Характеристика систем распределения электрической энергии

Функция системы передачи электроэнергии заключается в доставке энергии к центрам питания (районам) распределительных сетей. В качестве таких центров рассматриваются подстанции со вторичным напряжением 6 – 110 кВ, а также шины генераторного напряжения ТЭЦ. Назначение распределительных сетей – доставка электроэнергии непосредственно потребителям 6 – 10 кВ, распределение электроэнергии между подстанциями 6 – 110/0, 38 – 35 кВ района электропотребления, сбор мощности, производимой небольшими станциями (ТЭЦ и ГЭС).

Систему распределения электроэнергии составляют сети напряжением 6 – 110 (220) кВ включающие в себя две – три ступени напряжения с трансформациями 110 (150) / 35 / / 6 – 10 кВ или 220 / 35 / 6 – 10 кВ. Уровень среднего напряжения (СН) соответствует сетям напряжением 110 – 150 (220) кВ, питающимся от сетей высшего напряжения (ВН) 330 – 750 кВ системы передачи электроэнергии через трансформацию ВН / СН. Уровень низшего напряжения (НН) представлен сетями напряжением 6 – 35 кВ, питающимися от сетей СН с трансформацией СН / НН, или напрямую от сетей ВН с трансформацией ВН / НН с напряжениями 220 – 330 / 6 – 35 кВ. Низковольтные сети 0, 22 – 0, 66 кВ также относятся к низшему уровню, образующемуся в результате дополнительной трансформации 6 – 35 / 0, 22 – 0, 66 кВ.

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 мощностью от долей киловатт до нескольких десятков киловатт.

Во многом режимная специфика распределительных сетей определяется их конфигурацией. Конфигурация схемы сети зависит от взаимного расположения центров питания, приемных подстанций и требований обеспечения надежности электроснабжения.

Распределительные сети могут выполняться разомкнутыми и замкнутыми. При разомкнутой конфигурации – в виде радиальной (рисунок 7.1) и магистральной (рисунок 7.2) 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 приемники, получающие питание по данной магистрали. Вместе с тем магистральные сети, выполненные шинопроводами, обеспечивают высокую надежность.

Например, для прокатных цехов металлургических предприятий характерной особенностью является поточность технологического процесса. Большинство механизмов работает одновременно и выход из строя даже одного из них нарушает нормальную работу цеха. В связи с указанными особенностями размещения механизмов и тесной их взаимосвязи в технологическом процессе целесообразно применение магистральной схемы. В мартеновских цехах расположение производственных механизмов по отношению к каждой мартеновской печи симметрично и целесообразно применение магистральных питающих сетей. Доменные печи расположены на значительном расстоянии друг от друга и подстанция обслуживает не более двух печей, поэтому применяется радиальная схема питания.

Распределительные сети СН 110 – 220 кВ снабжают электроэнергией большие районы электропотребления, поэтому выполняются преимуществено резервированными (рисунок 7.3). Причем нерезервированные разомкнутые схемы следует рассматривать как первую очередь сооружения (развития) резервированной сети – при возможности их резервирования по сети СН или НН. Двойная радиально-магистральная сеть за счет дублирования линий (на одних или разных опорах) обеспечивает резервирование питания потребителей. Эта схема характеризуется равномерной загрузкой обеих линий, что соответствует минимуму потерь.

Технико-экономические исследования и анализ области применения такой конфигурации показывает, 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.

Преимуществами разомкнутых сетей является простая конфигурация схемы, низкая стоимость, минимальные затраты проводникового материала и оборудования. Отсутствие перегрузок в аварийных режимах позволяет вести расчет и выбирать сечения проводов только по нормальному режиму работы.

Две магистральные нерезервированные сети (рисунок 7.4), питающиеся от одного центра, при развитии за счет подключения новых участков, удлиняющих магистрали (показано пунктиром), могут быть преобразованы в замкнутую сеть кольцевой конфигурации (петлевая схема), что позволяет резервировать питание потребителей.

Достоинством радиально-магистральной и кольцевой схем является независимость потокораспределения от потоков сети ВН, отсутствии влияние токов КЗ в прилегающих сетях, возможность присоединения подстанций по простейшим схемам.

В СЭС широкое применение находят замкнутая одинарная или двойная сеть, опирающаяся на два ЦП (сеть с двухсторонним питанием), что позволяет охватить значительную территорию между двумя источниками. Одинарная сеть от двух ЦП может быть образована в результате развития (показано пунктиром) магистральных участков, подключенных к разным источникам (рисунок 7.5). Данная конфигурация применяется в сетях 110 кВ для электрификации сельской местности, а также в распределительных сетях 220 кВ, обеспечивая максимальных охват территории с наименьшими затратами. Возможности данной конфигурации ограничиваются пропускной способностью головных участков, т.е. при отключении одного из них необходимо обеспечить электроснабжение всех подстанций сети. Это может привести к ограничению числа подстанций в зависимости от мощности трансформаторов ЦП.

Рисунок 7.6 – Двойная конфигурация сети с двухсторонним питанием

Двойная конфигурация (рисунок 7.6) обладает большей пропускной способностью, применяется в сетях 110 кВ СЭС городов, а также сетях 110 – 220 кВ для электроснабжения протяженных потребителей – электрифицируемых железных дорог и трубопроводов.

Присоединение новых подстанций в ближайших пунктах с целью снижения суммарной длины линии по сравнению с присоединением их к ближайшему источнику приводит к созданию сложно-замкнутых (многоконтурных) конфигураций, обладающих высокой надежностью электроснабжения (рисунок 7.7). Расчет, анализ режимов, защита замкнутых сетей, управление ими – задачи более сложные, чем для разомкнутых сетей. Сложно-замкнутые сети дороже радиально-магистральных, их использование выгодно только при большой стоимости перерывов электроснабжения, например в СЭС больших городов.

Рисунок 7.7 – Сложно-замкнутая конфигурация сети

При развитии таких систем, в результате наложения сети боле высокого напряжения, на сеть СН, они преобразуются в двухступенчатые сети с трансформаторными (автотрансформаторными) связями. Распределительные сети СН 110 – 220 кВ, как правило, многоконтурные. При этом возможна параллельная работа участков сети одного напряжения и сетей различных классов напряжения, осуществляемая через связующие трансформаторы. По топологическим свойствам, составу, режимной взаимосвязанности сети 110 – 220 кВ близки к системообразующим сетям 330 – 750 кВ. Наряду с повышением надежности электроснабжения такая конфигурация системы распределения электроэнергии довольно часто сопровождается неэкономичным потокораспределением при параллельной работе сетей, что вызывает необходимость секционирования (деления) сети в нормальных режимах.

Распределительные сети НН 0, 38 – 35 кВ выполняют преимущественно разомкнутыми радиальной или магистральной конфигурации, получающими питание от одного или двух центров (рисунки 7.1, 7.2, 7.3, 7.5). В отдельных случаях эти сети сооружаются как замкнутые (рисунки 7.4, 7.6), но эксплуатируемые в разомкнутом режиме (например, в городских сетях). В этих схемах, при нарушении питания по одной из линий включается резервный участок – перемычка (показан пунктиром), 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. Поэтому 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.

Схемное построение и функционирование распределительных сетей определяется требуемой надежностью электроснабжения, отраслевой принадлежностью, характером потребителей. При построении схем сетей следует стремиться по возможности применять простые типы конфигураций, но обеспечивающие требуемую степень надежности, например, двойные радиальные, одинарная и двойная с питанием от двух ЦП.