Схемы печных и нетиповых подстанций

Индивидуальность крупных электроприемников (потребителей) вызывает необходимость разработки оригинальных схем электроснабжения и подстанций 5УР, 4УР. Отметим, что это проблема практически отсутствует для мини- и мелких предприятий, электроснабжение кото­рых осуществляется на напряжении ниже 1 кВ.

Схемы ГПП и РП, отличающиеся от подстанций, питающих спокой­ную нагрузку, можно разделить на схемы, предназначенные для элект­роснабжения дуговых сталеплавильных печей, потребителей с резко-переменной нагрузкой отдельного электроприемника (группы) с боль­шой единичной мощностью (по условиям пуска, например, определяю­щего трансформатор и присоединение), потребителей с особыми требо­ваниями по преобразованию тока (электролиз, сварка), качеству элект­роэнергии и надежности в различных технологических, ремонтных и аварийных режимах. Ключевым моментом в разработке таких схем является обеспечение качества электроэнергии (гл. 10) и компенсация реактивной мощности (гл. 11).

Нелинейные нагрузки (вентильные преобразователи, дуговые пе­чи и др.) работают, как правило, с низким коэффициентом мощности (0,4—0,8), поэтому необходима компенсация реактивной мощности. Колебания нагрузки дуговых сталеплавильных печей, особенно коле­бания реактивной мощности, вызывают значительные колебания напря­жения в питающей сети, которые тем больше, чем больше мощность печного трансформатора и меньше мощность КЗ в точке присоединения дуговой печи. Особенно большие колебания нагрузки печи и наиболь­шие снижения напряжения происходят при эксплуатационных КЗ, например при погружении электродов в расплавленный металл. Значения колебаний тока при этом могут достигать 1,5— 2 I _ном дуговой стале­плавильной печи для большой емкости и 2,5—3,5 I_ном, для печей средней и малой емкости, что имеет важное значение для определения мощ­ности сетевых трансформаторов и согласований схем с энергосистемой.

В отличие от дуговых сталеплавильных печей колебания нагрузки прокатных станов могут рассматриваться как строго цикличные. Зна­чения средней, эффективной и пиковой активной и реактивной на­грузок определяются мощностью прокатных станов и их отдельных клетей. Периодичность (цикл) работы определяется технологически­ми параметрами, в основном размерами заготовки и размерами конеч­ной продукции.

Фронт наброса реактивной мощности DQ / Dt для различных станов различен и соответствует приближенно следующим величинам: для

блюмингов и слябингов — до 200, для непрерывных станов горячего проката - до 400, для станов холодного проката - до 2000 Мвар/с. Эти значения играют определяющую роль при выборе компенсирующих устройств по их быстродействию. Скорости набросов активной мощ­ности несколько меньше, чем скорости набросов реактивной мощности. Расчетная реактивная нагрузка в сетях 6—10 кВ промышленных пред­приятий Q_n слагается из расчетной нагрузки приемников 6—10 кB Q_рп; нескомпенсированной нагрузки сети до 1 кВ, питаемой через трансфор­маторы цехов Q_Т; потерь реактивной мощности D Q в сети 6-10 кВ, особенно в трансформаторах и реакторах:

Зарядная мощность D Q _зар линий распределительной сети в часы мак­симума нагрузки приближенно равна потерям D Q _л в индуктивности линий, и поэтому D Q _зар и D Q _л взаимно исключаются. Расчет оптималь­ной мощности конденсаторов производится для режима наибольших нагрузок.

При выборе конденсаторов, сделав допущение о незначительной длине линий на предприятии, можно представить все предприятие как узел сети 6-10 кВ, к которому подключены реактивная нагрузка Q. В общем случае называют пять типов источников реактивной мощно­сти: синхронные двигатели 6-10 кВ (Q _СД), синхронные компенсаторы (Q _СК), синхронные генераторы ТЭЦ (Q _тэц), энергосистема (Q_э1), батареи высокого напряжения (Q _БК).

Баланс реактивной мощности в узле 6-10 кВ промышленного пред­приятия в общем случае будет выражаться следующим соотношением:

Входная реактивность мощности Q _Э1 задается энергосистемой как экономически оптимальная реактивная мощность, которая может быть передана предприятию в период наибольшей нагрузки энергосистемы. Выражение (4.12) обязательно для 6УР при подключении к энергоси­стеме.

При электроснабжении производства (цеха) с нелинейной нагрузкой вопросы обеспечения качества электроэнергии и компенсации реактив­ной мощности решаются локально на шинах подстанции 5УР (4УР), где рассчитывается реактивная нагрузка (4.11) и определяется необ­ходимость установки фильтров. Это делает схему и компоновку под­станций нетиповой, а сам процесс принятия технического решения творческим. На рис. 4.6 показана обобщенная однолинейная схема подстанции, питающей вентильную нагрузку, с параллельно установ­ленными на шинах подстанции силовыми фильтрами 5-й гармоники.

Для систем электроснабжения дуговых сталеплавильных печей ДСП рекомендуется следующее:

печные трансформаторы должны оснащаться переключающимися устройствами, работающими под нагрузкой и имеющими большой механический и коммутационный ресурс;

оперативные и оперативно-защитные выключатели должны иметь необходимый ресурс работы (не менее 20 тыс. операций);

оперативные выключатели должны взаимно резервироваться, при установке их на печной подстанции должно предусматриваться индиви­дуальное резервирование, при установке на ПГВ, как правило, - груп­повое;

сетевые трансформаторы должны выбираться с учетом динамиче­ского характера электрической нагрузки ДСП;

с целью снижения мощности силовых трансформаторов и повышения устойчивости работы ДСП должна по возможности предусматриваться их параллельная работа;

сетевые трансформаторы ДСП, как правило, должны подключаться к питающей сети в точках с наибольшим значением мощности КЗ с целью снижения влияния ДСП на питающую сеть.

Для установки ДСП в необходимых случаях должны предусматри­ваться установки компенсации реактивной мощности, совмещающие в себе функции по улучшению качества электроэнергии в питающей сети: тип, мощность и состав компенсирующего устройства должны выбираться с учетом параметров системы электроснабжения на основа­нии технико-экономического сравнения схем электроснабжения и спо­собов компенсации реактивной мощности. Подстанции, питающие уста­новки ДСП, должны размещаться, как правило, в непосредственной близости от печей.

При разработке схемы мощные электроприемники с ударным харак­тером нагрузки не должны вызывать недопустимой перегрузки пи­тающих трансформаторов как по нагреву, так и по условиям динами-

ческих воздействий ударных нагрузок. Целесообразно подключение электроприемников с усложненными режимами работы в точках си­стемы электроснабжения с наибольшим значением мощности КЗ.

Применение средств ограничения токов КЗ в сетях с такими на­грузками следует производить только в пределах необходимости для обеспечения надежной работы коммутационных аппаратов и электро­оборудования, не создавая больших запасов отключающей способности, термической и динамической стойкости аппаратов.

Мощность ДСП, сварки, прокатных станов с питанием через преобразовательные агрегаты растет в узле быстрее, чем мощность других потребителей. Поэтому ограничение влияния специфических нагрузок повышением КЗ недостаточно.

Для предварительной оценки допустимости подключения ДСП к питающей сети без принятия специальных мер рекомендуется принимать следующее значение мощности КЗ:

где S _{п т} - мощность печного трансформатора (выбирается не электрика­ми). Для печей с удельной мощностью 450—800 кВ • А/т мощность КЗ может быть принята равной 70S_П.Т.

Мощность сетевого трансформатора для питания группы из п ДСП одинаковой мощности

где S_С.Т — мощность сетевого трансформатора, определенная для оди­ночной ДСП.

Более широкие возможности применения схем электроснабжения, повышающих качество электроэнергии в системах электроснабжения промпредприятий, создаются путем рационального секционирования. К секционированным схемам относятся (рис. 4.7—4.9):

отдельные глубокие вводы для резкопеременной и несинусоидальной нагрузок. Например, на отдельные секции главной понижающей под­станции выделяются вентильные приводы, а спокойная нагрузка под­ключается на другие секции ГПП;

схемы главных понижающих подстанций на напряжении 6—10 кВ с трансформаторами с расщепленными вторичными обмотками или сдвоенными реакторами с четырьмя или большим количеством секций для раздельного питания спокойных, например групп синхронных дви­гателей насосов, и сгруппированных специфических нагрузок.

Главные трансформаторы ГПП могут включаться временно на па­раллельную работу включением секционного выключателя на стороне 6—10 кВ, когда это допустимо по токам КЗ и необходимо, например в период пуска крупных электродвигателей.

Наиболее широкое применение, а особенно для предприятий сред­ней мощности, находят схемы с расщепленными обмотками трансфор­маторов ГПП (рис. 4.9) или со сдвоенными реакторами (рис. 4.10).

В сдвоенном реакторе падение напряжения в каждой секции обмотки составляет D U» I_обм x_l • 0,5, где I₁ = I ₂ = I _обм - токи в секциях об­мотки реактора; х_L — индуктивное сопротивление обмотки реактора; К_М = M/L» 0,5 — коэффициент взаимоиндукции между секциями об­мотки сдвоенного реактора.

Как видно из формулы, колебания напряжения на секциях со спо­койной нагрузкой под влиянием колебаний на этой секции от резко-переменной нагрузки будут меньше, чем при объединении их на одну секцию шин.

При строительстве крупных электросталеплавильных цехов (про­изводств) начинают сооружать отдельные печные подстанции, на ко­торых устанавливаются отдельные сетевые трансформаторы и сборные шины (рис. 4.11). Это позволяет сохранять питание ДСП при различ-

ных аварийных и ремонтных режимах работы сетевых трансформа­торов.

Рисунок 4.11 иллюстрирует: соотношение мощности сетевых и печ­ных трансформаторов; схему подключения оперативных выключателей и выключателей, осуществляющих защиту; сечение кабельной пере­мычки и другие элементы, изображенные в рабочих чертежах (рабочей документации) и отсутствующие при разработке собственно схемы для получения технических условий или для ТЭО (проекта).

4.5. Компоновки открытых и закрытых распределительных устройств (подстанций)

Определение параметров электропотребления на разных уровнях систем электроснабжения, выбор источников питания, разработка схе­мы электроснабжения, выбор силовых трансформаторов, количества и места расположения подстанций 5УР и 4УР дают возможность ском­поновать каждое подстанционное ОРУ - открытое распределительное устройство, когда все или основное оборудование РУ расположено на открытом воздухе, и ЗРУ - закрытое распределительное устройство, оборудование которого расположено в здании.

Существуют некоторые общие требования, определяющие компонов­ку ОРУ или ЗРУ (установку каждого изделия и конструкцию сооруже­ния) и регламентируемые ПУЭ. Электрооборудование, токоведущие части, изоляторы, крепления, ограждения, несущие конструкции, изо­ляционные и другие расстояния должны выбираться и устанавливаться таким образом, чтобы:

называемые нормальными условиями работы электроустановки уси­лия, нагрев, электрическая дуга или другие сопутствующие ее работе явления (искрение, выброс газов и т. п.) не могли привести к повреж­дению оборудования и возникновению КЗ или замыкания на землю, а также причинить вред обслуживающему персоналу;

при нарушении нормальных условий работы электроустановки обес­печивалась необходимая локализация повреждений, обусловленных действием КЗ;

при снятом напряжении с какой-либо цепи относящиеся к ней аппа­раты, токоведущие части и конструкции подвергались безопасному осмотру, замене и ремонтам без нарушения нормальной работы сосед­них цепей;

обеспечивалась возможность удобного транспортирования обору­дования.

Во всех цепях РУ должна предусматриваться установка разъединяю­щих устройств с видимым разрывом, обеспечивающих возможность отсоединения всех аппаратов (выключателей, отделителей, предохра­нителей, трансформаторов тока, трансформаторов напряжения и т.п.), каждой цепи от сборных шин, а также от других источников напряже­ния.

Указанное требование не распространяется на шкафы КРУ и КРУН с выкатными тележками, высокочастотные заградители и конденсаторы связи, трансформаторы напряжения, устанавливаемые на отходящих линиях, разрядники, устанавливаемые на выводах трансформаторов и на отходящих линиях, а также на силовые трансформаторы с кабель­ными выводами.

Для территории ОРУ и подстанций, на которых в нормальных усло­виях эксплуатации из аппаратной маслохозяйства, со складов масла,

из машинных помещений, а также из трансформаторов и выключателей при ремонтных и других работах могут иметь место утечки масла, должны предусматриваться устройства для его сбора и удаления с целью исключения возможности попадания масла в водоемы.

Подстанции 35-110 кВ должны преимущественно проектироваться комплектными, заводского изготовления, блочной конструкции. Распределительные устройства 35—750 кВ рекомендуется выполнять откры­того типа. Распределительные устройства 6—10 кВ могут выполняться в виде комплектных шкафов наружной установки (КРУН). Распреде­лительные устройства 6-10 кВ закрытого типа должны применяться: в районах, где по климатическим условиям не могут быть применены КРУН; в районах с загрязненной атмосферой и районах со снежными и пыльными бурями; при числе шкафов более 25; при наличии тех­нико-экономического обоснования (по требованиям заказчика).

На подстанциях 35—330 кВ с упрощенными схемами на стороне выс­шего напряжения с минимальным количеством аппаратуры, размещае­мых в районах с загрязненной атмосферой, рекомендуется открытая установка оборудования высокого напряжения и трансформаторов с усиленной внешней изоляцией.

Закрытые распределительные устройства 35-220 кВ применяются в районах: с загрязненной атмосферой, где применение открытых распределительных устройств с усиленной изоляцией или аппаратурой следующего класса напряжения (с учетом ее обмыва) неэффективно, а удаление подстанции от источника загрязнения экономически нецеле­сообразно, как и требование об установке специального оборудования; со стесненной городской и промышленной застройкой; с сильными снегозаносами и снегопадом, а также в суровых климатических усло­виях при соответствующем технико-экономическом обосновании. Здание ЗРУ должно выполняться без окон, и его допускается выполнять как отдельно стоящим, так и сблокированным со зданиями общеподстанционных пунктов управления, в том числе и по вертикали.

Герметизированные комплектные распределительные устройства с элегазовой изоляцией 110 кВ и выше (КРУЭ) применяются при стес­ненных условиях в крупных городах и на промышленных предприя­тиях, а также в районах с загрязненной атмосферой.

В условиях интенсивного загрязнения в блочных схемах трансфор­матор — линия рекомендуется применять трансформаторы со специ­альными кабельными вводами на стороне 110—220 кВ и шинными вы­водами в закрытых коробах на стороне 6—10 кВ.

Закрытая установка трансформаторов 35—220 кВ применяется: ког­да усиление изоляции не дает должного эффекта; когда в атмосфере содержатся вещества, вызывающие коррозию, а применение средств защиты нерационально; при необходимости снижения уровня шума у границ жилой застройки.

В закрытых распределительных устройствах 6-10 кВ должны уста­навливаться шкафы КРУ заводского изготовления. Шкафы КРУ, кон­струкция которых предусматривает обслуживание их с одной стороны, устанавливаются вплотную к стене, без прохода с задней стороны. Ши­рина коридора обслуживания должна обеспечивать передвижение теле­жек КРУ; для их хранения и ремонта в закрытых распределительных устройствах должно предусматриваться специальное место.

Компоновка и конструкция ОРУ разрабатываются для ранее приня­тых номинального напряжения, схемы электрических соединений, ко­личества присоединяемых линий, трансформаторов и автотрансформа­торов, выбранных параметров и типов высоковольтной коммутацион­ной и измерительной аппаратуры (выключатели, разъединители, транс­форматоры тока и напряжения) и ошиновки. При этом должны быть учтены местные условия размещения площадки, отведенной для про­ектируемого ОРУ: рельеф, грунты, размеры площадки, направления линий (коридоры для ввода и вывода линий), примыкание железно­дорожных путей и автомобильных дорог. Должны быть также учтены местные климатические условия. Собственно ОРУ может быть выпол­нено широким, но коротким или узким, но длинным; ОРУ может быть выполнено с гибкой, жесткой и смешанной (и гибкой, и жесткой) оши­новкой, что отразится на конструкциях для установки (подвески) этой ошиновки и на размерах этих конструкций — пролетах порталов, высоте колонн, их количестве и массе, количестве опорных и подве­сных изоляторов.

Каждое из решений имеет свои достоинства и недостатки; задача проектировщика состоит в том, чтобы выбрать для данных местных условий наиболее целесообразное решение, обеспечивающее надеж­ность, удобные условия для эксплуатации и экономичность по срав­нению с другими вариантами.

Большая часть подстанций промышленных предприятий выполняется с открытой частью 110 кВ и ЗРУ 10 кВ. На рис. 4.12 показана типовая открытая понижающая подстанция на напряжение 110/6—10 кВ, рассчи­танная на установку трансформаторов мощностью 25-63 MB • А в райо­нах с нормальной окружающей средой. Между питающими линиями 110 кВ предусмотрены перемычки с двумя разъединителями (см. рис. 4.3).

Компоновка подстанций определяется схемой со стороны высокого и низкого (среднего) напряжений. Они могут быть как известными и даже типовыми (см. рис. 4.2-4.4), так и оригинальными, ориентирован­ными на технологические особенности потребителя (см. рис. 4.6—4.11). Открытая часть определяется схемой расположения (оборудования). Схемы типизированы, и из них компонуется ОРУ подстанции.

На рис. 4.13 изображено ОРУ 220 кВ из унифицированных конструк­ций. Схема расположения выполнена для блока линия - трансформа­тор. Разрез соответствует схеме расположения и аналогичен плану на

рис. 4.12. Установка трансформаторов тока и напряжения обосновыва­ется отдельно.

В последние годы все больше получают распространение комплект­ные распределительные устройства с элегазовой изоляцией (КРУЭ) на напряжении 110-500 кВ. Применение КРУЭ открывает новые пер­спективы индустриализации строительства подстанций, позволяет уменьшить время монтажа по сравнению с традиционными РУ в 4-5 раз, улучшить условия эксплуатации и надежность работы, сокра­тить необходимую для подстанции площадь в 7—40 раз (в зависимо­сти от напряжения).

Однако высокая стоимость ячеек КРУЭ на современном этапе дела­ет их применение оправданным только в тех случаях, когда решающим является размер площадки (например, для подстанций глубоких вво­дов на территории промышленных предприятий или в крупных жилых массивах). Поэтому в ближайшей перспективе целесообразно ориенти­роваться на индустриализацию строительства подстанций с РУ тради­ционного исполнения.

Закрытые подстанции 6-10 кВ, выполненные для 4УР как РУ 10 кВ или для 5УР как ЗРУ 10 кВ ГПП, по компоновке различаются мало, за исключением случаев, когда на ГПП сооружается развитое ОРУ (см., например, рис. 4.3, в) или к РП подключаются электроприемники (потребители), требующие специального пуска, ограничения по пуску и др. Развитое ОРУ требует помещений для щитов управления, сигнали­зации и автоматизации, устройств оперативного тока, аккумуляторов; воздушные выключатели требуют установки компрессоров и т. д.

Распределительные устройства выполняются с однорядным (рис. 4.14) или двухрядным расположением ячеек. В целях наибольшего

приближения к электроприемникам рекомендуется применять внут­ренние, встроенные в здания или простроенные к ним подстанции и трансформаторные подстанции ЗУР, питающие отдельные цеха или их отделения и участки. Такое размещение дает экономию в электриче­ской части и имеет преимущества в компактности генплана, так как позволяет сократить расстояния между цехами и уменьшить размеры проездов и подъездов и, следовательно, получить экономию территории и затрат на подземные и надземные технологические, электрические и транспортные внутризаводские коммуникации.

При недопустимости или затруднительности размещения подстанций внутри цеха, а также в цехах небольшой ширины (одно-, двух-, а иног­да и трехпролетные) или же при питании части нагрузок, расположен­ных за пределами цеха, применяются подстанции, встроенные в цех либо пристроенные к нему. Встроенные и пристроенные подстанции обычно располагаются вдоль одной из длинных сторон цеха, желатель­но ближайшей к источнику питания, или же при небольшой ширине цеха - в шахматном порядке вдоль двух его сторон. Рекомендуются встроенные подстанции, более удобные с точки зрения построения ген­плана и архитектурного оформления цеха, чем пристроенные. Рас­пределительные пункты, в том числе крупные, тоже рекомендуется пристраивать к производственным зданиям или встраивать в них и совмещать с ближайшими трансформаторными подстанциями во всех случаях, когда это не вызывает значительного смещения последних от центра их нагрузок.

Если распределительные подстанции служат для приема электро­энергии от энергоснабжающей организации, т. е. играют роль цент­ральной распределительной подстанции ЦРП, следует предусматривать выделение камер вводов и транзитных линий, с тем чтобы они были недоступными для обслуживающего электротехнического персонала предприятия. На рис. 4.14 приведен пример встроенной двухтрансфор-

матерной подстанции, совмещенной с распределительным пунктом и конденсаторной батареей, с применением комплектных устройств (КТП, КРУ, ККУ).

Внутренние цеховые подстанции, в которых доступ ко всему электро­оборудованию осуществляется из цеха, целесообразны главным обра­зом в многопролетных цехах большой ширины, когда это не мешает размещению технологического оборудования. При применении упро­щенных схем коммутации цеховых подстанций ЗУР их оборудование состоит из трансформатора с вводом высокого напряжения и щита вторичного напряжения.

Отдельно стоящие цеховые подстанции применяются редко, напри­мер при питании от одной подстанции нескольких цехов, при невозмож­ности размещения подстанций внутри цехов или у наружных их стен по соображениям производственного или архитектурного характера, при наличии в цехах пожаро- или взрывоопасных производств.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите исходные данные, необходимые для выбора главных
понизительных и распределительных подстанций.

2. Каковы особенности выбора схем и оборудования ГПП?

3. Поясните особенности выбора силовых трансформаторов в систе­мах электроснабжения.

4. Укажите количественные значения рабочих и аварийных нагрузок
силовых трансформаторов.

5. Изобразите схемы блочных подстанций ГПП.

6. Рассмотрите во времени изменение взглядов на применение выключателей на высокой стороне ГПП.

7. Упрощенно изобразите возможные схемы подстанции 5УР на сто­роне низкого (и среднего) напряжения 6—10 кВ.

8. Представьте различные варианты схем подстанций с резкопеременной и ударной нагрузками.

9. Какие принципы используются при разработке схем печных под­станций для разделения печной и спокойной нагрузки?

10. Опишите компоновки ОРУ заводских подстанций и по справоч­никам найдите габариты основного оборудования, устанавливаемого на ОРУ.

11. Изобразите планы и компоновки подстанций 4УР с отдельно
стоящими трансформаторами и совмещенными с КТП.

ГЛАВА ПЯТАЯ

Поиск по сайту: