Главные схемы электрических соединений электростанций

Главная схема электростанции любого типа – это совокупность основного электрооборудования (генераторы, трансформаторы, линии), сборных шин, коммутационной и другой первичной аппаратуры со всеми выполненными между ними в натуре соединениями. Главная схема изображается графически с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений согласно единой системе конструкторской документации (ЕСКД). Помимо главных схем в данном курсе будут рассмотрены схемы собственных нужд.

Главная схема и схема собственных нужд отображаются в данном учебном пособии в виде принципиальных схем. Принципиальная электрическая схема – графическое изображение элементов электрического устройства и связей между ними. Принципиальная схема не показывает взаимного (физического) расположения элементов, а лишь указывает на то, какие элементы с какими соединяются в принципе.

Также применяются оперативные, монтажные схемы электрических соединений и схемы вторичных соединений. Оперативные схемы служат для отображения истинного состояния элементов схемы на текущий момент времени и используются оперативным персоналом в повседневной работе. Монтажные схемы содержат информацию о физическом расположении элементов схемы и применяются при монтаже и наладке электрооборудования. К схемам вторичных соединений относятся электрические схемы цепей управления, релейной защиты и автоматики, контроля состояния оборудования, автоматизированной системы управления и т. п.

Вернёмся к главным схемам электростанций. Выбор главной схемы является определяющим при проектировании электрической части электростанции, так как он определяет полный состав элементов и связей между ними. Выбранная главная схема является исходной при составлении принципиальных схем электрических соединений, схем собственных нужд, схем вторичных соединений, монтажных схем и т. д.

На чертеже главные схемы изображаются в однолинейном исполнении (то есть показана лишь одна фаза из трёх реально существующих) при отключенном положении всех элементов установки. В некоторых случаях допускается изображать отдельные элементы схемы в рабочем положении, а также в трёхфазном исполнении.

При проектировании электроустановки до разработки главной схемы составляется структурная схема выдачи мощности, на которой показываются основные функциональные части электроустановки (распределительные устройства, трансформаторы, генераторы) и связи между ними. Структурные схемы служат для дальнейшей разработки более подробных и полных принципиальных схем, а также для общего ознакомления с работой электроустановки.

На чертежах этих схем функциональные части изображаются в виде прямоугольников или условных графических изображений. Никакой аппаратуры (выключателей, разъединителей, трансформаторов тока и т. д.) на этой схеме не показывают.

Структурные схемы электростанций могут быть блочными, с генераторным распределительным устройством (ГРУ) и комбинированными.

Вариант блочной схемы показан на рис. 9.1. На данном рисунке каждый из шести блоков состоит из одного генератора и одного блочного повышающего трансформатора. Электроэнергия на повышенном напряжении поступает на распределительные устройства высшего (РУ-ВН) и среднего (РУ-СН) напряжений и далее – по линиям электропередачи в энергосистему. Как правило, на электростанции имеются два РУ повышенного напряжения, которые для надежности связываются автотрансформаторами связи (АТ) – одним или двумя.

Выключатели повышенного напряжения показаны условно. В действительности они находятся в составе соответствующего РУ, а их количество на одно присоединение не обязательно равно одному. Возможные схемы РУ подробно рассмотрены в главе 8.

На рис. 9.1 не показаны рабочие и резервные трансформаторы собственных нужд, секции собственных нужд одного из блоков, магистраль резервного питания – более подробно соответствующие схемы приведены в главе 11.

Рис. 9.1. Главная схема блочной электростанции

В зависимости от количества генераторов и трансформаторов в блоке и от способа их соединения различают следующие виды блоков, перечисленные в порядке убывания надежности и стоимости капитальных затрат:

моноблок, когда для одного генератора используется один трансформатор – рис. 9.2а;

объединенный блок, когда два моноблока объединяются между собой на стороне высшего напряжения повышающих трансформаторов и имеют один общий выключатель высокого напряжения – рис. 9.2б;

укрупненный блок, когда два генератора подключены к одному общему повышающему трансформатору с расщепленной обмоткой низшего напряжения – рис. 9.2в;

сдвоенный блок, когда два генератора подключены к общей шине, а затем – к повышающему трансформатору с нерасщепленной обмоткой низшего напряжения – рис. 9.2г.

а) б) в) г)

Рис. 9.2. Разновидности блоков генератор-трансформатор

Моноблок – наиболее надёжный блок, т. к. при выходе из строя любого элемента одного из моноблока соседний моноблок остаётся в работе.

Объединённый блок дешевле двух моноблоков, т. к. происходит экономия на одном выключателе высокого напряжения. С другой стороны надёжность объединённого блока ниже, т. к. при аварийном или плановом ремонте единственного выключателя высшего напряжения приходится останавливать оба генератора.

Укрупнённый блок ещё дешевле, т. к. происходит экономия на повышающем трансформаторе. Но при выходе из строя единственного трансформатора произойдёт потеря обоих генераторов, тогда как в объединённом блоке на время ремонта трансформатора отключится лишь один генератор. Второй генератор отключится кратковременно – на время отключения выводимого в ремонт трансформатора разъединителями.

Сдвоенный блок дешевле укрупнённого, т. к. нерасщеплённый трансформатор при прочих равных дешевле расщеплённого. Однако надёжность такой схемы ниже. Действительно, оба генератора имеют общую электрическую точку – генераторную шину. Данная шина является дополнительным элементом, в результате чего вероятность коротких замыканий увеличивается по отношению к другим видам блоков. С другой стороны, как и в случае укрупнённого блока, КЗ могут происходить и на самих генераторах. Здесь также есть принципиальное отличие по отношению к укрупнённому блоку. В сдвоенном блоке при коротком замыкании на одном из генераторов, на другом генераторе произойдёт значительное снижение напряжения, т. к. между генераторами практически отсутствует сопротивление. В схеме укрупнённого блока уменьшение напряжения также произойдёт, но в меньшей степени – из-за большого сопротивления расщеплённой обмотки низшего напряжения. По этой же причине в схеме укрупнённого блока будут ниже токи КЗ.

Для единичной мощности генератора 1000 МВт используется блок особого типа – с 6-фазной обмоткой генератора и с расщеплённой обмоткой повышающего трансформатора – см. рис. 9.3.

Рис. 9.3. Блок с 6-фазной обмоткой генератора и с расщеплённой обмоткой повышающего трансформатора

Блочные схемы характерны для крупных электростанций, электроэнергия которых передаётся на большие расстояния – АЭС, КЭС, мощные ТЭЦ и ГЭС. Действительно, передача электроэнергии на большие расстояния наиболее экономична при повышенных напряжениях.

От блочных схем перейдём к схемам с ГРУ. Схемы с ГРУ характерны для ТЭЦ, которые производят не только электроэнергию, но и тепловую энергию и поэтому находятся рядом с потребителем, на расстоянии до 10 км (электрическую нагрузку такого потребителя будем называть местной). Следовательно, для передачи электроэнергии на малые расстояния можно использовать сравнительно невысокое напряжение, то есть генераторное напряжение 6,3 кВ или 10,5 кВ. С другой стороны, ТЭЦ должна быть связана с единой энергосистемой, куда выдаются избытки мощности, а эту связь дешевле выполнить на повышенном напряжении 110 кВ или 220 кВ. Поэтому помимо ГРУ схема ТЭЦ имеет также РУ-ВН для передачи электроэнергии на большие расстояния. Если вблизи ТЭЦ имеется энергоёмкое производство, то его питание осуществляется на напряжении 35 кВ или 110 кВ, в этом случае предусматривается ещё одно распределительное устройство – РУ-СН. На рис. 9.4 изображен один из вариантов схемы электростанции с использованием ГРУ.

Рис. 9.4. Главная схема с ГРУ	Рис. 9.5. Комбинированная главная схема

Достоинства схем с ГРУ по сравнению с блочными схемами:

достигается экономия на повышающих трансформаторах и выключателях повышенного напряжения, – их число может быть меньше количества генераторов;

схема выдачи мощности становится более гибкой и надёжной, – при выходе из строя одного из генераторов нет необходимости отключать трансформатор и наоборот при отключении одного из трансформаторов другой трансформатор может быть кратковременно перегружен.

Недостатки схем с ГРУ по сравнению с блочными схемами:

из-за увеличения токов КЗ происходит удорожание выключателей и токоведущих частей генераторного напряжения;

для снижения токов КЗ приходится применять токоограничивающие реакторы;

при больших мощностях генераторов токи КЗ становятся настолько значительными, что схема становится нереализуемой технически;

возникают дополнительные капитальные затраты на сооружение ГРУ с многочисленными аппаратами и токоведущими частями.

Кроме рассмотренных выше типов схем выдачи мощности, структурная схема станции может быть также комбинированной, то есть совмещать достоинства блочных схем и схем с ГРУ – рис. 9.5. Комбинированные схемы используются в случае ТЭЦ.

Представленные схемы являются типовыми. Для конкретных электростанций схемы могут несколько варьироваться с изменением топологии и количества элементов. Далее рассмотрим особенности построения главных схем электростанций различного типа.