автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Развитие методики формирования схем распределительных устройств подстанций 35 - 750 кВ

На правах рукописи

Федоров Виктор Евгеньевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПОДСТАНЦИЙ 35 - 750 кВ

05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ЬЕЗ 2С12

Москва, 2012 г.

005009822

Работа выполнена на кафедре электрических станций Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Шунтов Андрей Вячеславович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Назарычев Александр Николаевич

Кандидат технических наук, доцент Васильев Александр Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Институт «Энергосетьпроект»

г. Москва

Защита состоится «02» марта 2012 г. в аудитории Г-200 в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: Москва, ул.

Красноказарменная, д. 17,2 этаж, корпус «Г».

Отзывы и замечания на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « » января 2012 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задачи исследования.

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 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 причинно-следственные 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 организационнотехнические 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 подстанции, 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 элсгазовыми 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), «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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель и основные задача исследования, приведены основные положения диссертации, отражающие научную новизну и практическую значимость.

Глава первая. Анализ существующих подходов к формированию схем распределительных устройств подстанций

Анализу подвергнуты существующие методы формирования схем электрических соединений подстанций. Проведен сравнительный анализ и критический обзор публикаций по проблеме. Сформулирована методологическая направленность исследований. Показано, что формирование схем электрических соединений подстанций выполняется не столько в плоскости конкретной подстанции и снабжаемых ею потребителей, сколько с позиции энергосистемы в целом.

Следовательно, при проектировании схем подстанций требуется принимать во внимание большое количество влияющих факторов при

неопределенности исходной информации. В таких условиях принципиально важно обеспечить устойчивость принимаемых решений.

На протяжении десятилетий данное положение находило свое отражение в методическом документе по обоснованию и выбору типовых принципиальных электрических схем подстанций, разрабатываемом ОАО «Институт «Энергосетьпроект». В частности, в 2007 г. этой организацией был выпущен стандарт организации «Схемы принципиальные электрические распределительных устройств подстанций 35 - 750 кВ. Типовые решения». По сравнению с ранее выпущенной работой «Типовые схемы принципиальные электрические распределительных устройств напряжением 6 - 750 кВ подстанций и указания по их применению. 1993. №14198тм-1» в стандарте проведена унификация схем, приняты во внимание тенденции, связанные с использованием новых типов оборудования, а так же опыт эксплуатации подстанций.

Последующее проектирование и согласование схем подстанций выявило недостаточность положений стандарта в части критериев и областей применения схем. Это затягивает процесс согласования схем, а также вызывает разногласия между проектными и эксплуатационными организациями, приводя к использованию нетиповых схем.

Таким образом, целью данной работы являлось развитие методики формирования схем распределительных устройств подстанций 35 - 750 кВ на основе учета их фактических эксплуатационных и перспективных характеристик.

Глава вторая. Анализ надежности присоединений в распределительных устройствах подстанций

Проанализированы статистические данные по коммутационному и механическому ресурсу элегазового оборудования, надежности ячеек с аппаратами с элегазовой изоляцией.

Ресурс по коммутационной стойкости - это допустимое для каждого полюса выключателя число операций отключения и включения при токах КЗ /к и при нагрузочных токах /ном без осмотра и ремонта дугогасительного устройства. На рис.1 приведено графическое представление ИопипЛ/отал) Для элегазового выключателя.

"откж ИП.

Рис.1. Зависимость допустимого числа отключений от значения тока

Часто функциональная зависимость описывается грубым Приближением 1п0ткл;</отал/)тЖ

Показано, что средние значения относительных токов КЗ составляют (0,11 - 0,15)/О1КЛ.ном выключателей, рис.2.

/к, отн.ед.

Рис.2. Интегральное распределение относительных токов КЗ в сети: 1 — 110 кВ; 2 — 220 кВ; 3 — 330 кВ; 4 — 500— кВ; 5 — 110 кВ (линии выдачи мощности); 6 - 220 кВ (линии выдачи мощности Московского региона)

В табл. 1 приведены данные по фактическим отключаемым токам КЗ, которые позволили сделать вывод, что при использовании современных элегазовых выключателей у большинства из них коммутационный ресурс за расчетный срок службы не будет исчерпан. При этом не потребуются капитальные (средние) ремонты аппаратов со вскрытием дугогасительных камер. Таким образом, сделан вывод о необходимости упрощения схем электрических соединений, а именно об отказе применения обходной системы сборных шин.

. Таблица 1

Интегральные параметры Магистральных электрических сетей Центра - филиала ОАО «ФСК ЕЭС»

Параметр Значение параметра в сети, кВ:

110 220 330 500

Максимальное значение отключаемого тока КЗ, кА 25,2 19,1 20,8 26,7

Максимальное значение относительного отключаемого тока КЗ, отн.ед. 1,0 0,61 0,58 0,85

Среднее значение отключаемого тока КЗ, кА 3,5 3,1 4,4 3,8

Среднее значение относительного отключаемого тока КЗ, отн.ед 0,15 0,11 0,13 0,12

Максимальная длина ВЛ, км 133,7 238,2 185,7 517,3

Средняя длина ВЛ, км 28,4 68,8 70,7 178,5

Среднее число устранимых КЗ на одной ВЛ, 1/год 1,10 0,75 0,74 0,68

То же, но неустранимых, 1/год 0,23 0,29 0,24 0,55

Среднее число устранимых КЗ на одной ВЛ, 1/(год-100 км) 3,87 1,09 1,04 0,38

То же, но неустранимых, 1/(год-100 км) 0,81 0,42 0,33 0,31

Проведено сопоставление показателей и структуры надежности ячеек выключателей с элегазовой изоляцией и выключателями других типов, а также перспективными типами коммутационных аппаратов. За период с января 2007 г. по июнь 2009 г по ячейкам элегазовых выключателей ОАО «ФСК ЕЭС» 110 кВ и выше имелось 571 аварийная и неотложная, 3849 плановых и неплановых диспетчерских заявок. Общая статистическая выборка по элегазовым выключателям 110 - 750 кВ составила 3860 выюпочателей-лет.

Из табл.2 следует, что простой собственно выключателя с приводом незначительно влияет на результирующие простои ячеек РУ - доля выключателей около 10%. Напротив, примерно в 70% случаев ячейка простаивает из-за иного, более простого оборудования (измерительные трансформаторы, разъединители и др.), а также из-за вторичных цепей.

Таблица2

Причины простоев ячеек элегазовых выключателей 110 - 750 кВ

Причина простоя Аварийные и неотложные заявки Плановые и неплановые заявки

Число % Число %

Собственно выключатель с приводом 29 8,5 285 11,0

Прочее оборудование 141 41,0 1022 39,6

Ошиновка 17 4,9 94 3,7

Вторичные цепи 92 26,7 790 30,6

Прочие причины 65 18,9 390 15,1

Всего 344 100,0 2581 100,0

В табл.З представлена расшифровка наиболее весомой составляющей (прочее оборудование), на которую приходится около 40% всех простоев. Здесь явно выделяются трансформаторы тока и разъединители. Их доля около 30 и 50% соответственно, причем и при аварийных (неотложных), и при плановых (неплановых) заявках.

Таблица 3

Структура простоев прочего оборудования ячеек

Причина простоя . Аварийные и неотложные заявки Плановые и неплановые заявки

Число % Число %

Трансформатор тока 39 27,7 316 31,0

Трансформатор напряжения 6 4,3 46 4,6

Разъединитель 65 46,1 545 53,4

Шлейфы 6 4,2 20 1,9

Шинные опоры 3 2,1 - -

ВЧ-заградитель, Конденсатор связи 14 10,0 22 2,1

ОПН или разрядник 2 1,4 11 1,0

Реконструкция - - 34 3,3 .

Прочее 6 4,2 28 2,7

Всего 141 100 1022 100

При обработке диспетчерских заявок учитывались длительности простоев ячеек выключателей и определены их средние времена простоя при аварийно-восстановительных Гв и плановых Тт ремонтах. Общая статистическая выборка по элегазовым выключателям и данные табл. 2 позволили определить параметр потока отказов со, а также параметр среднегодового простоя в аварийно-восстановительных ремонтах Тпляя = соГв, табл. 4.

Таблица 4

Характеристики отказов элегазовых выключателей 110 - 500 кВ

Оборудование Параметр надежности Номинальное напряжение, кВ:

110 220 330 500

Собственно выключатель с приводом со, 1/год 0,005 0,01 0,007 0,004

Тв,ч 129,0 90,0 18,0 82,6

^год.ав, Ч 0,6 0,9 0,1 0,3

Прочее оборудование ячейки со, 1/год 0,034 0,025 0,031 0,06

ГВ,Ч 33,3 56,7 36,2 56,2

^гол.аа* 4 1,1 1,4 1,1 3,4

Ошиновка ш, 1/год 0,002 0,006 - 0,006

ТЯ,Ч 12,7 9,4 - 4,0

^год.ав> Ч 0,027 0,06 _ 0,025

Вторичные цепи со, 1/год 0,014 0,01 0,07 0,06

Г„,Ч 35,6 85,9 157,0 47,7

^гол.ав» ч 0,5 0,8 10,8 2,9

Прочие причины со, 1/год 0,008 - 0,02 0,01

Тв,ч 34,6 - 51,8 6,4

Тгод.ав» Ч 0,3 . 1,1 0,08

Ячейка с выключателем в целом со, 1/год 0,06 0,05 0,13 0,14

Тв, ч 40,8 62,5 67,7 48,3

Тгод.ав, ч | 2,6 3,2 8,6 6,9

Как видно из табл. 4, значение параметра потока отказов собственно выключателя с приводом примерно в 10 — 35 раз меньше соответствующей характеристики для ячеики в целом. Таким образом, элегазовый выключатель оказался наиболее надежным элементом ячейки. Аналогичные выводы можно сделать и с позиций плановых ремонтов оборудования. Так, собственно выключатель с приводом выводится из работы раз в 12 - 15 лет, в то время как прочие элементы ячейки вынуждают это делать каждые 1-2 года. При этом на них приходится до 90% длительности простоев. Что еще раз доказывает несостоятельность рекомендаций применения обходных систем сборных шин.

Статистическая оценка параметра потока отказов при сборе информации для совокупностей однородных изделий на различных предприятиях ОАО «ФСК ЕЭС» и за различные периоды наблюдений

определялась по формуле: 01 = 2ОТуХА'<Т,> где тя,- - число отказов в

группе (совокупности) к однородных изделий на /-предприятии при учете всех отказов каждого изделия; N¡ — число объектов, изделий однородной совокупности на г-м предприятии; Г) - время наблюдений за ЭД изделиями; п — количество энергопредприятий, на которых производится сбор информации; £тя,- - суммарное число отказов наблюдаемых изделий на предприятиях за время наблюдений; — суммарная наработка между отказами всех наблюдаемых однородных изделий.на всех предприятиях. Статистическая оценка для среднего времени восстановления

определяется по формуле: Т, = 1/т^Тг1, где Гв- время восстановления ьго

ы

изделия после отказа (в часах), т - суммарное число отказов наблюдаемой совокупности изделий.

Оценка достоверности статистических данных приведена в табл. 5.

Таблица 5

Достоверность экспериментальных данных параметра потока отказов

Параметр надежности Номинальное напряжение, кВ:

110 220 330 500

Количество выключателей, 7/,- 724 499 116 193

Продолжительность наблюдения. Г, (лет) 2,5 2,5 2,5 2,5

Выключателей-лет 1810 1247,5 290 482,5

Количество отказов, т/ 171 94 24 65

Параметр потока отказов ц, 1/год 0,59 0,47 0,51 0,84

Доверительная вероятность q интервальной оценки надежности 0,9 0,9 0,8 0,9

Предельная относительная ошибка е 0,1 0,15 0,2 0,5

В табл. 6 представлены сравнительные значения надежности элегазовых выключателей и выключателей предыдущего поколения (воздушные, масляные и т.д.), которые постепенно выводятся из эксплуатации.

Таблица 6

Значения параметра потока отказов элегазовых и других типов выключателей

Оборудование Параметр надежности Номинальное напряжение, кВ:

110 220 330 500

Собственно выключатель с приводом ю, 1/год 0,005/ '0,01 0,01/ /0,009 0,007 / /0,02 0,004/ /0,038

% 1 о о "Г* о о о о г 100/ /285 100/ /950

Ячейка с выключателем в целом со, І/год 0,06/ '0,019 0,05/ /0,023 0,13/ /0,049 0,14/ /0,091

% 100/ /31,6 100/ и 6 100/ /37,7 1Г> О О

Примечания: 1. Для параметра потока отказов в числителе приведены значения для элегазовых выключателей, в знаменателе для выключателей других типов. 2. За 100 % принято значение параметра потока отказов элегазовых выключателей.

В табл. 6 показано, что надежность самих выключателей в целом улучшилась. На напряжении 110 кВ параметр потока отказов улучшился в 2 раза, на напряжении 220 кВ - напротив, ухудшился на 10 %. Напротив, для напряжений 330 и 500 кВ надежность примерно соответствует зарубежным данным. Что касается ячейки в целом, то ее надежность снизилась от 1,5 до 3 раз. .

Переход на элегазовые выключатели изменил не только надежность самих выключателей, но и структуру отказов оборудования ячейки. Таким образом, установка современных элегазовых выключателей должна привести к изменению сложившихся подходов к формированию схем распределительных устройств электростанций и подстанций. Очевидно, типовая сетка схем должна все более упрощаться. В первую очередь на новых объектах не следует предусматривать обходные системы сборных шин.

Глава третья. Анализ схемных, конструктивных и компоновочных решений в распределительных устройствах с перспективными типами электрооборудования

В последние годы появилась целая гамма различных электрических коммутационных аппаратов. Ведущие мировые производители электрооборудования предлагают новые подходы к проектированию, монтажу, наладке и эксплуатации электроустановок. В данной главе проведен анализ технических особенностей перспективного высоковольтного оборудования и на основании полученных результатов сформированы научно-обоснованные рекомендации по областям применения нового оборудования, их влиянии на электрические схемы подстанций.

С конструктивных позиций привычно выделяли РУ с традиционной (воздушной) изоляцией и комплектные РУ с элегазовой изоляцией (КРУЭ). Тем не менее, за последнее десятилетие на мировом рынке появилась широкая гамма новых конструктивных решений для РУ. Это гибридные устройства, а также РУ с комбинированными аппаратами (рис. 3).

Традиционные ОРУ Комбинированные аппараты Гибридные устройства КРУЭ

¡кш і і "1^5 ! і 'і № і 1 і І В4нї с/ ¿ІН їй

Т “Ш І 2 "

Рис.З. Классификация конструкций распределительных устройств

Конструкции комбинированных аппаратов, разработанных преимущественно западноевропейскими ведущими производителями, не предусматривают возможности формирования РУ по схемам с двумя или более системами сборных шин.

Проведен сравнительный анализ компоновочных решений для РУ с комбинированными аппаратами и гибридными устройствами. Показано, что новые типы электротехнического оборудования за счет совмещения функций аппаратов и их компактного взаиморасположения имеют преимущества с позиций сокращения занимаемых площадей и зон ремонтно-эксплуатационного обслуживания, табл.7. При этом наиболее заметный эффект от сокращения площадей обнаруживается при ИСПОЛЬЗОВаНИИ ЖеСТКОЙ ОШИНОВКИ. РУ С НОВЫМИ типами

электрооборудования дают наибольшую экономию площади в РУ напряжений 330-500 кВ с кольцевыми схемами коммутации. Для напряжений 110-220 кВ сокращение площади РУ не столь заметно для радиальных схем.

Таблица 7

Оценка площади РУ с комбинированными аппаратами

№№ Вариант компоновки Показатель

п/п Площадь ячейки, м‘ Экономия площади, %

1. Традиционное оборудование 400 925 0 0

2 Выключатель на подвижной 350 12,5

раме 715 22,5

3. Поворотный выключатель 315 21,0

850 8,0

4. Аппарат Г-образного типа 300 25,0

850 8,0

5 Выключатель с функциями 340 15,0

разъединителя 850 . . . 8,0

* Числитель - при напряжении 110 кВ, знаменатель - 220 кВ; аппараты Г-образного типа выпускаются на лапряжение до 170 кВ

С точки зрения компоновочных решений гибридные устройства дают наибольшую экономию площади в РУ напряжений 330-500 кВ с кольцевыми схемами коммутации (до 51%). Для напряжений 110-220 кВ сокращение площади РУ не столь заметно для радиальных схем (до 21%). Для блочных схем всех напряжений гибридные устройства являются эффективным, а порой и единственным решением.

Применение модульных гибридных устройств повысит надежность распределительных устройств в целом (табл.8). Однако улучшение незначительно, причина этому - цепи вторичной коммутации, на долю которых приходится до 30% отказов в ячейке. Данные о надежности собственно гибридных устройств получены путем обработки обширного фактического материала из зарубежных источников.

Таблица 8

Сравнение параметров надежности РУ различных типов

Номинальное напряжение, кВ Параметр надежности ОРУ ОРУ с гибридными устройствами КРУЭ

110 со, 1/год 0,06 (8,2) 0,0416(5,7) 0,0073 (1)

Г„ч 40,8 - 384

Тгол.ав, Ч 2,6 - 4,2

Тгод.шъ Ч 23,9 0,5 17,7

220 00, 1/год 0,05(11,6) 0,032 (7,5) 0,0043 (1)

Г„ч 62,5 - 192

Тгодав* Ч 3,2 - 2,1

Тгодли, Ч 31,6 0,5 14,5

330 <в, 1/год 0,13(9,28) 0,114(8,1) 0,014 (1)

Тв,ч 67,7 - 192

Тгодав, Ч 8,6 - 8,3

7год.пл, Ч 25,7 0,5 30,2

500 со, 1/год 0,14 (25,9) 0,106 (20) 0,0054 (1)

Г„ч > 48,3 - 216

^годав, Ч 6,9 - 9,1

^год. пл, Ч 72,9 0,5 22,4

Таким образом, 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.

Глава четвертая. Обоснование комплексного подхода к формированию схем распределительных устройств подстанций

Показано, что наибольшую эффективность обходные системы сборных шин имели при длительных (до 500 ч) ремонтах выключателей присоединений. При этом основным фактором применения обходной системы шин преимущественно считалось снижение потерь мощности и электроэнергии в отходящих линиях по сравнению с их отключением при ремонте соответствующих выключателей, табл. 9. Первое значение в табл.9

- результаты, полученные при частоте и длительности ремонтов выключателей, имевших место в 50 — 60-х годах прошлого столетия; второе значение - то же, но в 60 - 90-х годах; третье значение - для современных элегазовых выключателей с пружинными приводами, капитальный (средний) ремонт которых требуется не чаще одного раза в 20 лет.

В табл. 9 режим А соответствует фактической расчетной схеме энергосистемы на максимум нагрузки. В режиме Б для подстанции 110 кВ в пять раз увеличена протяженность всех отходящих линий при сохранении их нагрузки, поскольку средние длины линий здесь заметно меньше, чем в других регионах. В режиме Б для подстанции 220 кВ в три раза увеличена длина каждой отходящей линий и в полтора - два раза нагрузка по тем же мотивам.

Таблица 9

ТеХНИКО-ЭКОНОМИЧеСКаЯ эффеКТИВНОСТЬ ОбхОДНОЙ СИСТеМЫ птитт

Показатель Значение параметра при напряжении, кВ:

110 220

Режим А | Режим Б Режим А | Режим Б

Дисконтированные затраты на ОСШ, млн. руб. 42 78

Дисконтированные затраты на возмещение дополнительных потерь электроэнергии, млн. руб. 56/14/1 132/33/3 155/39/3 683/171/11

Как видно, ранее обходная система шин оправдывала себя с техникоэкономических позиций в определенной мере. В настоящее время ее массовое применение в схемах РУ 110 и 220 кВ подстанций нецелесообразно. То же относится к ремонтным перемычкам в мостиковых и блочных схемах.

- Показано, что при анализе надежности схем электрических соединений с современными элегазовыми выключателями достаточно использовать критерий п-1. Применение более сложного критерия п-2 для РУ с элегазовыми выключателями увеличит точность расчетов на 0,36 процента, что на порядок ниже инженерной точности расчетов.

Проведена оценка эффективности многократного секционирования систем сборных шин подстанций. В табл. 10 приведены результаты расчетов математического ожидания ущерба при погашении подстанции вследствие отказов секционного выключателя за 30 лет эксплуатации с учетом фактора дисконтирования разновременных затрат, также дяттм дисконтированные за 30 лет затраты на дополнительную ячейку выключателя (первоначальные капиталовложения и ежегодные издержки на обслуживание и ремонт).

Таблица 10

Дисконтированные затраты для распределительных устройств 110 кВ

Составляющая затрат Максимум нагрузки, МВт

10 20 30 60 80 320

Дисконтированный за 30 лет ущерб, тыс.руб. 3-71 7-142 Ют-213 го- 425 27+ 567 109+ 2269

Дисконтироваппые за 30 лет затраты на ячейку с выключателем, тыс.руб. 20 063-41 594

Доля ущерба, % 0,01+ 0,4 . О О 41 0,02+ 1,1 о Р о •— и» •I- 0,07+ 2,8 0,3+ 11,3

В расчетах принята модель РУ с шестью присоединениями на секцию. Данное количество определено на основании решения задачи нахождения минимального значения параметра потока отказов РУ в зависимости от количества присоединений: со^шсшИпр+сОл'4'2. Если функция а^=/(ппв) имеет экстремум, данном случае то ее производная равна нулю, т.е.

¿?ю5У<*1=®сш+о)л(п”1’'2)1п©л=0, откуда -0)СшЮл2/1пюл, при решении

уравнения относительно п„р определено оптимальное количество присоединений, которое для РУ 220 кВ равно пяти, однако в практике принимается шесть присоединений.

Вместе с тем, при предельных в табл. 10 значениях Ршах сравниваемые затраты в ряде случаев могут сближаться, становиться одного порядка (различаться в пять - десять раз). Это соответствует стороне среднего напряжения (110 и 220 кВ) подстанций с высшим напряжением 500 кВ, для которых на первый план выходят вопросы не надежности электроснабжения потребителей, а устойчивости и живучести энергосистем. Поэтому схемы с многократным секционированием систем сборных шин имеет смысл использовать только для распределительных устройств 110 и 220 кВ подстанций более высокой ступени напряжения.

Проведена технико-экономическая оценка секционирования электрической сети путем применения различных схем РУ: мостика и шестиугольника. Применение кольцевых схем позволяет выводить в ремонт выключатель без отключения присоединения. Таким образом, не нарушается нормальное потокораспределение мощности в сети.

Результаты приведены в табл. 11, принятые обозначения в которой аналогичны таковым в табл. 9

Таблица 11

Технико-экономическая эффективность схемы шестиугольника

Показатель Значение параметра при напряжении, кВ:

110 220

Режим А | Режим Б Режим А | Режим Б

Дополнительные затраты расширения схемы заход-выход до схемы шестиугольника, млн. руб. 42 78

Дисконтированные затраты на возмещение дополнительных потерь электроэнергии, млн. руб. 56/14/1 132/33/3 155/39/3 683/171/11

Разработаны непротиворечивые алгоритмы обоснования и выбора типовых принципиальных схем РУ подстанций, рис. 4-7.

Рис.4. Алгоритм выбора принципиальной схемы для однотрансформаторной подстанции

Тупиковая или о-гестеительная

Проходная

т

Узловая

Напряжение

35-220 кВ I 330-750 кВ

Частые коммутации (авто^траноформаторов

Нет

Секционирование двухцепной линии

Способ 1 I Способ 2

V

Два блока с вы- Мостик с выклю- Мостик с вы- Четырех- Заход - Шести-

ключателями чателями в цепях трансформаторов ключателями в цепях линий угольник выход угольник

Рис.5. Алгоритм выбора принципиальной схемы для двухтрансформаторной подстанции

Системы плавки гололеда на воздушных линиях отсутствуют

Количество нерезервированных присоединений

Нет

Дві

Подстанция с высшим напряжением

35-220 кВ

330-750 кВ

Бодее двух

с одяой секционированной системой сборных шнн с одной секционированной системой сборных ШИНН с подключ ением трансформаторов через развилку нз выключателей (для РУ среднего напряжения) с одной секционированной системой сборных шннн с подключением присоединений через полуторную цеяочжу с двумя системами сборных шнн

Рис.6. Алгоритм выбора принципиальной схемы для подстанций без системы плавки гололеда

Обходные системы шин включены е схему плавки гололеда

Количество нерезервароъанных присоединений

Не оолее двух

Бодее двух

Подстанция с высшим напряжением Подстагагая с высшим напряжением

35-220 кВ | 330-750 кВ 35-220 хВ | 330-750 кВ

с одной секционированной системой соорных шин и с обходной системой шин с одной секционированной системой сборных пгаян с свходной системой шин с подключением трансформаторов че-резразвилку из выключателей (для РУ среднего напряясения) с двумя системами соорных шин и с о ох одной системой шин с двумя секзгаони-роваянымн системами соорных шин и с обходной системой ша (зля РУ среднего напряжения)

Рис.7. Алгоритм выбора принципиальной схемы для подстанции с системой плавки гололеда

Недопустимость едн<жрем?н«ого оъспсчеаяя двухЛИ-ннй иле (аето^традсформаторов при отказе любого элемента схемы

—! дР | нй3

_________________ ^ .

Трансформаторы - шины (два (ав-то)трансформатора и три - четыре линии);

Четырехугольник (два (ав-

то}храисформатора и две левей)

Рис.8. Алгоритм выбора пршщипиалыюй схемы для РУ с коммутацией присоединений двумя и более выключателями

♦При шести и более присоединениях и невозможности или нецелесообразности использования по тем или иным причинам схем трансформаторы - шииы, трансформаторы - шины с полуторным присоединением линий или шестиугольник необходимо перейти к рассмотрению наиболее затратной (требующей при прочих равных условиях наибольшего количества ячеек выключателей) полуторной схемы.

Полученные алгоритмы позволяют формализовать выбор типовых принципиальных схем подстанций при проектировании.

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 научнотехнической 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 самьм 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:

Трансформаторы - шины с полуторным присоединением дикий (два (авто)храясформагора в пять -шесть линяй),

Шсстиугольншс (два (ав-к^срансформатора и четыре линии или другое сочетание присоединений)

- 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 техникоэкономических 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.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

В изданиях по списку ВАК:

1. О конструктивных решениях для распределительных устройств с комбинированными аппаратами / А.М. Абдурахманов, М.Г. Линт, М.Ш. Мисриханов, В.Е. Федоров, А.В. Шунтов // Электрические станции. -2008, -№5.-С. 50-55.

2. О коммутационном ресурсе выключателей при коротких замыканиях в энергосистемах / А.М. Абдурахманов, М.Ш. Мисриханов, К.В. Мозгалев, В.Е. Федоров, A.B. Шунтов // Электрические станции. -

2008. - № 10.-С. 59-62.

3. О компоновочных решениях для распределительных устройств с комбинированными аппаратами / А.М. Абдурахманов, М.Г. Линт, М.Ш. Мисриханов, В.Е. Федоров, A.B. Шунтов // Электрические станции. -

2008.-№11.-С. 49-54.

4. Об изменении подходов к применению рабочих, резервных и обходных систем сборных шин подстанций / А.М. Абдурахманов, М.Ш. Мисриханов, В.Е. Федоров, А.В. Шунтов // Электрические станции. -

2009.-№4. -С. 23-28.

5. О надёжности ячеек элегазовых выключателей 110 - 750 кВ подстанций / А.М. Абдурахманов, Ю.А. Дементьев, М.Ш. Мисриханов, Е.И. Столяров, В.Е. Федоров, A.B. Шунтов // Электрические станции. -2011. -№1.- С. 51-54.

В других изданиях:

6. Федоров В.Е., Шунтов A.B. Анализ тенденций в схемных, конструктивных и компоновочных решениях в распределительных устройствах электрических станций и подстанций .// Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиотехника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов. М.: Издательский дом МЭИ, 2008, т.З. - С. 304 - 306.

7. Мисриханов М.Ш., Федоров В.Е., Шунтов A.B. О новых конструктивных и схемных решениях для распределительных устройств 110 и 220 кВ // Международный научный семинар им. Ю.Н. Руденко. Выпуск 59 «Методические и практические проблемы надежности либерализованных систем энергетики”. Иркутск, 2009. - С. 351 — 357.

8. The switching life of short-circuit contact breakers in power systems / A.M. Abdurakhmanov, M.Sh. Misrikhanov, K.V. Mozgalev, V.E. Fedorov and

A.V. Shuntov. Power Technology and Engineering, Vol. 42, № 6, 2008. - Pp.

367-370. .

О коммутационном ресурсе выключателей при коротких замыканиях в энергосистемах / А.М. Абдурахманов, М.Ш. Мисриханов, К.В. Мозгалев,

B.Е. Федоров, А.В. Шунтов // Power Technology and Engineering, том 42, № б, 2008.-C. 367-370.

9. Федоров В.Е., Шунтов А.В. О функциональных особенностях обходных, резервных и рабочих систем сборных шин подстанций // Пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиотехника, электротехника и энергетика. Тезисы докладов. М.: Издательский дом МЭИ, 2009, т. 3. - С. 347 - 348.

Подписано в печать А М' &Ґ, зак. 6 Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

61 12-5/1719

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи

Федоров Виктор Евгеньевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПОДСТАНЦИЙ Зэ - 750 кВ 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шунтов A.B.

Москва, 2012 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. Анализ существующих подходов к формированию схем распределительных устройств подстанций 10

1.1. Постановка задачи....................................................................................10

1.2. Требования к принципиальным электрическим схемам подстанций................................................................................................12

1.3. Типовые принципиальные схемы распределительных устройств подстанций................................................................................................15

1.4. Факторы, влияющие на выбор типовых схем.......................................17

1.5. Учет влияющих факторов.......................................................................18

1.5.1. Целевая функция.................................................................................22

1.5.2. Технико-экономические показатели.................................................23

1.5.3. Оценка экономических последствий из-за ненадежности.............25

1.6. Опыт применения схем распределительных устройств подстанций................................................................................................27

1.7. Параметры коммутационного оборудования........................................29

1.8. Области применения типовых схем.......................................................30

1.9. Тенденции в конструктивных, схемных и компоновочных решениях для распределительных устройств.......................................30

1.10. Выводы......................................................................................................31

2. Анализ надежности присоединений в распределительных устройствах подстанций 33

2.1. Постановка задачи....................................................................................33

2.2. Планирование эксперимента...................................................................33

2.3. Методики обработки статистических данных по надежности электрооборудования...............................................................................35

2.4. Экспериментальные данные по коммутационному ресурсу выключателей...........................................................................................37

2.5. Анализ фактических токов отключения выключателей......................41

2.6. Анализ коммутационного ресурса выключателей...............................43

2.7. Анализ механического ресурса выключателей.....................................44

2.8. Анализ эксплуатационной надежности ячеек с элегазовыми выключателями.........................................................................................45

2.9. Структура простоев оборудования ячеек выключателей....................46

2.10. Оценка достоверности полученных комплексных характеристик надежности ячеек элегазовых выключателей.......................................50

2.11. Сравнительная оценка характеристик надежности ячеек выключателей...........................................................................................51

2.12. Анализ надежности перспективных типов ячеек выключателей.......54

2.13. Выводы......................................................................................................55

3. Анализ схемных, конструктивных и компоновочных решений в распределительных устройствах с перспективными типами электрооборудования 58

3.1. Постановка задачи....................................................................................58

3.2. Выключатель на подвижной раме..........................................................59

3.3. Поворотный (ротационный) выключатель............................................60

3.4. Аппарат Г-типа.........................................................................................62

3.5. Выключатель с функцией разъединителя..............................................63

3.6. Выключатель и два разъединителя пантографического типа на одной раме................................................................................................66

3.7. Гибридные устройства.............................................................................67

3.8. Выводы......................................................................................................72

4. Обоснование комплексного подхода к формированию схем распределительных устройств подстанций 75

4.1. Постановка задачи....................................................................................75

4.2. Об изменении подходов к применению обходных, резервных и рабочих систем сборных шин.................................................................75

4.3. Оценка технико-экономической эффективности обходных систем сборных шин................................................................................83

4.4. Оценка технико-экономической эффективности применения критериев п-1 и п-2...................................................................................85

4.5. Оценка технико-экономической эффективности секционирования систем сборных шин.................................................88

4.6. Обоснование алгоритма выбора принципиальных типовых схем......96

4.7. Выводы....................................................................................................101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 106

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Компоновочные решения для распределительных устройств 115

П. 1.1. Компоновочные решения для распределительных устройств с

комбинированными аппаратами 110-220 кВ.......................................115

П. 1.2. Компоновочные решения для распределительных устройств с

комбинированными аппаратами 330 - 500 кВ....................................125

П. 1.2. Компоновочные решения для распределительных устройств с

гибридными устройствами....................................................................130

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Оценка инвестиций в строительство РУ с различными типами распределительных устройств. 143

ВВЕДЕНИЕ

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 причинно-

следственные 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.

В первой главе анализу подвергнуты существующие методы формирования схем электрических соединений электроустановок. Проведен сравнительный анализ и критический обзор публикаций по проблеме. Выполнена

общая постановка задачи. Сформулирована методологическая направленность исследований. Показано, что принципы формирования схем электрических соединений зависят как от внешних факторов (внешняя структура сети, категорийность электроприемников и т.д.), так и от технических свойств самих аппаратов (размеры, надежность, периодичность обслуживания), применяемых в распределительных устройствах.

Во второй главе проанализированы статистические данные по коммутационному и механическому ресурсу элегазового оборудования, надежности ячеек с аппаратами с элегазовой изоляцией. Проведено сопоставление показателей и структуры надежности ячеек выключателей с элегазовой изоляцией и ячеек с воздушными, масляными и др. выключателями, а также перспективными типами коммутационных аппаратов.

В третьей главе проведен функциональный анализ РУ с перспективным высоковольтным электрооборудованием и традиционным элегазовым. Показаны схемные, конструктивные и компоновочные решения для распределительных устройств с различными типами коммутационных аппаратов.

В четвертой главе выполнен анализ критериев оценки надежности схем РУ, технических и экономических факторов наличия обходной системы сборных шин, влияния схемы РУ на потери в электрической сети. Разработан алгоритм выбора схем РУ подстанций.

По мнению автора, проведенные исследования по изучению надежности элегазового оборудования, а также схем РУ в энергосистемах и полученные новые результаты окажутся полезными для инженерно-технических работников проектных организаций, энергосистем, а также студентов ВУЗов.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ФОРМИРОВАНИЮ СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПОДСТАНЦИЙ

1.1. Постановка задачи

Принципы формирования схемных, конструктивных и компоновочных решений для РУ подстанций закладывались в 70-80-е года прошлого века: работы [4- 3]. Они не утратили своей значимости и по сей день. Однако за прошедшие с тех пор несколько десятилетий изменились конструкции и параметры электрооборудования, а также условия их работы в энергосистемах. Такое положение неизбежно приводит к изменению подходов и принципов построения электрической части подстанций.

В общем случае схема электрических соединений (сокращенно - схема) - это чертеж, на котором изображены элементы электроустановки, соединенные между собой в той последовательности, какая имеет место в натуре. Применительно к практике проектирования принято выделять принципиальные, главные и структурные схемы [10].

Принципиальная электрическая схема — схема, отображающая состав оборудования и его связи, дающая представление о принципе работы электрической части подстанции.

Главная электрическая схема - схема соединений основного оборудования электрической части подстанции с указанием типов и основных электрических параметров оборудования.

Структурная электрическая схема — схема, определяющая основные функциональные части подстанции (РУ различного напряжения и (автотрансформаторы), их назначение и взаимосвязи.

Далее по тексту тип схемы указывается лишь в том случае, когда это требуется для ее смыслового выделения.

Следует обратить внимание, что на практике под схемой понимают не только чертеж, но и физическую реальность, условно отображенную чертежом.

Схемы РУ подстанций разрабатываются на основе исходных данных, получаемых в схемах развития энергосистем, а также электрических сетей на перспективу 10-15 лет. В указанных предпроектных проработках с той или иной степенью детализации для будущих подстанций формируются так называемые схемы присоединения к электрической сети.

На данном иерархическом уровне принимаются решения по направлениям, номинальному напряжению и количеству отходящих от подстанции линий электропередачи, требуемой пропускной способности связей между сетями различного напряжения на сборных шинах подстанций, предельным токам КЗ в их РУ и прилегающей сети. Даются рекомендации по регулированию уровней напряжения и компенсации реактивной мощности.

Кроме этого, определяются требования к средствам общесистемного управления - релейной защиты и автоматики (РЗА), противоаварийной автоматики (ПА), автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП), телемеханики, диспетчерского управления, связи.

Как видно, формирование схем электрических соединений подстанций выполняется не столько в плоскости конкретной подстанции и снабжаемых ею потребителей, сколько с позиции энергосистемы в целом.

Следовательно, при проектировании схем подстанций требуется принимать во внимание большое количество влияющих факторов при неопределенности исходной информации. В таких условиях принципиально важно обеспечить устойчивость п�