Экономия инвестиций и операционных расходов
Этот технический анализ был проведен АББ, чтобы показать, что для сетей городского снабжения комбинация распределительного устройства с газовой изоляцией - ГИС (из-за их компактности и гибкости) и кабеля высокого напряжения имеет важные преимущества по сравнению с системами с воздушным изолированным распределительным устройством - АИС и воздушными линиями.
Каким будет наилучшее решение для городских сетей электроснабжения - систем АИС или ГИС? (на фото: ABB Ireland поставляет крупнейшие 110 кВ ГИС с наибольшим количеством единиц ELK-04 в Европе, кредит: ABB)
По крайней мере, это исследование показывает этот результат.
Помимо жизненно важной роли, которую они играют в современной рыночной экономике, системы электроснабжения также оказывают большое влияние на окружающую среду, что делает их подверженными изменениям в социальных парадигмах. Отчасти это связано с тем, что системы среднего напряжения, подающие электроэнергию в городские районы, сегодня разрабатываются практически полностью как кабельные сети с внутренними коммутационными станциями.
Газоизолированное распределительное устройство (ГИС), помимо сокращенного визуального «вторжения» в повседневную жизнь, также предлагает операторам высоковольтных систем бесперебойного питания надежные и гибкие решения в районах с высокой плотностью нагрузки и местами подстанций.
Системы городского питания, сочетающие технологию ГИС и кабель HV, являются безопасными, надежными и экологически безопасными (рис. 1).
Рисунок 1 - Использование распределительного устройства с газовой изоляцией АББ позволило трансформаторной подстанции 132 кВ Барбана в центре 1 Оренсе, Испания, быть построенным под землей и построенным над ним парком, который гармонирует с окружающей средой. Звук водопада, который действует как теплообменник, скрывает шум, создаваемый вентиляторами.
Прямое сравнение инвестиций в компоненты для идентичных конфигураций распределительных устройств предполагает, что вариант ГИС является более дорогостоящим, чем решение для распределительных устройств с воздушной изоляцией (AIS).
Однако такое сравнение не учитывает того факта, что, размещая подстанцию ГИС-трансформатора вблизи центров нагрузки, получается гораздо более эффективная сетевая структура как на уровне HV, так и на уровне распределения MV. В результате снижаются инвестиционные и эксплуатационные расходы.
Чтобы количественно оценить влияние технологии AIS и ГИС на уровень HV и MV в городской системе снабжения, в существующей сети с максимальной нагрузкой 120 МВт будет рассмотрен следующий. Сеть MV оптимизирована для каждого из вариантов HV (ГИС и АИС), в каждом случае для распределительных напряжений 10 кВ и 20 кВ, так что оцениваются четыре разные сети HV / MV.
Сравнение основано на стоимости жизненного цикла различных концепций поставок.
Проектирование вариантов сети АИС и ГИС
-
Высоковольтная сеть
- ГИС - распределительное устройство с газовой изоляцией
- AIS - Распределительное устройство с воздушной изоляцией
-
Сеть среднего напряжения
- Правила планирования
- Результаты планирования
A. Высоковольтная сеть
Лучшие места для инъекций HV в распределительную сеть в значительной степени зависят от технологии (AIS или ГИС), выбранной для системы HV. Сайты, которые достаточно велики для подстанций AIS, редко доступны, и когда их стоимость чрезвычайно высока.
Но не только меньший размер сайта делает ГИС более дешевым вариантом! ГИС также является более экономичной альтернативой при расширении или замене существующих подстанций. Внутренний городской сайт, который использовался ранее для установки AIS, может быть продан или арендован, а доход используется для финансирования новой подстанции.
Компактность ГИС позволяет полностью интегрировать трансформаторную подстанцию высокого напряжения в существующее здание, которое может потребоваться только повысить или добавить подвал.
Вопрос о пространстве выходит за пределы трансформаторных подстанций к высоковольтным соединениям. В настоящее время воздушные линии практически не используются, как вариант для внутренних районов. И даже там, где доступны права доступа, их часто можно использовать экономически другими способами.
Типичные жалобы на воздушные линии состоят в том, что они неприглядные и генерируют электромагнитные поля, последствия которых подвержены постоянным и интенсивным публичным дебатам.
Фаза-7 ГЭС на 400 кВ в Катаре (фото: ABB)
Современный высоковольтный кабель не только обеспечивает высокий уровень надежности, но и некоторые технические преимущества для соединений воздушных линий. Учитывая эти преимущества, в настоящее время нет реалистичной альтернативы высоковольтным кабелям для электроснабжения в городских районах.
Вернуться к Проекту вариантов сети AIS / GIS ↑
ГИС - распределительное устройство с газовой изоляцией
Вариант 2 ГИС, рассмотренный в исследовании, состоит из трех высоковольтных трансформаторных подстанций, расположенных в центре города. Подключение к окружающей сети 110 кВ обеспечивается тремя кабелями, идущими от ближайшей подстанции HV к основной подстанции городской сети HV.
Рисунок 2 - ГИС-вариант сети 110 кВ 2
Эта основная подстанция сконфигурирована как двойная сборная шина, что позволяет проводить техническое обслуживание на одной шине без необходимости обесточивать полную станцию. Остальные подстанции в кабельном кольце HV, которые также расположены в центре города, представляют собой трансформаторные подстанции типа H с шиной.
Они также позволяют проводить техническое обслуживание и ремонт в газовом отсеке на одной половине шинопровода, в то время как другая половина остается в эксплуатации.
Вернуться к Проекту вариантов сети AIS / GIS ↑
AIS - Распределительное устройство с воздушной изоляцией
В варианте 3 АИС существует линия воздушных линий вокруг области подачи, правая половина которой состоит из двух линий (из-за потоков нагрузки).
Как и в варианте ГИС, основная подстанция высокого напряжения состоит из двойной сборной системы, а остальные трансформаторные подстанции HV имеют конфигурации H-типа. Трансформаторная подстанция TS2 имеет двойное соединение с двойной воздушной линией, а подстанция TS3 зацикливается в одну линию с левой стороны.
Рисунок 3 - Вариант АИС сети 110 кВ
Из-за большего пространства требуются трансформаторные подстанции, расположенные в менее густонаселенных внешних районах города.
Двойные линии соединяют внешнее кольцо с трансформаторными подстанциями, т. Е. На тех же полюсах имеются две цепи. Это решение позволяет эффективно использовать доступное пространство.
Тем не менее, это также снижает надежность питания высоковольтного оборудования, поскольку обе схемы могут отключиться по той же причине («отказ в общем режиме», например, из-за обратной перемотки от заземляющего провода к обоим цепям, вызванных молнией, ударяющей по заземляющему проводу или контактом с деревья).
Вернуться к Проекту вариантов сети AIS / GIS ↑
B. Сеть среднего напряжения
Сравнение ГИС и вариантов АИС, основанных только на различиях в высоковольтной сети, слишком ограничено, поскольку расположение высоковольтных трансформаторных подстанций имеет решающее значение и оказывает большое влияние на структуру сети МВ.
Поэтому исследование учитывает ситуацию нагрузки в фактической городской сети, включая значения нагрузки и географическое расположение трансформаторных подстанций MV, в качестве отправной точки (рисунок 4 ниже).
Рисунок 4 - Распределение и рейтинг нагрузки трансформаторных подстанций МВ, взятых 4 в качестве отправной точки для сравнения системы ГИС / АИС
Радиальное управление сетью MV приводит к большому числу возможных сетевых концепций. Помимо отличий по своим начальным капитальным затратам, они также значительно влияют на работу сети.
Поэтому каждая утилита имеет свои собственные правила планирования, согласно которым конфигурация сети адаптирована к требованиям клиентов и к географическим местоположениям нагрузок МВ.
Вернуться к Проекту вариантов сети AIS / GIS ↑
Правила планирования
Техническими ограничениями для каждого варианта сети являются допустимый диапазон напряжения и пределы мощности короткого замыкания, которые продиктованы оценкой распределительного устройства. Также должны быть сформулированы некоторые правила проектирования:
Использование стандартных компонентов:
- XLPE MV с поперечным сечением Al 150 мм 2 (распределительные кабели) и 240 мм 2 (кабели передачи)
- Трансформаторы 110 кВ / МВ с номинальной мощностью 31, 5 / 40 МВА
Топология с открытым контуром для распределительной сети
Распределительные кабели начинаются с сборной шины MV трансформаторных подстанций HV / MV, выполняются между подстанциями клиентов и возвращаются на шину MV той же высоковольтной трансформаторной подстанции. Во время нормальной работы один из кабелей в этом кольце остается открытым для обеспечения простой защиты.
Каждая трансформаторная подстанция HV / MV имеет собственный резервный трансформатор, что позволяет проводить техническое обслуживание на трансформаторе без необходимости включения коммутаторов в сети MV.
Максимум 14 клиентских подстанций в цикле
Это ограничивает количество клиентов, чье энергоснабжение будет прервано в случае сбоя сети МВ, поскольку только фидер, подключенный к шинной шине HV / MV, оснащен максимальной токовой защитой и автоматическим выключателем.
Нормальная загрузка фидерных кабелей
Так, что отказ кабеля в наихудшем случае (отказ фидера вблизи от трансформаторной подстанции HV / MV) не нагружает кабель более 120% его мощности. Максимальная нагрузка 5, 2 МВА на кабель на 10 кВ (10, 2 МВА на 20 кВ) в начале периода планирования учитывает уменьшенную мощность для кабелей, входящих в одну и ту же канатную траншею вблизи трансформатора, а также запас для нагрузки роста в течение планового периода.
Вернуться к Проекту вариантов сети AIS / GIS ↑
Результаты планирования
Гибкость ГИС позволяет планировщикам размещать точки впрыска близко к центрам нагрузки (см. Рис. 5). Первым следствием этого является количество нагрузок, которые считаются оптимальными для каждой подстанции HV, и, следовательно, на установленной мощности трансформатора.
Рисунок 5 - Топология варианта ГИС с точками впрыска 5 вблизи центров нагрузки (напряжение распределения 20 кВ)
Во-вторых, это уменьшает требуемую способность передачи электроэнергии в сети MV, что позволяет дополнительно экономить средства из-за меньших поперечных сечений кабеля MV. И в-третьих, потери от передачи исключаются. Снижение эксплуатационных расходов из-за этого третьего преимущества особенно заметно при низких напряжениях распределения.
Эти общие эффекты также отражены в результатах, полученных с описанными сетевыми решениями. Мощность сети МВ, передаваемая от ГИС-подстанций, состоит из радиально управляемых (открытых) контуров, все из которых подаются от шин МВ подстанций высокого напряжения.
В периферийных местах трансформаторных подстанций в варианте AIS требуются дополнительные спутниковые станции (см. Рис. 6).
Рисунок 6 - Топология варианта АИС с периферийными 6 трансформаторными подстанциями и дополнительными спутниковыми станциями (распределительное напряжение 20 кВ)
Они имеют дистанционные MV-шины, питаемые трансформаторными подстанциями высокого напряжения через несколько параллельных и выборочно защищенных кабелей передачи. Их надежность сопоставима с надежностью сборной шины MV трансформаторных подстанций HV, но они требуют дополнительных капиталовложений и вызывают дополнительные потери.
Вариант AIS с напряжением 10 кВ требует 6 параллельных кабелей от ВН до спутниковой станции, вариант 20 кВ, требующий 4 кабеля. Эти спутниковые шины, такие как сборные шины MV подстанций высокого напряжения, подают питание на подстанции МВ через открытые контуры.
Вернуться к Проекту вариантов сети AIS / GIS ↑
Ссылки // Вернер Циммерманн, Андре Остерхольт и д-р Юрген Бэкес (ABB Calor Emag Schaltanlagen AG)