• В каждой стране в процессе исторического развития энергетики сформировлись определенные технические решения в области распределения электроэнергии. В свою очередь компании, владеющие распределительными сетями, используют оборудование, отвечающее не только международным и национальным стандартам, но и собственным эксплуатационным требованиям. В результате распределительные сети каждой страны имеют свои отличительные черты.
  В материале, подготовленном Дмитрием Шамановым и Сергеем Соколовым, рассмотрены особенности распределительных сетей Финляндии.

Распределительные сети Финляндии
Особенности схемных решений

Подготовили
Дмитрий Шаманов, компания Ensto, г. Москва,
Сергей Соколов, «Новости ЭлектроТехники», г. Санкт-Петербург.
По материалам статьи Risto Vaittinen, Timo Ylinen «The Advanced Distribution System».

Существующие распределительные сети Финляндии сформировались в результате длительного сотрудничества производителей оборудования и сетевых компаний (как частных, так и муниципальных). Сетевые компании требовали от изготовителей активного участия в исследованиях работы оборудования и улучшении его эксплуатационных свойств.
Для оптимизации распределительных сетей принимались во внимание три основных фактора: эксплуатационные расходы, включая ремонт и обслуживание, надежность и безопасность. Таким образом, существующая система электроснабжения – результат применения проверенных практикой решений, обоснованных как с технической, так и с коммерческой точки зрения.

Номинальные напряжения
В уровнях используемых напряжений Финляндия придерживается стандартов МЭК с некоторыми дополнительными требованиями, заявленными в национальных стандартах SFS. В финских магистральных сетях передачи электроэнергии применяются следующие классы напряжения: 400, 220 и 110 кВ. При этом напряжение 220 кВ не используется для расширения сетей и нового строительства. Напряжения распределительных сетей – 20 кВ, 10 кВ и 400/230 В. Класс 10 кВ используется только в крупных городах. На рис. 1 представлена схема понижения напряжения и режимы заземления нейтрали силовых трансформаторов на центрах питания и непосредственно у потребителя.

Рис. 1
Напряжения и трансформаторные присоединения в сетях, используемых в Финляндии

Подстанции 110/20 кВ
Типовые схемы
В городах обычно используются двух или трехтрансформаторные подстанции 110/20 кВ с трансформаторами 25, 40 или 63 МВА. На стороне 110 кВ такие подстанции имеют двойную систему шин или одинарную систему с обходной системой шин. На стороне 20 кВ используется двойная система шин.
В сельской местности используются упрощенные, стандартизированные подстанции 110/20 кВ. На них установлены один или два трансформатора мощностью 16 или 25 МВА. На стороне 110 кВ однотрансформаторной подстанции (рис. 2) используется комбинация «разъединитель, заземлитель и силовой выключатель». В некоторых случаях такая схема дополняется обходным разъединителем, который позволяет выполнять ремонт и обслуживание силового вы-ключателя 110 кВ без отключения подстанции. На стороне 20 кВ сельские подстанции обычно имеют одинарную систему шин или одинарную с обходной систему шин.

Защиты трансформатора
Трансформаторы 110/20 кВ обычно оборудованы реле Бухгольца, тепловым реле, измеряющим температуру наиболее нагретой точки обмотки, тепловым реле масла, реле уровня масла, реле потока масла в переключателе РПН.
На стороне 110 кВ используются следующие виды релейных защит: трехфазная максимально-токовая защита с независимой выдержкой времени, резервная чувствительная максимально-токовая защита нулевой последовательности, дифференциальная защита (для трансформаторов 25 МВА и выше).
Кроме этих защит, на шинах 20 кВ используются групповые защиты от понижения частоты (АЧР), от понижения и повышения напряжения. Трансформаторы снабжены устройствами автоматического регулирования напряжения.

Тем не менее малые токи замыкания (например, при падении провода на снег) не могут быть выявлены направленными защитами. В связи с этим используется защита, состоящая из чувствительного реле напряжения, включенного на разомкнутый треугольник, собранный из вторичных обмоток трансформаторов напряжения на шинах 20 кВ подстанции. Такая защита не обладает селективностью и действует на сигнал или отключение выключателя ввода с выдержкой времени 5 с. Для повышения надежности электроснабжения на ВЛ 20 кВ используется двухкратное АПВ с выдержками времени: первой 0,3–0,5 с и второй 30–180 с.

Распределительные сети 20 кВ
Режим заземления нейтрали
В большей части финских сетей 20 кВ используются режим изолированной нейтрали и режим заземления нейтрали через дугогасящий реактор. Причиной выбора таких режимов заземления нейтрали является высокое сопротивление грунта, характерное для Финляндии. Среднее значение сопротивления грунта составляет 2300 Ом ·м, в то время как в Центральной Европе всего 50 Ом·м. Применение режимов изолированной и заземленной через дугогасящий реактор нейтрали обеспечивает лучшую чувствительность релейных защит к повреждениям через значительные переходные сопротивления (до нескольких кОм).
Ток однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью или дугогасящим реактором существенно ниже, чем в сетях с глухо заземленной нейтралью. В финских сетях 20 кВ ток однофазного замыкания (емкостный ток), как правило, составляет несколько десятков ампер, предельно 150 А. Благодаря такой величине тока напряжения прикосновения невелики, несмотря на то, что сопротивление грунта достаточно высокое. Мешающие влияния на телекоммуникационные сети при однофазных замыканиях в сетях 20 кВ также невелики благодаря малому току замыкания на землю.

Схема распределения
В сельской местности плотность нагрузки невелика и степень надежности электроснабжения, обеспечиваемая радиальной сетью древовидной структуры (рис. 3), довольно высока.
Главные питающие радиальный участок фидеры («ствол» дерева) обычно имеют двухстороннее питание с делением в некоторой точке (см. рис. 3). В точке раздела фидера установлен дистанционно управляемый выключатель нагрузки – разъединитель. В начале каждой «ветви» древовидной сети и через несколько километров по длине «ствола» установлены разъединители (см. рис. 3). Такое построение облегчает локализацию повреждения и обеспечивает секционирование сети. Разъединители могут быть оборудованы устройствами дугогашения, что позволяет коммутировать токи нагрузки, и дистанционным управлением, которое является одним из главных направлений автоматизации финских сетей 20 кВ.

Рис. 4
ВЛ 20 кВ с защищенными проводами

Конструкция ВЛ и КЛ 20 кВ
Воздушные линии 20 кВ с использованием защищенных или обычных сталеалюминиевых проводов выполнены исключительно на деревянных опорах. Все элементы ВЛ стандартизированы. Траверсы опор 20 кВ обычно изготавливаются из оцинкованной стали, хотя применяются и алюминиевые траверсы. Изоляторы ВЛ фарфоровые штыревого или подвесного типа. Штыревые изоляторы используются на прямых участках линий, подвесные и штыревые – в местах поворота линий на значительный угол, а также на концевых и секционирующих опорах. Совместно с защищенными проводами применяются и полимерные изоляторы.
В воздушных сетях 20 кВ отсутствует заземление траверс, т. е. опоры не имеют заземлителей, поскольку используется режим изолированной нейтрали (токи замыкания на землю невелики) и деревянные опоры. Такое решение значительно сокращает затраты на строительство линий.
В Финляндии первая ВЛ 20 кВ с защищенными проводами была введена в строй в 1976 г. Сейчас суммарная длина ВЛ с защищенными проводами составляет порядка 3500 км. Применение защищенных проводов позволяет исключить КЗ при схлестывании. Междуфазные расстояния таких ВЛ (рис. 4) в 3 раза меньше, чем для линий обычного исполнения.
Защищенные провода вместо голых используются там, где необходима большая надежность, или ограничены габариты, или необходима повышенная безопасность. Линии среднего напряжения с защищенными проводами – хорошая альтернатива неизолированным проводам также в целях защиты окружающей среды, так как не требуют широких просек. Эти линии хорошо противостоят механическим и электрическим повреждениям, вызванным падением деревьев на линию. Стоимость линий с защищенными проводами на 20% выше стоимости линий с обычными проводами, но в любом случае ниже стоимости кабельных линий.
Подземные кабели 20 кВ используются главным образом в городах. Места перехода КЛ в ВЛ защищены разрядниками или ОПН.

Рис. 5 Одностоечная трансформатор- ная подстанция

Рис. 6 Разъединитель с искровым промежутком и защитой от птиц

Рис. 7 Разъединитель с дуго- гасительными камерами

Рис. 8 Мачтовый рубильник 0,4 кВ

Понижающие подстанции 20/0,4 кВ
Понижающие подстанции 20/0,4 кВ имеют очень простую конструкцию: одностоечного или трехстоечного типа (рис. 5). Для электроснабжения потребителей используются только трехфазные трансформаторы.
Плавкие предохранители 20 кВ показали низкую надежность в эксплуатации, так как зачастую ложно перегорали и вызывали необоснованные отключения. Поэтому они были исключены из схем за счет использования более чувствительных и быстродействующих защит на стороне 0,4 кВ трансформатора.
Искровые промежутки, используемые для защиты трансформаторов 20/0,4 кВ, снабжаются защитой от перекрытия птицами и имеют длину 2х40 мм (рис. 6).
Согласно статистике, порядка 70% повреждений на ВЛ – это однофазные замыкания и большая их часть вызвана грозовыми перекрытиями искровых промежутков. Токи однофазных замыканий в сетях с изолированной нейтралью чисто емкостные. Их самогашение возможно при величине до 10 А. При большем токе дуга, горящая в искровом промежутке, устраняется в результате отключения силового выключателя на питающей подстанции и последующего АПВ. Перерыв питания в этом случае сос-тавляет 0,3–0,5 с. Такая система защиты трансформаторов широко используется уже в течение 30 лет и хорошо себя зарекомендовала.
На стороне 20 кВ понижающих подстанций 20/0,4 кВ используются простые и дешевые разъединители. Разъединители за счет наличия устройств гашения дуги могут отключать полностью нагруженный трансформатор мощностью до 500 кВА (рис. 7).
В процессе эксплуатации подстанций 20/0,4 кВ была изменена конструкция трансформаторов. В частности, был исключен расширительный бачок, что уменьшило число повреждений и облегчило транспортировку. Кроме того, из конструкции трансформаторов был изъят переключатель ПБВ, что повысило надежность трансформаторов и снизило их стоимость.
Защита на стороне 0,4 кВ понижающих подстанций также отрабатывалась на прак-тике. Отдельный автоматический выключа-тель имеет высокую стоимость, чувствите-лен к влаге, пыли, изменениям температу-ры. Исходя из этого, для защиты от КЗ используются мачтовые рубильники (разъединитель в комбинации с предохранителем) (рис. 8), установленные на опоре и управляемые с земли штангой. При использовании мачтовых рубильников число отходящих присоединений 0,4 кВ может быть легко увеличено путем монтажа дополнительного количества таких устройств. При этом ток нагрузки и номинальный ток предохранителей каждого присоединения может быть снижен, что улучшит чувствительность и селективность защиты от КЗ.
Финские сетевые компании справедливо считают, что чем проще конструкция понижающих ТП 20/0,4 кВ, тем более экономично их использование и выше надежность. Простая и надежная понижающая подстанция малой мощности может быть приближена непо-средственно к потребителю. При этом резко сокращается протяженность сети 0,4 кВ и существенно снижаются потери.
Трансформаторы 20/0,4 кВ малой мощности (16 кВА) могут присоединяться глухой отпайкой без коммутационного аппарата на стороне ВН. Разъединитель в этом случае монтируется в точке присоединения отпайки к главному питающему фидеру участка радиальной сети («стволу» древовидной сети на рис. 3).
Обычно понижающие трансформаторы 20/0,4 кВ не имеют защиты от перегрузки. Перегрузка предотвращается выбором трансформатора достаточной мощности и дистанционным измерением потребления электроэнергии по каждой ТП. Кроме того, при реализации концепции питания каждого отдельного потребителя от собственной ТП малой мощности увеличение потребляемой мощности ограничивается пропускной способностью трансформатора 20/0,4 кВ. Такое решение исключает «ползучий» рост нагрузки, когда невозможно установить виновника возникающих перегрузок и посадок напряжения.
В кабельных сетях 20 кВ используются малогабаритные ТП 20/0,4 кВ киоскового типа. Такие ТП поступают потребителю от одного производителя как законченное решение, обеспечивающее быстрый монтаж и подключение. Сейчас наблюдается тенденция интеллектуализации киосковых ТП (дистанционное управление коммутационными аппаратами, измерения, определение пути тока КЗ).

В следующем номере журнала авторы расскажут об особенностях финских распределительных сетей 0,4 кВ.