Корягин Ю.М., инж., Неклепаев Б.Н., доктор техн. наук, Шевченко А.Т., Шунтов А.В., кандидаты техн. наук

«Электрические станции», 1993, №12, -С. 33-38.

В отечественной практике для распределительных устройств 110 и 220 кВ электростанций и узловых понижающих подстанций, как правило, используется схема с двумя системами сборных шин с обходной системой шин (с одним выключателем на присоединение). Представляется, что при сложившейся практике формирования схем распределительных сетей 110 и 220 кВ электроэнерге¬тических систем (ЭЭС) страны, по крайней мере, для понижающих подстанций предпочтение следовало бы отдавать альтернативной типовой схеме РУ с одной секционированной системой сборных шин с обходной системой шин (с одним выключателем на присоединение). Далее приводятся доводы в пользу приемлемости данного положения.

Для отечественных электроустановок схема с двумя системами сборных шин являлась наиболее массовой, а в ряде случаев и единственно используемой ориентировочно до начала 50-х годов. С конца 40-х годов в практику применительно к схемам с одной и с двумя системами сборных шин стали внедряться обходные системы шин. Характерным для схемы с двумя системами сборных шин был режим, когда все присоединения группировались на одной системе сборных шин, а вторая система была свободной [1, 2]. Две системы сборных шин здесь предусматривались для различных целей: резервирования сборных шин и выключателей, присоединений (ремонтируемый выключатель шунтировался временной перемычкой и заменялся шиносоедипительным выключателем), синхронизации и выделения какого-либо генератора из параллельной работы (так называемый процесс транспозиции генераторов с одной системы сборных шин на другую по режимным соображениям в условиях изолированной работы отдельных частей ЭЭС [1]).

После внедрения в практику обязательного применения при напряжении 110 кВ и выше в схеме с двумя системами сборных шин обходной системы шин (окупаемой уже за счет снижения потерь электроэнергии в линиях, подключаемых к РУ) оказались невостребованными резервные функции шиносоединительных выключателей, т.е. функции второй, свободной системы сборных шин были частично переданы обходной системе шин, при этом время простоя выключателей присоединений стало минимальным, определяемым в основном длительностью оперативных переключений, и практически одинаковым при плановых и аварийных простоях. Наконец, все более широкое и интенсивное объединение на параллельную работу отдельных энергоузлов и ЭЭС в целом исключило потребность в свободной системе сборных шин для транспозиции источников питания сетей. В результате с 50-х годов преимущественным для схемы с двумя системами сборных шин с обходной системой шин становится режим с фиксированными присоединениями, когда последние по возможности симметрично распределены между обеими системами сборных шин, а шиносоединительный выключатель нормально включен и по сути выполняет секционирующие функции. Таким образом, применительно к современным электроустановкам можно говорить о том, что две рабочие системы сборных шин предусматриваются для одной цели - их собственного резервирования.

Типовые фрагменты топологии сетей

Резервирование элементов схем электрических соединений обосновывается с позиций двух расчетных режимов работы: ремонтных (по условиям надежности и потерь электроэнергии) и послеаварийных (по условию надежности). Наличие двух, а не одной системы сборных шин позволяет на время планового ремонта одной из них перевести без отключения от сети все присоединения на другую систему шин. В отечественных условиях это полезное, но не обязательное или не необходимое свойство схемы.

Во-первых, распределительные сети 110 и 220 кВ формируются, как правило, так, чтобы обеспечивать электроснабжение потребителей, по крайней мере, по двум линиям электропередачи. В качестве примера на рисунке приведены типовые структуры рассматриваемых сетей: радиальные конфигурации с односторонним (рисунок а) и двусторонним (рисунок б-г) питанием с подключением понижающих подстанций по двум линиям электро¬передачи, радиально-узловые конфигурации (рисунок д-ж), в которых хотя бы один нагрузочный узел подключен к сети более чем по двум линиям. Сети 110 кВ формируются преимущественно с использованием конфигураций по типу, приведенному на рисунке а-г, в сетях 220 кВ в ряде случаев превалирующими оказываются структуры по типу, представленному на рисунке, д-ж. Кроме того, на понижающих подстанциях устанавливается не менее двух трансформаторов (автотрансформаторов). Пропускную, способность питающих линий и трансформаторов (автотрансформаторов) выбирают (следует выбирать) так, чтобы с учетом их перегрузочной способности обеспечивать полное электроснабжение потребителей в ремонтных режимах, например при плановом отключении одного из элементов схемы. В этой связи вывод в плановый ремонт одной из систем сборных шин с отключением всех ее присоединений не приведет к ограничению электро¬снабжения потребителей.

Во-вторых, длительность плановых ремонтов сборных шин невелика. Так, продолжительность текущего ремонта шинного разъединителя 110-220 кВ не превышает 3,5-4 ч, частота проведения последнего - не более 1 раза в год или, к примеру, на наиболее трудоемкую операцию на собственно ошиновке - чистку гирлянды изоляторов, отводится не более 0,8 чел·ч (110 кВ) и 1,4 чел·ч (220 кВ) при расчетной численности ремонтной бригады 2 чел. (при чистке гирлянды с телескопического подъемника нормы времени снижаются) [3]. Как правило, перевод присоединений с одной системы сборных шин на другую с целью проведения на них профилактических работ осуществляется 1 раз в год, поэтому вывод в плановый ремонт одной из систем сборных шин с отключением ее всех присоединений не приведет и к сколько-нибудь заметному увеличению потерь электроэнергии в сетях. При принятом в нашей стране нормально включенном положении шиносоединительных (схемы с двумя системами сборных шин) и секционных (схемы с одной секционированной системой сборных шин) выключателей их отказы, требующие отключения смежных присоединений, приводят к одинаковым последствиям - полному погашению РУ - и при дальнейшем анализе не рассматриваются. Иметь на подстанции две, а не одну систему сборных шин по условиям послеаварийного режима может казаться полезным. Однако, как выявил статистический анализ фактического материала, проведенный авторами статьи, это не так. Наличие двух рабочих систем сборных шин с развилкой из двух шинных разъединителей на каждом присоединении в большинстве случаев и порождает те отказы, при которых целесообразно располагать не одной, а двумя системами сборных шин. Иными словами, переход от схемы с одной секционированной системой сборных шин с обходной системой шин к схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шин снижает надежность РУ. Далее приводятся статистические подтверждения данного положения.

Анализу были подвергнуты все отказы на 26 подстанциях 500/220 кВ системообразующей сети за 15 лет в период 1978-1922 гг. Конструкция РУ подстанций однотипная - на них использована гибкая ошиновка и горизонтально-поворотные двухколонковые разъединители. Все РУ 220 кВ выполнены по схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шин (на одной подстанции сборные шины РУ 220 кВ секционированы двумя выключателями), а РУ 500 кВ - по схеме шины-трансформаторы и полуторной. Всего учтено 25 РУ 220 кВ (соответственно 52 системы или секции систем сборных шин) и 26 РУ 500 кВ, что дало 10 245 разъединителей-лет при 220 кВ и 6255 разъединителей-лет при 500 кВ.

В качестве исходной информации использованы журналы регистрации отказов первой и второй степени (принятую классификацию отказов см. в [4]), а также акты по расследованию аварий. При анализе надежности во внимание принимались отказы систем сборных шин, вызванные повреждениями их составных элементов: собственно ошиновки, шинных разъединителей и оборудования ячеек трансформаторов напряжения, подключаемых к шинам. Авторы считают, что при статистическом анализе надежности систем сборных шин не должны учитываться погашения систем сборных шин, вызываемые нарушениями работоспособности других элементов схем, например вследствие работы устройств резервирования отказов выключателей и дифференциальной защиты автотрансформаторов в схеме шины-трансформаторы и др. Также не учитывались случаи успешного автоматического повторного включения сборных шин и отказы разъединителей при вводе оборудования в работу из планового ремонта, связанные с разбалансировкой хода ножей (разъединитель не включается), последнее, в частности, нередко наблюдается у разъединителей 500 кВ и выше.

Анализ названных отчетных документов показал, что отказы систем сборных шин могут быть идентифицированы по следующим событиям: отказам шинных разъединителей; отказам в ячейке трансформатора напряжения; набросам посторонних предметов на ошиновку; ошибочным включениям заземляющих ножей шинных разъединителей, находящихся под напряжением; ложным действиям релейной защиты, отказам во вторичных цепях: ошибкам проектирования; неустановленным причинам. В табл.1 в соответствии с предложенной классификацией отражены отказы систем сборных (для 220 кВ - рабочих) шин на рассматриваемых подстанциях за указанный 15-летний период; для 220 кВ в числителе приведено общее число отказов, в знаменателе – в том числе отказов, приведших к одновременному погашению обеих систем сборных шин. Далее даны пояснения к отдельным позициям табл. 1.

Из общего числа отказов в табл. 1 было 5 отказов первой степени (3 в РУ 220 кВ и 2 в РУ 500 кВ), другие отказы отнесены ко второй степени. Для РУ 220 кВ погашения одной системы сборных шин не сопровождались недоотпуском электроэнергии Потребителям (такое положение объяснялось ранее), последний наблюдался лишь при одновременном отключении обеих систем сборных шин.

Отказы шинных разъединителей. Наиболее тяжелой аварией является разрушение изоляционной колонки разъединителя при проведении им оперативных переключений, связанных с переводом присоединений с одной системы сборных шин на другую. Все отказы при этом вызывали погашение обеих систем сборных шин; время замены поврежденной колонки не занимало более 3-5 ч. В п. 1.1 табл. 1 не учтен случай поломки тяги в приводе разъединителя 220 кВ при переводе присоединений с одной системы сборных шин на другую, так как данное событие не было связано с отключением присоединений РУ. На рассматриваемых подстанциях используются такие схемы РУ 500 кВ (см. ранее), в которых разъединители выполняют только одну функцию - создание видимого разрыва при ремонте оборудования, вследствие чего в соответствующей графе п. 1.1 табл. 1 однозначно должен стоять прочерк.

В РУ 220 кВ оба отказа разъединителей при выводе выключателей присоединений в плановый ремонт были также сопряжены с разрушением опорных колонок. Причины отказов разъединителей 220 и 500 кВ в статическом состоянии различны. Так, все 4 отказа разъединителей 220 кВ - самопроизвольное разрушение опять же опорных колонок, у разъединителей 500 кВ два события были связаны с перекрытием опорных колонок вследствие грозового воздействия и пылевой бури и одно событие – самопроизвольное отключение под напряжением в результате исключительно сильного ветра. В последнем случае потребовался ремонт разъединителя (полная замена контактной системы), который длился 5-6 ч. В п. 1.3 табл. 1 не учтено событие полного разрушения одновременно двух разъединителей 500 кВ, вызванного взрывом воздушного выключателя 500 кВ в той же ячейке.

Таким образом, в схемах РУ 220 кВ с двумя системами сборных шин, где шинные разъединители выполняют одновременно оперативные функции и функцию создания видимого разрыва, оказывается, что главная причина их отказов – разрушение опорных изоляционных колонок разъединителей, наконец, в схемах РУ 500 кВ, где разъединители выполняют функцию создания видимого разрыва, их отказы возникали лишь на фоне крайне неблагоприятных природных воздействий. Надо полагать, что причиной отказов шинных разъединителей в РУ 220 кВ и является выполнение ими оперативных функций, которые возможны лишь при наличии двух рабочих систем сборных шин. Для проведения аварийно-восстановительных ремонтов шинных разъединителей 220 кВ требовался перевод всех присоединений РУ на вторую, неповрежденную систему сборных шин.

Отказы в ячейке трансформатора напряжения. За исключением одного случая все отказы трансфор¬маторов напряжения (типа НКФ) и разрядников были связаны с их разрушением. В табл. 1 отражены первичные отказы, приведшие к погашению систем сборных шин. Реально два отказа трансформаторов напряжения 220 кВ явились причиной также и последующего разрушения разрядников, а один отказ трансформатора напряжения 500 кВ – повреждения разъединителя. Последние события (разрушение разрядников и разъединителя) в данных табл. 1 не учтены для исключения двойного счета отказов систем сборных шин. Полное погашение РУ 220 кВ при отказе в ячейке трансформатора напряжения наблюдалось единственный раз: осколками разрядника были повреждены вторичные цепи выключателя присоединения второго-автотрансформатора, подключенного к другой системе сборных шин.

Аварийно-восстановительные ремонты в ячейке трансформатора напряжения рассматриваемых систем сборных шин 220 кВ не требовали перевода присоединений РУ на другую систему шин, т.е. для восстановления схемы РУ требовалось отключение разъединителя в цепи трансформатора напряжения и перевод вторичных цепей присоединений на трансформатор напряжения другой системы сборных шин. Заметим, что в ряде случаев при таких авариях эксплуатационный персонал с чисто психологических позиций осуществляет перевод всех присоединений РУ на одну систему сборных шин.

В результате отказа трансформатора напряжения 500 кВ и последующего пожара возникала необходимость замены гирлянды изоляторов системы шин (длительность замены не более 7-8 ч).

Набросы посторонних предметов на ошиновку. Как следует из табл. 1, погашения систем сборных шин здесь связаны главным образом с падением на ошиновку проволоки, принесенной птицами. В двух случаях (падение молниеотвода и проволоки) разрушались опорные колонки шинных разъединителей 220 кВ. Аварийно-восстановительные ремонты последних требовали перевода всех присоединений данных РУ 220 кВ на другую, неповрежденную систему сборных шин. Прочие отказы не вынуждали переводить присоединения с одной системы сборных шин на другую, так как они были связаны лишь с короткими замыканиями на ошиновке, что для последней является расчетным режимом при проверке электродинамической стойкости. В двух случаях наброс проволоки на сборные шины 220 кВ способствовал возникновению феррорезонанса и последующего разрушения трансформаторов напряжения 220 кВ (в п. 2.1 табл. 1 эти события не учтены для исключения двойного счета отказов).

Ошибочные включения заземляющих ножей шинных разъединителей, находящихся под напряжением. Данные отказы не требуют последующего перевода присоединений с одной системы сборных шин на другую. Их последствия устраняются довольно быстро путем зачистки поверхностей и в ряде случаев дополни¬тельной регулировкой ножей.

Ложное действие релейной защиты (излишнее срабатывание, например), отказы во вторичных цепях. Эти отказы не требуют перевода присоединений с одной системы сборных шин на другую. Им соответствует минимальное время восстановления исходного состояния схемы РУ – 5-40 мин. Для РУ 500 кВ рассматриваемый вид отказов является превалирующим, что, надо полагать, связано с использованием в системообразующих сетях более сложных видов защит и автоматики.

В одном случае погашение системы сборных шин 220 кВ вызывалось ошибкой проектирования – проектом на шинах ошибочно не предусмотрен второй комплект вентильных разрядников и из-за недостаточной грозоупорности сборных шин произошло перекрытие двух гирлянд изоляторов; после того, как с них убрали нагар, сборные шины были вновь поставлены под напряжение. Наконец, единственный раз по неустановленной причине отключались обе системы сборных шин РУ 220 кВ. Длительность восстановления исходного состояния схемы здесь не превысила 30 мин.

В табл. 2 приведена в процентах укрупненная доля отказов из табл. 1.

Итак, из общего числа отказов систем сборных шин 11 отказов, или 28% (табл. 1), сопровождались полным погашением РУ 220 кВ. Из них 9 аварий (п. 1.1, 3.2, 3.3 и 4 из табл. 1) однозначно связаны с использованием на подстанциях схемы РУ с двумя системами сборных шин. В альтернативной схеме с одной секционной системой сборных шин с обходной системой шин любые виды отказов шинных разъединителей или ошибочные действия с заземляющими ножами разъединителей, очевидно, не могут привести к погашению всего РУ в связи с отсутствием в схеме развилки из двух шинных разъединителей (исключается возможность подпитки точки короткого замыкания со стороны обеих систем сборных шин), т.е. частота погашения всего РУ уменьшилась бы при такой схеме в 4-5 раз. Кроме того, практически все отказы (10 из 12 отказов), для ликвидации которых требовался перевод, присоединений с одной системы сборных шин на другую, были сопряжены с поломками шинных разъединителей, возникающих опять же вследствие применения на подстанциях схемы РУ с двумя системами сборных шин (здесь разъединители, как уже указывалось,, выполняют дополнительную функцию – оперативных переключений). Следовательно, применение на подстанциях схемы с двумя системами сборных шин с обходной системой шин по сравнению с альтернативной схемой с одной секционированной системой сборных с обходной системой шин заметно снижает надежность электроснабжения потребителей. Помимо фактора надежности при сравнении - рассматриваемых схем следует учитывать и экономические аспекты. Так по данным бывшей Brawn Boveri Co. (Швейцария) стоимость двухколонкового разъединителя 132-400 кВ составляет 16-12% цены элегазового колонкового выключателя наружной установки соответствующего класса напряжения, стоимость пантографического разъединителя доходит до 29-15%.

По информации из табл. 1 можно провести оценку показателей надежности систем сборных шин и их элементов. Параметр потока отказов со определим по формуле ω=n/(m·Т), где п - число отказов наблюдаемых m элементов за время Т. Тогда параметр ω для одной системы или секции системы сборных шин 220 кВ ω=40/(52·15)=0,05 1/год, а для одновременно двух систем или секций систем сборных шин 220 кВ ω=11/(52·15)=0,0141/год.

Кроме 10 отказов шинных разъединителей 220 кВ (табл. 1) на рассматриваемых подстанциях произошло еще 6 отказов линейных и обходных разъединителей (4 отказа при проведении оперативных переключений и 2 отказа в статическом состоянии, все отказы связаны с разрушением опорных изоляционных колонок разъединителей). Поэтому для разъединителей 220 кВ ω =(10+6)/10245 = = 0,0016 1/год.

Все зарегистрированные отказы разъединителей 500 кВ, являющиеся первопричиной аварий на подстанциях, приведены в табл. 1, в связи с чем для них ω = 3/6255=0,0005 1/год; если же учесть разрушения разъединителей 500 кВ, вызванные отказами и других элементов (см. описания отказов из табл. 1), то оказывается, что ω = 6/6255=0,001 1/год.

Наконец, ориентировочное значение параметра ω сборных шин на одно присоединение 220 кВ (линия, трансформатор, автотрансформатор) в схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шин может быть получено следующим образом: на одно присоединение в рассматриваемой схеме приходятся четыре разъединителя (два шинных, один линейный, один обходной); разделив на четыре общее число разъединителей-лет (10245, см. ранее), получим 2560 присоединений-лет, откуда параметр ω для одной системы сборных шин из расчета на одно присоединение составит 40/2560=0,014 1/год, а параметр ω для одновременно двух систем или секций систем сборных шин из расчета на одно присоединение ω=11/2560=0,004 1/год. Значения полученных ранее характеристик надежности отличаются от известных (например, в [5]) и по мнению авторов являются предпочтительными.

Рассматривая вопрос о целесообразности использования на подстанциях одной или двух рабочих систем сборных шин, нельзя не коснуться в этой связи зарубежной практики. Известно, что в западноевропейских странах применяются обычно схемы РУ а одним выключателем на присоединение, с одной-двумя-тремя и даже четырьмя системами сборных шин (при наличии двух и более систем сборных шин, связанных между собой шиносоединительными выключателями) с отдельной обходной системой "шин либо без нее. Появление схем РУ с несколькими рабочими системами сборных шин для распределительных сетей напряжением класса 100-200 кВ этих стран было вызвано потребностью секционировать сеть с целью обеспечения: необходимого, определенного с режимных позиций распределения присоединений между изолированными системами сборных шин (некий аналог транспозиции источников питания, используемой ранее в отечественной практике); ограничения уровней токов короткого замыкания; требования электроснабжения потребителей от по крайней мере двух независимых источников питания. Все перечисленные факторы можно в целом отнести к режимным. Прочие факторы, связанные с резервированием систем сборных шин (такой как, например, потребность проведения их плановых ремонтов без отключения присоединений), существенной роли не играют. Более того, для массовых в Западной Европе комплектных РУ с элегазовой изоляцией (КРУЭ) ведущие фирмы-изготовители (ABB, AEG, Alsthom, Merlin Gerin, Siemens и др.) вообще не предусматривают выполнения на сборных шинах каких-либо профилактических работ за весь срок службы электроустановки. Но именно с режимных позиций большинство КРУЭ напряжением класса 100-200 кВ понижающих подстанций (до 70%) в данных странах предусматриваются с двумя и более системами сборных шин.

Выводы

1. Основной причиной аварийного отключения рабочих систем сборных шин 220 кВ являются отказы шинных разъединителей и отказы оборудования в ячейках трансформаторов напряжения, подключенных к сборным шинам; главная причина аварийного погашения систем сборных шин 500 кВ - ложное действие релейной защиты, отказы во вторичных цепях.

2. Для подстанций, подвергнутых анализу, отказы разъединителей 220 кВ в схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шин вызваны разрушением опорных колонок разъединителей. Отказы разъединителей 500 кВ в схемах шины-трансформаторы и в полуторной схеме возникали лишь на фоне крайне неблагоприятных природных воздействий или являлись следствием отказов других элементов схем электрических соединений.

3. Параметр потока отказов для разъединителей 220 кВ заметно выше, чем для разъединителей 500 кВ. Более высокая аварийность разъединителей 220 кВ по сравнению с разъединителями 500 кВ, надо полагать, вызвана тем, что первые из них выполняют оперативные функции и функцию создания видимого разрыва, вторые - только последнюю функцию.

4. Около четверти отказов на сборных шинах 220 кВ в схеме с двумя системами сборных шин с обходной системой шин приводит к одновременному погашению обеих систем сборных шин.

5. Использование на подстанциях распределительной сети схемы с двумя системами сборных шин с обходной системой шин, по сравнению с альтернативной схемой, с одной секционированной системой сборных шин с обходной системой шин однозначно ухудшает технико-экономические характеристики подстанций и снижает надежность электроснабжения потребителей.

6. Целесообразность наличия в РУ понижающей подстанции, двух, а не одной рабочей системы сборных шин может быть обоснована только с режимных позиций.

7. По мнению авторов ведущие проектные организации могли бы рассмотреть вопрос о целесообразности нормативного закрепления положения, что на понижающих подстанциях распределительной сети следует предусматривать не более одной рабочей секционированной системы сборных шин, использование двух систем сборных шин должно требовать в проектах специального обоснования.

Список литературы

1. Славин. М.И. Коммутация современных электрических станций. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1933.

2. Грудинский П.Г. Схемы коммутации электрических станций и подстанций. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1948.

3. Нормы времени на капитальный текущий ремонты и техническое обслуживание подстанций напряжением 35-500 кВ. М.: Информэнерго, 1984, ч. 2.

4. Инструкция по расследованию и учету технологических нарушений в работе электростанций, сетей и энергосистем. М.: Союзтехэнерго, 1990.

5. Указания по применению показателей надежности элементов энергосистем и работы энергоблоков с паротурбинными установками. М.: Союзтехэнерго, 1985.