СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Решение относится к области передачи и распределения электрической энергии и может быть использовано для распределительных сетей напряжением 10 - 220 кВ.
Практическая необходимость в использовании предлагаемого решения заключается в потребности полной автоматизации, самоорганизации и адаптации к режимам работы электрической сети, соответствующих принципам построения сетей Smart Grid. Важнейшим фактором снижения стоимости выпускаемого оборудования и его эксплуатационных расходов является унификация. Кроме того, увеличение уровня надежности систем электроснабжения является актуальным для городских и промышленных сетей. Известные способы передачи не в полной мере удовлетворяют возрастающие требования.
Известны кольцевые схемы электроснабжения (http://www.powergrids.ru/content/view/13/43/), применяемые для электроприемников второй и третьей категорий надежности электроснабжения (Фиг.1). При повреждении любой из распределительных линий электроснабжение электроприемников восстанавливают ручным отключением поврежденной линии и включением резервной.
На Фиг.1 обозначены: РП1, РП2 - распределительные пункты, ТП1, ТП2, ТП3, ТП4 - трансформаторные подстанции.
В кольцевой схеме электроснабжения имеются места деления (разрывы) сети, в которых постоянно отключены разъединители или выключатели.
Разъединители или выключатели в месте деления сети включают при необходимости подачи электроэнергии от резервной линии в случае повреждения основной линии или отключения ее для производства на ней работ.
Перерыв в электроснабжении при этой схеме допускается на время, необходимое для отключения поврежденного участка и производства переключений (примерно 2 ч).
Более надежными схемами электроснабжения электроприемников являются схемы, в которых предусматривается параллельная работа питающих линий или автоматическое включение резервного питания (АВР) (Фиг.2).
На Фиг.2 обозначены: ИП1, ИП2 - источники питания, РП -распределительный пункт, ТП1, ТП2 - трансформаторные подстанции.
АВР является методом релейной защиты, который служит для обеспечения надежной работы сети электропитания. АВР призвана создать возможность подключения резервных источников питания при аварии в основной системе электроснабжения. Переключение на резервный источник питания и отключение поврежденного участка происходит в диапазоне от 0,3 до 0,8 секунд.
Зачастую взаиморезервируемые линии электропередач прокладываются в параллельно идущих траншеях или даже в одной траншее с несгораемой перегородкой (кабельные линии) или подвешиваются на одну опору (воздушные линии). Тем самым, при определенных обстоятельствах, возможна потеря обеих взаиморезервируемых линий. Например: обрушение опоры с двухцепной воздушной линией при сильном гололеде; механические повреждения траншеи с двумя взаиморезервируемыми кабельными линиями, при проведении земляных работ и т.п.
Опыт эксплуатации распределительных сетей 6-10 кВ, а также последствия известных аварий показывают, что существующая конфигурация сети 6-10 кВ не может удовлетворять растущим требованиям к надежности, предъявляемым городским и промышленным сетям.
Недостатки существующих распределительных сетей:
- в существующих распределительных сетях нет такого понятия как «самозаживающая» сеть. Если есть отказ питающей линии электропередачи 6-10 кВ при условии, что они имеют тенденцию работать на радиальной основе (по большей части), есть неизбежный перерыв в электроснабжении.
- высоки потери электроэнергии (до 16%)
- отставание сетевой инфраструктуры от потребности в электрической энергии и мощности;
- конфигурация распределительных сетей не позволяет осуществить принцип распределенной генерации;
- невозможно реализовать автоматическое управление распределением и потреблением ресурсов электроэнергии на всех уровнях напряжения
Известен способ распределения электроэнергии и устройство для его осуществления (пат. РФ №2036503, G05B 19/18, H02J 4/00, опубл. 27.05.1995.) Способ заключается в формировании сигналов управления, которые объединяют в мультиплексные сигналы с использованием временного разделения каналов. Здесь речь идет об управлении распределением электроэнергии и патент не касается топологии сети.
В качестве прототипа принята система для реализации способа передачи электрической энергии по патенту РФ №2337451, H02J 3/00 опубл. 27.10.2008, содержащая передающую подстанцию, высоковольтный выключатель, выключатель отходящей линии, линию электропередачи с трехфазными кабелями, трансформаторную подстанцию, распределительную сеть, между выключателем отходящей линии и трансформаторной подстанцией включены две трехфазные вентильные группы с взаимно противоположными направлениями электропроводности, в трансформаторной подстанции установлен понижающий трансформатор с расщепленными первичными обмотками, соединенными по схеме «звезда», нейтрали которых соединены между собой, вентильные группы соединены двумя трехфазными кабелями с первичными обмотками понижающего трансформатора.
В этом решении ставится задача снижения величины токов короткого замыкания и снижения требований к выключателям по отключающей способности, удешевления распределительных устройств, уменьшения суммарного сечения питающих токоведущих проводников (проводов, кабелей), снижения потерь электроэнергии, напряжения и мощности.
Однако недостаточна эффективность и надежность работы из-за неравномерной загрузки сети и из-за хаотичного расположения потребителей, их удаленности от подстанции.
Решается задача создания более эффективной системы передачи электрической энергии.
Технический результат - повышение надежности работы системы за счет осуществления принципа распределенной генерации электрической энергии (равномерная загрузка сети, приближение потребителей к источникам питания), создание равномерно распределенных узлов потребления электрической энергии, соединенных между собой равномерно загруженными линиями электропередачи (кабелями одинакового сечения).
Этот технический результат достигается тем, что в системе передачи электрической энергии, содержащей передающую подстанцию, линию электропередачи, кабельную распределительную сеть к нагрузкам, выключатели, трансформаторы, распределительная сеть выполнена в виде связанных шестиугольников, в вершинах которых расположены узлы нагрузки, каждый из них имеет питающую, транзитную и резервную линии с возможностью их взаимозаменяемости, каждая из линий через развилку из двух выключателей: рабочего и резервного подключена к рабочей и резервной системам шин, последние соединены между собой секционным выключателем, к рабочей системе шин подключены потребительские линии через выключатели, в каждом узле нагрузки установлен интегрированный модуль управления; к рабочей системе шин может быть подключен генератор; система выполнена многоуровневой, узлы нагрузки разных уровней соединены между собой трансформаторными связями.
Потребители питаются от ближних узлов короткой сети, при этом снижаются потери напряжения и мощности. Выход из строя одного или даже нескольких узлов нагрузки не приведет к разрушению сети благодаря жесткой связи всех узлов. При потере питающей линии (обрыв, авария) сеть обеспечит питание узла по одной из двух оставшихся линий, изменяя их предыдущее состояние в автоматическом режиме, сеть найдет оптимальный из возможных путей доставки электрической энергии потребителям. Организация уровней позволяет расширить площадь обслуживаемой территории.
Система передачи электрической энергии приведена на чертежах:
на Фиг.3 - принцип формирования сети,
на Фиг.4 - узел нагрузки,
на Фиг.5 - пространственное представление двухуровневой распределительной сети,
на Фиг.6 - схема узла нагрузки.
Система передачи электрической энергии включает передающую подстанцию, линию электропередачи (на чертеже не показаны).
На Фиг.3 позицией 1 обозначена распределенная электрическая сеть, имеющая конфигурацию связанных шестиугольников 2 (образующих соты), в вершинах которых располагаются узлы нагрузки 3. Шестиугольники 2 не обязательно должны иметь правильную форму. Расстояние (плечо) между узлами нагрузки 3 определяется плотностью нагрузок. Каждый узел нагрузки 3 имеет питающую 4, транзитную 5 и резервную 6 линии. Стрелками обозначен поток мощности. Распределительная сеть является инвариантной. Питающая линия может стать при необходимости транзитной или резервной, транзитная - питающей, резервная - транзитной, т.е возможна переконфигурация узла и изменение потоков мощности в сети в зависимости от той или иной ситуации.
На Фиг.5 позицией 7 обозначена сеть первого уровня, где расположены узлы нагрузки, представляющие собой распределительные пункты на 10-20 кВ, 8 - сеть второго уровня где расположены узлы нагрузки на 110-220 кВ. в третьем уровне (на чертеже не показан) - узлы нагрузки, представляющие собой распределительные пункты на 220 кВ и выше. Узлы нагрузки разных уровней связаны между собой трансформаторными связями 9. Позицией 10 обозначены потребительские линии, позицией 11 - генераторные установки.
На Фиг.6 каждая из линий 4, 5, 6 через развилку из двух выключателей 12, 13 - резервного и рабочего подключена к рабочей и резервной системам шин 14, 15. Системы шин 14, 15 соединены между собой секционным выключателем 16. К рабочей системе шин 14 подключены потребительские выключатели 17. Для преобразования напряжения и тока до значений удобных для измерения используются трансформаторы напряжения 18 и трансформаторы тока 19. В каждом узле нагрузки 3 установлен интегрированный модуль управления (ИМУ) 20, представляющий собой промышленный контроллер, анализирующий входящие сигналы от вторичных сетей (трансформаторов тока, трансформаторов напряжения и пр.), выключателей и выдающий соответствующие команды управления. Он может осуществлять также релейную защиту узла нагрузки, автоматизированный учет электроэнергии. Однако эти вопросы не являются предметом настоящей заявки.
К рабочей системе шин 14 с использованием выключателя 21 подключен генератор 22. Генераторы могут быть установлены в отдельных узлах нагрузки и могут быть выполнены как на традиционном топливе (газ, уголь, мазут), так и на возобновляемых источниках энергии (солнечные, ветровые и т.п.) В результате снизятся потери электрической энергии, т.к. источник энергии будет находиться ближе к потребителю.
В системе использованы типовые узлы и устройства. Оборудование в них комплектное, унифицированное, что упрощает изготовление, монтаж и наладку.
Система передачи электроэнергии работает следующим образом. Электрическую энергию передают через линию электропередачи, по кабелям одинакового сечения распределительных сетей - к узлам нагрузки 3. Все узлы нагрузки 3 находятся под напряжением, т.е. каждый узел может быть источником электроэнергии для потребителей. Работа узла нагрузки 3 может быть показана на примере. Питание осуществляется от линии 4, транзит происходит по линии 5, линия 6 находится в резервном состоянии. Выключатель 12 линии 4 отключен, выключатель 13 линии 4 включен. Выключатель 12 линии 5 отключен, выключатель 13 линии 5 включен. Выключатель 12 линии 6 включен, выключатель 13 линии 6 отключен. Секционный выключатель 16 отключен. При этом потребители получают электроэнергию с рабочей системы шин 14. При выходе из строя линии 4 отключается выключатель 13 линии 4. Включается секционный выключатель 16, и потребители питаются через резервную систему шин 15.
Узел нагрузки продолжает работать. На линии 4 в это время ликвидируют аварию, а питание осуществляется по линии 6.
Генератор 22 может работать как в штатном режиме, так и при возникновении дефицита мощности.
Таким, образом, при реализации предлагаемого решения достигаются следующие результаты: существенное увеличение надежности и экономической эффективности функционирования ЕЭС России; улучшение качества обслуживания потребителей электроэнергии при удешевлении поставляемой электроэнергии.