//Электрика. – 2008. – № 5.– С. 3–8.

ПРАКТИКА ВНЕДРЕНИЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ОАО "ММК"

В. Г. Даниленко, Н. А. Николаев, А. Ю. Коваленко

ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат"

За последние несколько лет в ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат" (ОАО "ММК") выполнены большие работы по развитию и реконструкции целого ряда заводских подстанций и электрической сети напряжением 110 кВ, в конфигурацию которой внесены существенные изменения. Необходимость внедрения схемотехнических решений следовала из проявившегося несоответствия технических параметров и состояния сетевого хозяйства предприятия требованиям к электроснабжению современных металлургических агрегатов, о сооружении которых было заявлено комбинатом в планах широкой модернизации. Замена физически изношенного и морально устаревшего оборудования такими энергоёмкими агрегатами как две дуговые электросталеплавильные печи (рабочим объёмом 180 т каждая), четыре дуговые электропечи типа "печь-ковш", три сортовых и один листовой станы, установки полимерного покрытия и оцинкования металлических изделий, агломерационные машины, вращающиеся печи по обжигу известняка и доломита и др., сопровождалась полуторакратным ростом электрической нагрузки предприятия. Собственное производство электроэнергии и рабочая мощность заводских электростанций также увеличились в 1,5 раза благодаря вводу в эксплуатацию четырёх новых турбогенераторов мощностью 30–40 МВт, замене старого теплотехнического оборудования на современное и более мощное, строительству миниТЭЦ на базе котельной цеха улавливания коксохимических продуктов и небольшой (15 МВт) электростанции на основе пароперегревающей установки кислородно-конвертерного цеха.

В результате значительного смещения центров нагрузки относительно местных источников электрической энергии, которого в прежней системе электроснабжения не было, выросли потоки активной и реактивной мощности по замкнутой сети комбината напряжением 110 кВ (рис. 1, а). Однако не все участки оказались готовы к передаче электроэнергии в бóльших объёмах.

Рис. 1. Сеть напряжением 110 кВ ОАО "ММК":

а – единая замкнутая сеть до разделения; б – после разделения на два независимых района

Поэтому пропускная способность сети между Центральной электростанцией (ЦЭС) и ТЭЦ была увеличена в ходе реконструкции двухцепной ЛЭП с заменой проводов на бóльшие сечения. Другой участок сети – двухцепная ЛЭП между ЦЭС и подстанцией ПС 30 с отпайкой на ПС 96 – усилен двумя дополнительно построенными ЛЭП, одна из которых непосредственно связывает электростанцию с узловой подстанцией, а другая проложена с заходом на ПС 87. Появление новых контуров и параллельных ветвей, увеличение сечения проводов отдельных ЛЭП сделали заводскую замкнутую сеть ещё более концентрированной; её эквивалентное сопротивление существенно уменьшилось относительно точек примыкания к сетям 220 кВ регионального предприятия ОАО "ФСК ЕЭС".

Нежелательным следствием увеличения генерирующей мощности заводских электростанций и пропускной способности сети явился весьма заметный прирост токов КЗ. Токи трёхфазного КЗ достигли значений 39–45 кА практически во всех точках сети, максимально приблизившись к отключающей способности выключателей, с особой остротой поставив задачу поиска эффективных способов их снижения. Одно из возможных решений – приобретение и замена в течение короткого промежутка времени нескольких десятков выключателей в РУ-110 кВ электростанций и подстанций комбината – характеризуется высокой капиталоёмкостью.

Требует незамедлительного решения и другая, не менее актуальная проблема: внезапные остановки технологического процесса одновременно в большинстве цехов предприятия при коротком замыкании, произошедшем в любой точке сети 110 кВ. Причина – в кратковременном и глубоком снижении напряжения, охватывающем всю заводскую сеть. Провалы напряжения распространяются по системе электроснабжения до уровня сетей 380/220 В, разрушая рабочее состояние устройств управления электрическими двигателями и, тем самым, вызывая обесточивание и остановку электроприводов металлургических агрегатов [1]. Развитие такой нештатной ситуации в цехе нередко сопровождается механическими повреждениями оборудования и выпуском бракованной продукции. Последующий запуск в работу, настройка электромеханического оборудования и вывод производственного процесса на плановые показатели занимают от 15 до 45 минут и более.

Отрицательные последствия от подобных аварий, происходящих 5–15 раз в год, ощущает на себе не только ОАО "ММК", но и другие промышленные предприятия г. Магнитогорска. Глубокое снижение электрической нагрузки комбината, оцениваемое в 100–250 МВт, протекает за очень короткое время. Оно негативно отражается на параметрах потокораспределения в магистральных сетях региональной энергосистемы и создаёт дополнительные трудности диспетчерскому центру Челябинского РДУ (ЧРДУ) при оперативно-диспетчерском управлении технологическими режимами в юго-западной операционной зоне обслуживания.

Первые меры, принятые с целью уменьшения уровня токов КЗ в сети 110 кВ, сводились к отключению одного из двух автотрансформаторов напряжением 220/110 кВ на узловых ПС 30, ПС 60, ПС 77 и ПС 90. Они обеспечивали снижение токов КЗ на 2–4 кА и носили временный характер. Основная же идея, реализация которой могла бы существенно разрешить обе проблемы электроснабжения, состояла в делении сложнозамкнутой сети 110 кВ комбината на две отдельные сети с простой конфигурацией в форме замкнутого контура. Электрическая связь между ними сохранялась бы только через сети напряжением 220 кВ.

Анализ фактических режимов потокораспределения активной и реактивной мощности и напряжения, расчёты установившихся режимов и токов КЗ по всему набору возможных графов построения схемы позволили предварительно определить место деления сложнозамкнутой сети. Одно размыкание предполагалось выполнить на участке между ПС 60 и ПС 90 с сохранением питания ПС 88 от ПС 60. Вторую точку разделения фиксировали на участке сети между ЦЭС и ПС 64. Выбор местоположения точек размыкания обоснован следующим.

· Энергетические параметры нормального установившегося режима потокораспределения по линиям "ТЭЦ–ПС 77", "ТЭЦ–ПС 90", "ЦЭС–ПС 30" и "ПС 30–ПС 60" изменятся. Но эти изменения будут незначительными, поскольку исходный режим работы отключаемой линии "ЦЭС–ПС 64" характеризуется средней нагрузкой в пределах 10–15 МВт на каждую цепь при разовых максимальных получасовых перетоках не более 25 МВт, а режим линии "ПС 90–ПС 88" (протяжённостью 13 км) близок к холостому ходу.

· В новой схеме каждая из электростанций (ТЭЦ и ЦЭС) сохранит связь с сетью 220 кВ региональной энергосистемы через две узловые подстанции: ТЭЦ – через ПС 77 и ПС 90, ЦЭС – через ПС 30 и ПС 60.

· Согласно расчётам, загрузка силового электрооборудования станций и подстанций, а также линий электропередачи напряжением 110 кВ не превысит номинальных и длительно допустимых значений в ремонтных и послеаварийных режимах. Сохраняются прежние уровни напряжения в узлах любой из замкнутых сетей.

· В распределительных сетях 6–10 и 0,4 кВ, расположенных вокруг ПС 90 и ПС 88, отсутствуют какие-либо схемные предпосылки для образования цепи протекания уравнительных потоков между двумя вновь образованными замкнутыми сетями 110 кВ. В сети 6–10 кВ, примыкающей к ЦЭС и ПС 64, они могут сформироваться в ходе проведения коммутационных переключений на некоторых подстанциях, но ожидаемые величины токов не превысят значений длительно допустимого тока для кабельных линий.

Идея снижения уровня токов КЗ путём разделения сложнозамкнутой сети на два простых контура и намеченные предложения по её воплощению получили официальное техническое обоснование в проекте "Корректировка схемы внешнего электроснабжения ОАО "ММК" на период до 2005 г.", выполненном в 2000 г. ОАО "Челябэнергосетьпроект" (г. Челябинск). Окончательное решение о проведении работ по преобразованию схемы замкнутых сетей ОАО "ММК" напряжением 110 кВ принято и закреплено протоколом по итогам процедуры согласования в Челябинском филиале ОАО "СО–ЦДУ ЕЭС".

Очередной этап внедренческой работы заключался в постановке натурного эксперимента, чтобы опытным путём проверить правильность выводов и убедиться в отсутствии каких-либо непредвиденных проявлений в параметрах будущих режимов потокораспределения. Схема сложнозамкнутой сети была на некоторое время приведена в соответствие с её новой проектной конфигурацией. Цель, задачи и программа эксперимента, содержание подготовительных работ, описание наиболее важных опытов и практические результаты были рассмотрены в [2].

Общий вывод из эксперимента однозначен – деление сложнозамкнутой сети комбината на два независимых контура допустимо. Режимы потокораспределения и уровни напряжения в сети с преобразованной конфигурацией (рис. 1, б) удовлетворяют техническим условиям эксплуатации оборудования подстанций и ЛЭП. Новая схема сети не создаёт дополнительных предпосылок для подачи рекламаций со стороны потребителей на качество электроснабжения. Материалы эксперимента легли в основу проекта "Схема развития электрических сетей 110 кВ и выше Магнитогорского энергоузла на период до 2007 г.", выполненного в 2005 г. институтом "Уралэнергосетьпроект" ОАО "Инженерный Центр Энергетики Урала" ОАО РАО "ЕЭС России" (г. Екатеринбург).

В техническом плане деление сети на две части не требует специального проведения каких-либо строительно-монтажных работ и может быть выполнено за короткое время – для этого на ЦЭС следует отключить линейные выключатели ЛЭП "ЦЭС–ПС 64" № 1 и 2, а на ПС 90 – аналогичные выключатели ЛЭП "ПС 90–ПС 88" № 1 и 2. Однако моменту окончательного отключения выключателей предшествует большая подготовительная работа:

· расчёты новых значений уставок релейной защиты и автоматики с целью приведения их в соответствие с пониженным уровнем токов КЗ в сетях (выполняются специализированной организацией);

· массовая перенастройка защит на подстанциях комбината и ОАО "ЧПМС";

· организационные мероприятия, связанные с разработкой, согласованием и утверждением в ЧРДУ программ производства коммутационных переключений на соответствующих подстанциях и станциях, а также с внесением изменений в технологические и должностные инструкции для диспетчерского и эксплуатационного персонала ТЭЦ, ЦЭС и цеха электрических сетей и подстанций ОАО "ММК".

Поэтому окончание работ было спланировано в сроки, установленные индивидуально для каждой точки разделения сети. Первое размыкание выполнено 18 мая 2007 г. – от ПС 90 отключена двухцепная ЛЭП "ПС 90–ПС 88". Последующая эксплуатация сети с частично преобразованной конфигурацией продолжалась в течение 2,5 месяцев. Наложение на схему дополнительных видоизменений, без которых невозможно сезонное производство ремонтных работ на сетевом и подстанционном оборудовании, не вызвало каких-либо затруднений по ведению режимов электроснабжения.

Окончательное разделение сложнозамкнутой сети комбината на две сети с простой конфигурацией произведено 7 августа 2007 г. при отключении на ЦЭС двух цепей ЛЭП "ЦЭС–ПС 64". Проделанная работа имела следующие положительные результаты.

1. Достигнуто существенное снижение токов КЗ в сети напряжением 110 кВ (табл. 1) за счёт внедрения малозатратных мероприятиятий. Токи одно- и трёхфазных КЗ на шинах РУ-110 кВ заводских электростанций (ТЭЦ и ЦЭС) уменьшились на 30–35 %. На узловых подстанциях токи трёхфазных КЗ снизились на 23–27 %, а однофазных – на 19–26 %. Максимальные значения токов трёхфазного (32,5 кА) и однофазного КЗ (35,7 кА) соответствуют уровню, характерному для замкнутой сети 110 кВ ОАО "ММК" в 1985–1988 гг. Число выключателей на подстанциях, подлежащих целенаправленной замене по причине недостаточной отключающей способности, сократилось до двух.

1. Токи короткого замыкания в сети напряжением 110 кВ, кА

Станция, подстанция	Трёхфазное КЗ		Однофазное КЗ
	сеть замкнута	сеть разомкнута	сеть замкнута	сеть разомкнута
ТЭЦ	43,4	27,7	41,6	26,2
ЦЭС	44,5	29,5	46,5	32,2
ПС 30	44,5	32,3	47,1	35,7
ПС 60	42,2	32,4	43,0	34,7
ПС 77	36,8	26,9	33,9	25,0
ПС 90	34,1	25,1	33,3	25,4

2. Новая схема сети 110 кВ комбината способствует уменьшению числа внеплановых простоев в цехах предприятия, поскольку ослабляет негативное воздействие провалов напряжения при КЗ, возникшем в одной сети, на режимные параметры другой. Положительный эффект достигнут за счёт размыкания всех ранее имевших место связей по ЛЭП 110 кВ. Единственная сохранившаяся электрическая цепь между этими сетями сейчас проходит только через сети 220/500 кВ мощной региональной энергосистемы.

Покажем, сколь заметно снизились риски одновременного простоя основных цехов комбината. На одной и той же ЛЭП 110 кВ № 2 "ПС 30–ПС 60" со стороны ПС 30 в разное время произошли два типичных однофазных КЗ: опасное приближение шлейфа фазы С воздушного участка линии во время неблагоприятных метеоусловий (1 мая 2007 г.); пробой изоляции соединительной муфты фазы В кабельного участка линии (8 августа 2007 г.).

В первом случае линия ещё входила в состав единой сложнозамкнутой сети, поэтому последствия от глубокого снижения напряжения проявились в форме простоев во всех технологических цехах, независимо от места подключения электроприёмников к сети. Длительность простоя агрегатов прокатного передела составила от 10 до 35 мин, а сортовой цех простоял больше – 1 ч 25 мин. За первые пять минут с начала аварии нагрузка ОАО "ММК" снизилась на 230 МВт, а её последующее восстановление до прежнего уровня продолжалось 40 мин.

К моменту возникновения второй аварии разделение сложнозамкнутой сети было выполнено в полном объёме. Теперь ЛЭП "ПС 30–ПС 60" являлась частью сети "ЦЭС–ПС 30–ПС 60", имеющей меньшие размеры. Цеха, чьи электропринимающие устройства подключены к этой сети, конечно же, остановились. Однако непрерывный технологический процесс в цехах, питающихся от сети "ПС 77–ТЭЦ–ПС 90", продолжался без каких-либо нарушений. Напряжение в этой сети снизилось не более чем на 10 %, что не представляло опасности для нормального функционирования электроприёмников. Нагрузка комбината уменьшилась всего на 48 МВт и была восстановлена в течение 20 мин.

Таким образом, риски внезапной остановки металлургических агрегатов электросталеплавильного цеха, станов горячего и холодного листового проката, сортопрокатных станов, цехов горно-обогатительного производства резко снизились.

Рис. 2. Токи в автотрансформаторах и ЛЭП 110 кВ (токи, указанные в скобках, соответствуют исходной схеме сети до разделения)

3. Преобразование схемы сложнозамкнутой сети не внесло существенных изменений в ранее сложившиеся токо- и потокораспределения. Иллюстрацией служит пример от 7 августа 2007 г., в котором сопоставлены токи в сети в двух установившихся режимах (рис. 2). Один из них приходится на время до разделения сети (9³⁰–10⁰⁰), а другой – после разделения (13⁰⁰–13³⁰). Параметры режимов зарегистрированы средствами АСДУ комбината с 30-минутным усреднением. В сравниваемых режимах близки (табл. 2) такие характеристики, как мощность генерации станций (активная и реактивная), и сальдовые значения мощности (обе составляющие полной мощности) поставки электроэнергии с оптового рынка энергии (ОРЭ) в Магнитогорский промышленный узел (МПУ).

2. Параметры режимов 7 августа 2007 г.

Источник поставки энергии	Полная мощность, МВА
	9^30–10^00	13^00–13^30
ОРЭ	501	518
Станции	616	614

Наблюдаемое увеличение токов в линиях сети "ЦЭС–ПС 30–ПС 60" и снижение практически на ту же величину токов в линиях сети "ПС 77–ТЭЦ–ПС 90" является, главным образом, следствием смены источника питания ПС 64 (с ЦЭС на ТЭЦ).

Произошедшие изменения в потокораспределении не могли не отразиться на величине потерь мощности и энергии. Для единого целого системного образования, состоящего из сетей 110 кВ ОАО "ММК" и сетей 220/500 кВ ОАО "ЧПМЭС", операция размыкания заводской сети, несомненно, ведёт к увеличению общих потерь. Вместе с тем выделенная из них доля, которая приходится на сети комбината, может при определённых условиях и уменьшиться. Так, в нашем примере потери мощности в линиях за интервал 13⁰⁰–13³⁰ оказались на 240 кВт меньше, чем за интервал 9³⁰–10⁰⁰. Причина – в отрицательной разности между значениями прироста и снижения потерь в линиях сети "ЦЭС–ПС 30–ПС 60" (токи в которых после деления сложнозамкнутой сети увеличились) и в линиях сети "ПС 77–ТЭЦ–ПС 90" (токи, направленные от ТЭЦ к ПС 77 и ПС 90, уменьшились).

Потери в автотрансформаторах узловых подстанций также снизились на 40 кВт, несмотря на увеличение потоков мощности и токов, протекающих через большинство групп точек поставки (ГТП) электроэнергии в МПУ. Причина – в уменьшении сопротивления связи заводской сети с энергосистемой при переходе на работу с двумя автотрансформаторами на каждой из подстанций. В исходной схеме сложнозамкнутой сети работа одного из двух автотрансформаторов (второй находился в состоянии холостого хода) служила средством некоторого ограничения токов КЗ

4. Разделение сложнозамкнутой сети комбината на две сети с простой конфигурацией сделало более строгим определение адресности приложения электрической нагрузки ОАО "ММК" и других предприятий г. Магнитогорска к соответствующим ГТП электроэнергии. Поэтому упростилась логика отнесения нагрузки того или иного цеха к конкретной точке поставки при составлении прогноза часовых объёмов покупки электроэнергии на ОРЭ для Магнитогорского промышленного узла, а также диспетчерские контроль и управление электропотреблением.

Преобразования замкнутых сетей ОАО "ММК" напряжением 110 кВ будут продолжены. В недалёком будущем предполагается внести изменения в конфигурацию сети "ЦЭС–ПС 30–ПС 60", замкнув контур ветвью между узлами ЦЭС и ПС 60. Линия "ЦЭС–ПС 62, ПС 85–ПС 60", проложенная по трассе двух одноцепных магистральных ЛЭП "ЦЭС–ПС 85–ПС 62" и "ПС 60–ПС 62–ПС 85" (см. рис. 1, б), обеспечит:

· создание второго прямого (без захода на ПС 30) канала связи ЦЭС с региональной энергосистемой;

· снижение токовой нагрузки на ЛЭП "ЦЭС–ПС 30" и "ПС 30–ПС 60", поскольку сформировалось устойчивое направление передачи активной мощности от ЦЭС к ПС 60, а для реактивной мощности – от ПС 60 к ЦЭС;

· устранение встречного потока мощности от ПС 60 к ПС 62, ПС 85;

· снижение потерь мощности и электроэнергии в сети за счёт оптимального потокораспределения между ЛЭП "ЦЭС–ПС 30–ПС 60" и ЛЭП "ЦЭС–ПС 62, ПС 85–ПС 60".

Задача прямого соединения ЦЭС с ПС 60 не могла иметь практического решения до завершения преобразования сложнозамкнутой сети в две простые. Преждевременное появление ЛЭП "ЦЭС–ПС 60" с заходом на ПС 62 и ПС 85 привело бы к дальнейшему увеличению и без того больших токов КЗ. С разделением сети на две независимые части все необходимые условия для её реализации подготовлены.

Выводы

Впервые в действующей системе промышленного электроснабжения использована практика конфигурационного упрощения схемы внутризаводских электрических сетей. Многоконтурная сложнозамкнутая сеть ОАО "ММК" напряжением 110 кВ физически разделена на две сети, каждая из которых имеет простую схему соединения узлов нагрузки с источниками питания.

Все поставленные цели такого преобразования достигнуты: снижены токи КЗ; повышена надёжность электроснабжения за счёт уменьшения влияния аварийных событий, произошедших в одной из сетей, на непрерывную работу цехов, питающихся от подстанций соседней сети; сокращены риски возникновения одновременного простоя большинства металлургических цехов комбината; улучшены условия диспетчерского ведения режимов потокораспределения в сетях предприятия.

Список литературы

1. Адамович А. Р., Коваленко А. Ю., Николаев Н. А., Славгородский В. Б. Схемотехнические решения для снижения влияния кратковременных нарушений электроснабжения на работу металлургических цехов //Электрика. 2004. № 1.

2. Славгородский В. Б., Адамович А. Р., Коваленко А. Ю. Эксперимент по преобразованию замкнутой сети 110 кВ ОАО "ММК" // Электрика. 2005. № 7.