Главные электрические схемы и схемы питания собственных нужд электростанций и подстанций


В. С. Марков






            ГЛАВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И СХЕМЫ ПИТАНИЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ





Учебное пособие по курсу «Электрическая часть электростанций и подстанций»










Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.311 ББК31.277
М26

Редактор:
инженер Г. П. Шафоростов






     Марков, В. С.
М26 Главные электрические схемы и схемы питания собственных нужд электростанций и подстанций : учебное пособие / В. С. Марков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 192 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0403-7

     Рассмотрены принципиальные электрические схемы и схемы питания собственных нужд электрических станций и подстанций энергосистем, показан выбор параметров основного оборудования в зависимости от условий работы в эксплуатационных режимах; приводится анализ схем действующих объектов электроэнергетических систем.
     Для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению «Электроэнергетика», специальностям «Электрические станции», «Электроэнергетические системы и сети», «Электроснабжение».

УДК 621.311
ББК31.277











ISBN 978-5-9729-0403-7

© Марков, В. С. 2020
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

        ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АВ (QF)      автоматический выключатель;                          
АВР          автоматическое включение резерва;                    
АГП          автомат гашения магнитного поля;                     
АПВ          автоматическое повторное включение;                  
АРВ          автоматический регулятор возбуждения;                
АТ           автотрансформатор;                                   
АЧР          автоматическая частотная разгрузка;                  
АЭС          атомная электростанция;                              
B(Q)         выключатель;                                         
Bn(W)        воздушная линия электропередачи;                     
ГВ           генераторный выключатель;                            
ГЭС          гидравлическая электростанция;                       
ГАЭС         гидроаккумулирующая электростанция;                  
ГРЭС         государственная районная электрическая станция;      
ДГР          дугогасящий реактор;                                 
ДЗШ          дифференциальная защита шин;                         
ЕЭС России - Единая энергетическая система России;                
ЗН (QSG)     заземляющий разъединитель (заземляющие ножи          
             разъединителя);                                      
ЗОН          заземляющий однополюсный нож;                        
ЗРУ          закрытое распределительное устройство;               
КЗ (QN)      короткозамыкатель;                                   
КЛ           кабельная линия электропередачи;                     
КРУ          комплектное распределительное устройство;            
КРУН         комплектное распределительное устройство наружной    
             установки;                                           
КРУЭ         комплектное распределительное устройство с элегазовой
             изоляцией;                                           
КЭС          конденсационная электростанция;                      
ЛЭП (W)      линия электропередачи;                               
МВ           масляный выключатель;                                
МН           местная нагрузка;                                    
одюю         отделитель;                                          
ОВ (QO)      обходной выключатель;                                

3

ОВБ        оперативно-выездная бригада;                      
ОСШ (АО) - обходная система шин;                             
ОДУ        объединенное диспетчерское управление;            
ОРУ        открытое распределительное устройство;            
ОЭС        объединенная энергетическая система;              
ПА         противоаварийная автоматика;                      
ПС         подстанция;                                       
РДУ        региональное диспетчерское управление;            
РЗ         релейная защита;                                  
РЗиА       релейная защита и автоматика;                     
РП         распределительный пункт;                          
РПН        устройство регулирования напряжения трансформатора
           под нагрузкой;                                    
РУ         распределительное устройство;                     
С(В)       секция шин;                                       
СВ (QB)    секционный выключатель;                           
СК (GC)    синхронный компенсатор;                           
СН         собственные нужды;                                
СШ (А)     система шин;                                      
Т          трансформатор;                                    
TH (TV)    трансформатор напряжения;                         
ТП         трансформаторная подстанция;                      
ТС         телесигнализация;                                 
ТСН        трансформатор собственных нужд;                   
ТТ (ТА)    трансформатор тока;                               
ТУ         телеуправление;                                   
УРОВ       устройство резервирования при отказе выключателя; 
ШОВ^АО) -  шиносоединительный и обходной выключатель         
           (выключатель совмещенного исполнения);            
ШСВ (QA) - шиносоединительный выключатель;                   
ЭП         приемник электрической энергии.                   

Примечание. В скобках приводятся обозначения оборудования согласно системе обозначений МЭА.

4

        ВВЕДЕНИЕ


     Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по учебным планам подготовки бакалавров направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», профили подготовки «Электроэнергетические системы и сети», «Электрические станции», «Электроснабжение», при изучении соответственно дисциплин «Электрическая часть электростанций и подстанций» и «Электрическая часть ТЭЦ и подстанций». Оно может быть полезно при выполнении студентами курсовых проектов по указанным выше дисциплинам и выпускных работ бакалавров направления 13.03.02.
     При разработке пособия учтено, что ранее студенты изучали дисциплину «Электрические станции и подстанции», где рассматривались вопросы производства электрической энергии на электростанциях (ЭС) различных типов, а также преобразование и передача электроэнергии на подстанциях (ПС) энергосистем. Студентам должно быть известно назначение и устройство генераторов, трансформаторов, оборудования для компенсации реактивной мощности, различных электрических аппаратов, а также их разновидности и свойства. У студентов должно быть представление о режимах работы основного оборудования, электрических аппаратов и токоведущих частей этих объектов в нормальных условиях эксплуатации и в режимах короткого замыкания (КЗ); факторах, определяющих выбор оборудования или проверку его соответствия в конкретных условиях; функциях устройств релейной защиты и автоматики. Они должны быть знакомы с положениями ГОСТ 14209-85, касающимися нагрузочной способности наиболее распространенных в электроэнергетике трансформаторов с масляными системами охлаждения.
     В учебном пособии приводятся различные варианты принципиальных (структурных) электрических схем ЭС и ПС, указаны факторы, определяющие их выбор, рассматриваются эксплуатационные режимы, учитываемые при определении количества главных трансформаторов или автотрансформаторов и их параметров.
     Подробно описаны схемы генераторных распределительных устройств (ГРУ) ТЭЦ и распределительных устройств (РУ) подстанций.
     Большое внимание уделено вопросам питания электроприемников собственных нужд объектов электроэнергетических систем. Рассматриваются схемы электроснабжения собственных нужд тепловых, атомных и гидравлических электростанций, а также подстанций. Показан подход к решению вопросов выбора параметров основных и резервных источников собственных нужд на напряжении 6(10) и 0,4 кВ.
     Рассмотрены способы ограничения токов КЗ на электростанциях и подстанциях. Дана методика определения параметров токоограничивающих реакторов.

5

     Приведено описание принципов работы автотрансформатора, показаны возможности его работы в разных эксплуатационных режимах.
     В главах 11 и 12 рассмотрены примеры электрических схем реальных электрических станций и подстанций с анализом их конкретных особенностей. Автор использовал при этом как схемы, приведенные в хорошо известных студентам учебниках и справочниках [8, 13, 15, 16, 17, 18], так и схемы, используемые в профессиональной среде, в том числе в диспетчерских организациях. Присутствие в пособии этих схем дает возможность студентам ознакомиться с их особенностями: характерными для оперативных схем обозначениями электроаппаратов, секций и систем шин и т. д. Рассматриваются ситуации отказов в разных элементах оборудования ЭС и ПС и реакция на эти отказы устройств релейной защиты и автоматики. Материал этих глав может быть полезен студентам магистратуры, а также молодым специалистам проектных, диспетчерских и эксплуатационных организаций.
     Более обстоятельное изучение студентами типовых электрических схем распределительных устройств ЭС и ПС может осуществляться по монографии автора «Типовые электрические схемы распределительных устройств электростанций и подстанций. Характеристики. Применение. Оперативные переключения» [20].
     Автор будет благодарен тем, кто выразит свое мнение о данной работе, выскажет по ней свои замечания.

6

ГЛАВА 1


        ГЛАВНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

     Принципиальные (структурные) электрические схемы объекта электроэнергетической системы (ОЭС) отражают связи между его основным электрооборудованием: генераторами, трансформаторами, источниками реактивной мощности и специальными средствами регулирования напряжения. На них показываются связи этого оборудования с распределительными устройствами различных напряжений. Оборудование распределительных устройств на принципиальных схемах не показывается. РУ изображают на этих схемах в виде прямоугольника с указанием соответствующего номинального напряжения. Выбор принципиальной электрической схемы ЭС или ПС - начальный этап разработки главной электрической схемы объекта электроэнергетической системы.
    Главные схемы электрических соединений тепловых электростанций отражают связи основного электрооборудования, предназначенного для выработки, преобразования и выдачи мощности в электроэнергетическую систему. Они должны выбираться прежде всего на основании утвержденной схемы развития энергосистемы и номинального напряжения сети, к которой присоединяется данная электростанция, а также с учетом общей и единичной мощности и вида устанавливаемых генераторов.
    Схема выдачи мощности должна быть построена так, чтобы повреждение в сети не приводило к полному останову электростанции или потере обеспечения ее собственных нужд.
     Главная схема электрических соединений должна разрабатываться с учетом следующих положений и исходных данных, которые выдаются разработчиками схем электро- и теплоснабжения для каждого из этапов развития электростанции и энергосистемы:
   - схема и номинальное напряжение сети в месте присоединения электростанции к энергосистеме,
   - количество отходящих от электростанции линий на каждом напряжении,
   - графики нагрузки в рабочие и выходные дни на каждом из напряжений (летний, зимний, число часов использования максимума, паводковый период),
   - распределение генерирующей мощности между распределительными устройствами различного напряжения,
   - предварительная величина системных перетоков мощности, перетоков мощности между распределительными устройствами (РУ) различных напряжений и распределение генераторов между ними,


7

   - категория потребителей и величина местной нагрузки,
   - необходимость установки на электростанции средств системного регулирования (регулируемые шунтирующие реакторы, асинхронизированные турбогенераторы и т. п.),
   - значения токов коротких замыканий для каждого из РУ повышенных напряжений в максимальных и минимальных режимах, а также восстанавливающееся напряжение на контактах выключателей соответствующего ОРУ,
   - значение наибольшей мощности, которая может быть потеряна при отказе в оборудовании РУ, допустимой по наличию резервной мощности в энергосистеме и по пропускной способности как линий внутри системы, так и межсистемных связей, а также по условиям обеспечения бесперебойности теплоснабжения потребителей.
     Главные схемы электрических соединений теплофикационных электростанций должны проектироваться в увязке со схемами распределительных сетей и схемами электроснабжения промышленных предприятий или городов, а также по условию обеспечения надежности теплоснабжения потребителей.
     Схема соединения электростанций должна разрабатываться для каждого из этапов развития для нормальных режимов эксплуатации и для режимов при выводе основного оборудования электростанции в ремонт или резерв.

    § 1.1. Принципиальные (структурные) электрические схемы ТЭЦ

    При выборе принципиальной электрической схемы ТЭЦ учитывается то, что на них имеются, как правило, поперечные связи в тепловой части - между котлами и турбинами, а в электрической части - между генераторами на генераторном напряжении. Определенная часть мощности от генераторов ТЭЦ передается от нее к местной нагрузке (МН) по сети 6-10 кВ.
    ТЭЦ могут работать, обладая избытком мощности или с ее дефицитом. Избыточными являются ТЭЦ, когда сумма номинальных мощностей ее генераторов (установленная мощность) больше максимальной нагрузки, подключенной к станции на генераторном напряжении, включая нагрузку ее собственных нужд (СН). Если максимумы МН на расчетный период (5-10 лет после сооружения ТЭЦ) составляют более 50% от суммарной мощности генераторов ТЭЦ, то на станции сооружается распределительное устройство генераторного напряжения (ГРУ). К ГРУ подключаются, помимо генераторов, главные трансформаторы (трансформаторы связи ТЭЦ с системой), а также оборудование для передачи мощности к МН и ее собственным нуждам. При максимумах МН, составляющих не более 30% от суммарной мощности генераторов ТЭЦ, станция выполняется без ГРУ по блочной схеме. Отказ от ГРУ существенно сокращает размеры капитальных вложений в электростанцию. Питание МН и собственных нужд осуществляется в этом случае от двух блоков ТЭЦ с использованием специальных трансформаторов или реакторов, подключенных между генераторами


8

и блочными трансформаторами. Если максимумы местной нагрузки, подключаемой к ТЭЦ, и нагрузки ее собственных нужд находятся в диапазоне (30^50) % от суммарной мощности генераторов, следует рассматривать варианты схемы электростанции с ГРУ и без него. При установке на ТЭЦ трех и более генераторов часть их (с номинальной мощностью 60 МВт и более) к ГРУ может не подключаться. Наиболее мощные генераторы при этом работают в составе блоков.


    § 1.2. Схема ТЭЦ с ГРУ и двумя двухобмоточными трансформаторами связи


    Практически все промышленные ТЭЦ имеют связь с энергетической системой. Для станций с небольшой установленной мощностью эта связь осуществляется на генераторном напряжении (6 или 10 кВ). Более распространенный вариант связи ТЭЦ с системой на напряжениях 35-110 кВ. Относительно редко для этого используется напряжение 220 кВ. Он применяется в том случае, если на ТЭЦ предусмотрена связь сети этого напряжения с сетью 110 (35) кВ. На ТЭЦ устанавливаются один или два трансформатора связи ее с системой. Использование варианта с одним трансформатором связи осуществляется довольно редко. Трансформатор связи может быть один, если возможна автономная работа источников энергии ТЭЦ с местной нагрузкой, подключенной к ГРУ, во всех рассматриваемых режимах, без ограничения потребляемой ею электроэнергии. Это в большей мере относится к станциям с небольшой установленной мощностью. На мощных ТЭЦ установка одного трансформатора возможна, если избыток мощности на ней не больше величины аварийного резерва мощности системы С. Вариант с одним трансформатором связи требует серьезного технико-экономического обоснования и сопоставления уменьшения капитальных вложений в схему с возможными ущербами из-за потери связи ТЭЦ с системой.
    Схема с двумя трансформаторами связи на ТЭЦ с ГРУ и без блоков является наиболее распространенной. Она показана нарис. 1.1.
    Схема применяется, когда недопустима потеря связи ТЭЦ с системой (С), по условиям работы ТЭЦ с местной электрической и тепловой нагрузкой. Прежде всего эту схему используют при дефиците мощности на ТЭЦ, наличии при этом среди МН потребителей I категории, а также при отсутствии реальной возможности работы станции в конденсационном режиме с независящей от тепловой нагрузки электрической мощностью ТЭЦ.


Рисунок 1.1 - Схема ТЭЦ с ГРУ и двумя двухобмоточными трансформаторами связи

9

    В рассматриваемом варианте схемы одноименные устройства (главные трансформаторы и генераторы), как правило, имеют одинаковые значения важнейших параметров: номинальные мощности, номинальные напряжения, сопротивления обмоток, их схемы соединения ит.д., хотя в энергосистемах есть ТЭЦ с генераторами и трансформаторами с разными номинальными мощностями.
    На ТЭЦ с ГРУ в нормально установленном режиме работы главные трансформаторы и генераторы соединены друг с другом на генераторном напряжении. Кроме того, трансформаторы связи ТЭЦ с системой чаще всего имеют связь друг с другом и на высшем напряжении, поэтому оба главных трансформатора загружены практически одинаково.
    Для определения номинальных мощностей Т1(Т2) необходимо иметь суточные графики их нагрузки во всех расчетных режимах. Эти графики получаются путем вычитания значений нагрузки, подключенной к ГРУ, из значения мощности генераторов ТЭЦ для каждого часа суток. При различных коэффициентах мощности генераторов и нагрузки ГРУ необходимо построение сначала графиков активных и реактивных нагрузок трансформаторов, а затем соответствующих им графиков полных мощностей. Максимальные перетоки мощности через Т1 и Т2 в нормальных условиях эксплуатации не должны быть больше суммы номинальных мощностей двух трансформаторов. Однако следует избегать выбора трансформаторов связи с очень большими превышениями их номинальных мощностей в сравнении со значениями максимальных перетоков мощности при работе ТЭЦ нормальных условиях. В оптимальных вариантах схемы в нормальных условиях трансформаторы работают без перегрузок. При отключении части оборудования (генератора, трансформатора связи) через них может передаваться мощность больше номинальной. Такие ситуации могут возникнуть как при отключении только одного элемента схемы, так и двух. Например, когда одно устройство выводится в плановый ремонт, а другое отключается аварийно. Вероятность совпадающих по времени плановых и неплановых отключений оборудования не велика. В курсовом проекте при выборе трансформаторов связи ТЭЦ с системой такое сочетание событий может не рассматриваться. На действующей ТЭЦ при возникновении столь сложной ситуации принимают меры по устранению недопустимых для трансформаторов режимов: изменяют графики нагрузки генераторов станции, а также режим питания МН.
    Расчетными режимами для выбора Т1 (Т2) являются:
       - режимы, характерные для нормальных условий работы в зимнее и летнее время года;
       - режимы отключения одного (наиболее мощного) генератора с выводом его в плановый ремонт в летнее время и неплановый ремонт в зимнее время года;

10