Развитие методики формирования схем распределительных устройств подстанций 35-750 кВ

Подстанции — это наиболее распространенный тип электроустановок, одновременно сооружаемых и реконструируемых в электроэнергетических системах (далее — энергосистемах или системах) в большом количестве. Поэтому в качестве основной задачи при проектировании подстанций в целях снижения затрат на их сооружение и эксплуатацию считают типизацию и унификацию схемных, конструктивных и компоновочных решений схем распределительных устройств (РУ) подстанций. Эти решения между собой тесно связаны.

Принципиальные электрические схемы подстанции отражают лишь структуру электроустановки, т. е. состав ее основных элементов и их взаимосвязь. В качестве основных элементов (выключатели, разъединители, измерительные трансформаторы и проч.) может быть использовано электрооборудование разного типа и конструктивного исполнения, взаимное расположение которых по отношению друг к другу может иметь множество вариантов. Хорошо известно, что данные решения могут оказывать существенное влияние на надежность и экономичность работы подстанции.

Схемы, конструкции и компоновки РУ подстанций описывались во множестве отечественных и зарубежных публикаций. Наиболее весомыми из них являются работы Л. И. Двоскина, Г. С. Лисовского, М. Э. Хейфица, И. М. Шапиро, R.L. Giles [1−4] которые были опубликованы в 70 — 80-е годы прошлого века и до сих пор не утратили своей значимости. Однако за прошедшие с тех пор несколько десятилетий произошли большие изменения, коснувшиеся типов и параметров электрооборудования, а также условий их работы в энергосистемах. Такое положение неизбежно приводит к изменению подходов к формированию электрической части подстанций.

Таким образом, цель работы заключалась в развитии методики формирования схем распределительных устройств подстанций 35 — 750 кВ на основе учета их фактических эксплуатационных и перспективных характеристик.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

— выполнен анализ фактических условий работы коммутационного оборудования РУ в энергосистемах;

— получены комплексные характеристики надежности ячеек элегазовых выключателей РУ подстанций;

— проведен анализ перспективных типов электротехнического оборудования и показано его возможное влияние на схемные, конструктивные и компоновочные решения для РУ подстанций;

— выполнен комплексный анализ условий применения схем РУ подстанций;

— разработан алгоритм обоснования и выбора типовых принципиальных схем РУ подстанций.

Методы исследования.

В работе используются следующие методы: теории надежности, планирования эксперимента, расчета установившихся режимов электроэнергетических систем.

Достоверность основных теоретических положений определяется тем, что полученные результаты подтверждены значительными объемами фактических статистических данных, детальным анализом основных влияющих факторов, расчетных условий и причинно-следственных связей, а также опытом проектирования и эксплуатации электросетевых объектов на современном этапе.

Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в развитии методики формирования схем распределительных устройств подстанций и состоит в следующем:

1. Проведена оценка фактического коммутационного и механического ресурсов выключателей в энергосистемах, что позволило выявить причинноследственные связи основных влияющих факторов, а также аргументировано подойти к выбору расчетных условий для обоснования и выбора схем РУ подстанций.

2. Определены до сих пор не представленные в отечественной практике комплексные характеристики надежности ячеек РУ с элегазовыми выключателями, на основании которых предложены организационно-технические мероприятия по повышению надежности электроустановок.

3. Намечены возможные конструктивные и компоновочные решения для РУ подстанций с перспективными типами электротехнического оборудования, которое практически не используется в нашей стране, однако укладывается в общие тенденции развития мирового электроаппаратостроения.

4. Развита методика формирования схем РУ подстанций на основе учета их фактических эксплуатационных и перспективных характеристик, что позволило предложить научно-обоснованные рекомендации по обоснованию и выбору типовых принципиальных схем подстанций, а также изменить сложившееся представление об областях применения этих схем.

Практическое значение и внедрение.

1. Примененный комплексный подход и полученные на его основе рекомендации по обоснованию и выбору принципиальных схем подстанций позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость принимаемых решений, а также надежность и экономичность работы энергосистемы в целом.

2. Результаты диссертационной работы, а именно алгоритмы обоснования и выбора принципиальных электрических схем подстанций, вошли составной частью в стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» «Рекомендации по применению типовых принципиальных электрических схем распределительных устройств подстанций 35 — 750 кВ» (приказ ОАО «ФСК ЕЭС» от 16.06.2010 № 421).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Статистические закономерности в фактическом использовании (расходовании) коммутационного и механического ресурсов выключателей для обоснования и выбора схем РУ подстанций.

2. Комплексные характеристики надежности ячеек РУ с элегазовыми выключателями.

3. Результирующий алгоритм обоснования и выбора типовых принципиальных схем подстанций.

Апробация работы.

По результатам исследований сделаны доклады на следующих конференциях: 14 и 15-я Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2008, 2009) — Международный научный семинар им. Ю. Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики»: 80-е заседание «Методические и практические проблемы надежности либерализованных систем энергетики» (Иркутск, 2008) — 82-е заседание «Проблемы исследования и обеспечения надежности либерализованных систем энергетики» (Ялта, 2010), 83-е заседание «Проблемы надежности существующих и перспективных систем энергетики и методы их решения» (Решма, 2011).

Публикации по проведенным исследованиям размещены в журналах «Электрические станции» (2008, 2008, 2008, 2009, 2011) [5−9], «Power technology and engineering» (2008) и в трудах пяти конференций и семинаров. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, пять из которых в изданиях по перечню ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений.

4.7. Выводы.

1. В первой половине прошлого столетия наличие в схемах распределительных устройств двух систем сборных шин (одна рабочая, а вторая резервная — свободная) было безальтернативным решением. Оно определялось особенностями режимов работы энергосистем и стремлением снизить перебои в электроснабжении потребителей при частых и длительных ремонтах выключателей. Использование схемы с одной секционированной системой сборных шин было проблематичным с указанных позиций.

2. Во второй половине прошлого столетия объединение на параллельную работу энергосистем, реализация мероприятий по резервированию присоединений и массовое применение обходных систем шин изменили функ.

101 циональность схемы с двумя системами сборных шин. Теперь не требовалось иметь свободную систему шин. А их резервирование перестало быть жестким ограничением при обосновании и выборе схем. В таких условиях оказалось возможным применять схемы с одной секционированной системой сборных шин и с обходной системой шин.

3. Схема с двумя системами сборных шин имеет высокую техническую гибкость. Она позволяет быстро восстанавливать электроснабжение потребителей при нарушении ее функционирования. Однако сама эта схема и является причиной большого числа отказов. На современном этапе при прочих равных условиях в распределительных устройствах 110 и 220 кВ подстанций предпочтительно использовать схему с одной секционированной системой сборных шин. Применение двух систем сборных шин следует считать вынужденным решением и требовать в проектах аргументированных обоснований.

4. Высокая технико-экономическая эффективность обходных систем сборных шин, которая не вызывала сомнений более полувека, уже не является таковой. Для современных элегазовых выключателей с пружинными приводами, с учетом их фактического коммутационного ресурса в энергосистемах, как правило, не потребуются капитальные (средние) ремонты за весь их срок службы. Поэтому применение обходных систем шин на новых подстанциях должно так же требовать в проектах обоснований.

5. Технико-экономическими расчетами показано, что при оценке показателей надежности РУ с элегазовым оборудованием достаточно использовать критерий п-1, что может существенно упростить методики оценки надежности схем.

6. Многократное секционирование систем сборных шин (схемы № 110(220)-9Н (АН) — 110(220)-12Н), предложенное в стандарте организации «Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35 — 750 кВ. Типовые решения» [1.6], не может быть обосновано с технико-экономических позиций.

7. Повышение надежности электрических аппаратов, а следовательно РУ подстанций в целом, должно неизбежно приводить к минимизации количества аппаратов и упрощению принципиальных электрических схем.

8. Разработан алгоритм обоснования и выбора типовых принципиальных схем РУ подстанций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа является очередной ступенью в развитии методики формирования схем распределительных устройств подстанций 35 — 750 кВ и рекомендаций по их применению, что представляет собой решение научно-технической задачи, имеющей существенное значение для электроэнергетической отрасли.

Получены новые теоретические результаты:

1. Проведена оценка фактического коммутационного и механического ресурсов выключателей в энергосистемах, что позволило аргументировано подойти к выбору расчетных условий обоснования и выбора схем РУ подстанций:

— у большинства вновь устанавливаемых современных элегазовых выключателей с пружинными приводами ресурс по механической и коммутационной стойкости будет расходоваться не полностью за расчетный срок службы. Тем самым исключается необходимость в проведении капитальных (средних) ремонтов рассматриваемого оборудования;

— установка современных элегазовых выключателей в должна привести к изменению сложившихся подходов к формированию схем распределительных устройств электростанций и подстанций. Очевидно, типовая сетка схем должна все более упрощаться. Например, в первую очередь на новых объектах не следует предусматривать обходные системы сборных шин.

2. Определены комплексные характеристики надежности ячеек РУ с элегазовыми выключателями, на основании которых предложены следующие организационно-технические мероприятия по повышению надежности электроустановок:

— в структуре показателей надежности электротехнического оборудования подстанций на долю собственно выключателя с приводом должно приходиться не более 50% соответствующего значения (на привод не более.

25%). Оставшиеся 50% может привносить прочее оборудование и системы. Это позволит на порядок улучшить надежность схем РУ подстанций;

— затраты на современные микропроцессорные устройства контроля и управления, включая АСУ ТП, следует ограничить разумными пределами (допустим, 10 — 15% от стоимости сооружения подстанции, как это было ранее, а не 30 — 50%) с тенденцией к дальнейшему уменьшению. Такое положение позволит без излишеств подходить к определению масштабов систем автоматизации.

3. Развита методика формирования схем РУ подстанций на основе учета их фактических эксплуатационных и перспективных характеристик, что позволило предложить научно-обоснованные рекомендации по обоснованию и выбору типовых принципиальных схем подстанций:

— на современном этапе, при прочих равных условиях, в РУ 110 и 220 кВ подстанций предпочтительно использовать схему с одной секционированной системой сборных шин. Применение двух систем сборных шин следует считать вынужденным решением и требовать в проектах аргументированных обоснований;

— технико-экономическими расчетами показано, что при оценке показателей надежности РУ с элегазовым оборудованием достаточно использовать критерий п-1, что может существенно упростить методики оценки надежности схем;

— многократное секционирование систем сборных шин не может быть обосновано с технико-экономических позиций;

— повышение надежности электрических аппаратов, а следовательно РУ подстанций в целом, должно неизбежно приводить к минимизации количества аппаратов и упрощению принципиальных электрических схем.

4. Показаны возможные конструктивные и компоновочные решения для РУ подстанций с перспективными типами электротехнического оборудования:

— использование гибридных устройств и комбинированных аппаратов приведет к разнообразию компоновочных решений для распределительных устройств подстанций и требует серьезной ревизии отработанных типовых проектных решений, а также определения предпочтительных областей применения аппаратов различного типа;

— с ростом номинального напряжения растет экономия площади РУ, особенно для кольцевых схем.

Получены новые практические результаты:

1. Ресурсы, направляемые на техническое обслуживание и ремонт изношенных и снятых с производства коммутационных аппаратов, оказываются сопоставимыми с затратами на новое, более надежное и экономичное оборудование, которое может практически не требовать ремонтного обслуживания с учетом возможных режимов его работы в энергосистемах. Это наиболее веский аргумент в современных технико-экономических условиях, связанных с минимизацией ремонтного персонала в отрасли.

2. Значительное ухудшение надежности РУ привнесли современные микропроцессорные устройства контроля и управления, включая РЗА и АСУ ТП. Эти системы стремительно стали избыточно громоздкими и поэтому все менее надежными, время простоя присоединения для целей их проверки занимает до половины всего времени простоя ячейки выключателя. Таким образом, здесь имеется явный проигрыш и в неоправданных затратах материальных и финансовых ресурсов, и в эксплуатационной надежности электроустановок.

3. У большинства вновь устанавливаемых современных элегазовых выключателей с пружинными приводами ресурс по механической и коммутационной стойкости будет расходоваться не полностью за расчетный срок службы. Тем самым отсутствует необходимость в проведении капитальных (средних) ремонтов. Таким образом, уже на данном временном уровне плановые ремонты этих выключателей можно планировать, исходя из их фактического состояния, а не фиксированных межремонтных периодов.

4. Разработанный алгоритм обоснования и выбора типовых принципиальных схем РУ подстанций позволяет формализовать выбор типовых принципиальных схем подстанций. Тем самым упрощается процесс рассмотрения и согласования проектной документации.

Использование практических результатов:

1. Результаты диссертационной работы вошли составной частью в стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» «Рекомендации по применению типовых принципиальных электрических схем распределительных устройств подстанций 35 — 750 кВ» (приказ ОАО «ФСК ЕЭС» от 16.06.2010 № 421).

2. Примененный подход и полученные на его основе рекомендации по обоснованию и выбору принципиальных схем подстанций позволяют на практике повысить достоверность и устойчивость принимаемых решений, а также надежность и экономичность энергосистем.