак, систему распределения ЭЭ составляют сети напряжением 6—150(220) кВ, включающие в себя две-три ступени (уровня) напряжения с трансформациями на- пряжениий 110(150)/35/6—10 кВ или 220/35/6 — 10 кВ. Уровень среднего напряжения (СН) соответствует напряжениям 110—150(220) кВ, питающегося от сетей высшего напряжения (ВН) 330—750 кВ системы передачи ЭЭ через трансформацию ВН/СН. Уровень низшего напряжения представлен сетями напряжением 6—35 кВ, питающихся от сетей СН с трансформацией СН/НН 110—150(220)/6—35 кВ, или напрямую от сетей ВН с трансформацией ВН/НН с напряжениями 220—330/6—35 кВ. Низковольтные сети напряжением 0,22 — 0,66 кВ также относятся к низшему уровню, образующемуся в результате дополнительной трансформации напряжений 6-35/0,22-0,66.

Возможности распределительных сетей, по значению передаваемой мощности и дальности электропередачи (см. табл. 1.1) различны. Так, распределительные сети СН передают мощности в десятки мегаватт, сети НН доставляют мощности потребителям от нескольких сотен киловатт до нескольких мегаватт. Низковольтные или потребительские сети питают непосредственно аппараты промышленного или бытового назначения. Нагрузки, питаемые этими сетями напряжением 0,22—0,38 кВ (за исключением промышленных), имеют мощности от долей киловатт до нескольких киловатт, в промышленных сетях напряжением 0,38—0,66 кВ передаваемая мощность составляет от нескольких десятков и реже до нескольких сотен киловатт.

Электрические сети системы распределения ЭЭ специфичны по структуре (составу), конфигурации и электрическим режимам и поэтому выделены в отдельный класс напряжением до 150 (220) кВ.

Структура сети определяется ее назначением. В частности, сети СН 110—220 кВ, выполняемые, как правило, воздушными линиями соединены автотрансформаторной связью, содержат крупные подстанции районного значения и могут объединять электростанции небольшой мощности. Сети НН 0,38—35 кВ, рассчитанные на распределение и доставку ЭЭ значительно меньших мощностей, в определенной мере отражают отраслевую принадлежность и могут быть выполнены как воздушными, так и кабельными линиями. Так, сети напряжением 35 кВ внешнего электроснабжения промышленных предприятий и городов, сельской электрификации напряжением 0,38—35 кВ выполняются воздушными линиями; городские сети — 0,38—10 кВ, сети внутреннего электроснабжения промышленных предприятий преимущественно кабельные.

Во многом режимная специфика распределительных сетей определяется их конфигурацией. Конфигурация схемы сети зависит от взаимного расположения центров питания, приемных подстанций и от требований обеспечения надежности (резервирования) электроснабжения (подробнее в подразделе 12.4).

Распределительные сети могут выполняться разомкнутыми и замкнутыми. При разомкнутой конфигурации — в виде радиальной (рис.1.11, а) и магистральной (рис. 1.11, б) схем с одним центром питания (ЦП). При магистральной конфигурации сети затрачивается меньше проводников и коммутационной аппаратуры, чем при радиальном ее исполнении. Кроме того, по причине меньшей суммарной протяженности ВЛ уменьшается расход опор, изоляторов, линейной арматуры и др., поэтому магистральные сети дешевле радиальных. Однако они менее надежны, потому что отключение головного участка выводит из работы все электроприемники, получающие питание по данной магистрали. Вместе с тем магистральные сети, выполненные шинопроводами, обеспечивают высокую надежность [32, 74].

Распределительные сети СН 110—220 кВ снабжают электроэнергией большие районы электропотребления, поэтому выполняются преимущественно резервированными, например, в виде радиально-магистральных схем с одним центром питания (рис. 1.12). Причем нерезервированные разомкнутые схемы следует рассматривать как первую очередь сооружения (развития) резервированной сети при возможности их резервирования по сети СН или НН.

Рис. 1.11. Разомкнутая нерезервированная конфигурация сети: а — радиальная; б — магистральная

Рис. 1.12. Радиально-магистральная резервированная конфигурация схемы сети

Двойная радиально-магистральная сеть за счет дублирования линии (на одних или разных опорах) обеспечивает резервирование питания потребителей. Эта схема характеризуется равномерной загрузкой обеих линий, что соответствует минимуму потерь, не вызывает увеличения силы токов короткого замыкания в смежных участках сети, позволяет осуществлять четкое ведение режима работы.

Технико-экономические исследования и анализ области применения такой конфигурации показывают, что ее применение (как правило, на двухцепных опорах) эффективнее при небольших расстояниях от потребителей до ЦП и при высоких уровнях нагрузки, например, для электроснабжения промышленных предприятий и отдельных районов городов на напряжении 110 кВ [66, 70] (подробнее в подразделе 11.5). Преимуществами разомкнутых сетей являются простая конфигурация схемы, низкая стоимость, минимальные затраты проводникового металла и оборудования. Отсутствие перегрузок в аварийных режимах позволяет вести расчет и выбирать сечения проводов только по нормальному режиму работы [36].

Две радиальные нерезервированные сети (рис. 1.13), питающиеся от одного центра, при развитии за счет подключения новых участков, удлинняющих магистрали (показано пунктиром), могут быть преобразованы в замкнутую сеть кольцевой конфигурации (петлевая схема) или в сеть с двумя источниками питания (рис. 1.14, а), что позволяет резервировать питание потребителей.

Преимущества радиально-магистральной и кольцевой схем заключаются в независимости потокораспределения от потоков сети ВН, отсутствии влияния токов коротких замыканий в прилегающих сетях, возможность присоединения подстанций по простейшим схемам (подробнее в подразделе 11.3).

Рис. 1.13. Замкнутая кольцевая конфигурация сети с одним центром питания

Широкое применение находят замкнутая одинарная или двойная сеть, опирающаяся на два ЦП (сеть с двусторонним питанием), что позволяет охватить значительную территорию между двумя источниками (рис. 1.14). Одинарная сеть от двух ЦП может быть образована в результате развития (показано пунктиром) магистральных участков, подключенных к разным источникам (см. рис. 1.14, а). Данная конфигурация применяется в сетях напряжением 110 кВ для электрификации сельской местности, а также в распределительных сетях напряжением 220 кВ, обеспечивая с наименьшими затратами максимальный охват территории. Возможности данной конфигурации ограничиваются пропускной способностью головных участков, т.е. при отключении одного из них необходимо обеспечить электроснабжение всех подстанций сети; а также в зависимости от мощности трансформаторов количеством подстанций. Двойная конфигурация (см. рис. 1.14, б) обладает большей пропускной способностью, применяется в сетях напряжением 110 кВ систем электроснабжения городов (подробнее в подразделе 11.5), а также в сетях напряжением 110—220 кВ для электроснабжения протяженных потребителей — электрифицируемых железных дорог и трубопроводов [66, 70].

Рис. 1.14. Конфигурация сети с двусторонним питанием: а — одинарная; б—двойная

Присоединение новых подстанций в ближайших пунктах в целях снижения суммарной длины линии по сравнению с присоединением по кратчайшему к источнику пути приводит к созданию сложнозамкнутых (многоконтурных) конфигураций, обладающих высокой надежностью электроснабжения (рис. 1.15). Расчет, анализ режимов, защита замкнутых сетей, управление ими — задачи более сложные, чем для разомкнутых сетей. Сложнозамкнутые сети дороже радиально-магистральных; их использование выгодно только при большой стоимости перерывов электроснабжения, например, в системах электроснабжения больших городов.

При развитии такой системы в результате наложения сети более высокого номинального напряжения сеть СН преобразуется в двухступенчатую напряжением 220/110 кВ с автотрансформаторной связью (рис. 1.16). Распределительные сети СН 110—220 кВ, как правило, многоконтурные: возможна параллельная работа участков сетей одного напряжения и сетей различных классов напряжения, осуществляемая через связующие автотрансформаторы с РПН (они сильно связаны электрически, имеют общий режим). По топологическим свойствам, составу, режимной взаимосвязанности сети напряжением 110—220 кВ близки к системообразующим сетям напряжением 330—750 кВ. Наряду с повышением надежности электроснабжения такая конфигурация системы распределения ЭЭ сопровождается (с большей вероятностью) неэкономичным потокораспределе- нием при параллельной работе сетей как одного, так и разных напряжений и повышенным уровнем токов короткого замыкания, что вызывает необходимость секционирования (деления) сети в нормальных режимах. Основы оптимизации электрических режимов систем передачи и распределения ЭЭ будут рассмотрены в главе 13.

Рис. 1.15. Сложнозамкнутая конфигурация сети

Рис. 1.16. Сложнозамкнугая конфигурация сети двух номинальных напряжений

Распределительные сети НН 0,38—35 кВ выполняют преимущественно разомкнутыми радиальной и магистральной конфигурации, получающих питание от одного (см. рис. 1.11—1.13) или двух центров (см. рис. 1.14—1.16). В отдельных случаях эти сети сооружаются как замкнутые (см. рис. 1.13, 1.14, а), но эксплуатируются только в разомкнутом режиме (например, в городских сетях). В этих схемах при нарушении питания по одной из линий включается резервный участок — перемычка (показана пунктирной линией), который в нормальном режиме разомкнут. При этом электроснабжение осуществляется через резервный участок до восстановления поврежденной ЛЭП.

Главная особенность распределительных сетей НН — их массовость. Количество трансформаторных пунктов, участков сетей достигает в пределах сетевого предприятия нескольких сотен. В этих сетях для изменения, улучшения режима напряжения используют простые недорогие устройства: трансформаторы без автоматического регулирования и преимущественно нерегулируемые конденсаторные батареи. Задача регулирования напряжения возлагается на ЦП сетей. Вопросы регулирования напряжения будут рассмотрены в главе 10.

Распределительные сети НН и особенно сети напряжением 0,38—10 кВ сильно разветвленные, характеризуются большой суммарной протяженностью. Для уменьшения отрицательного влияния перетоков реактивной мощности, вызванных низким значением естественного коэффициента мощности основной массы потребителей, экономически целесообразна высокая или полная ее компенсация с помощью конденсаторных батарей.

Схемное построение и функционирование распределительных сетей определяется требуемой надежностью электроснабжения, отраслевой принадлежностью, характером потребителей. Основы построения и функционирования систем распределения ЭЭ будут рассмотрены в главе 11.