Общие сведения об энергетических системах
Лекция 1. Общие сведения об энергетических системах
Электроснабжение промышленных, коммунальных и других потребителей производится от электрических станций, вырабатывающих электроэнергию. Электрические станции могут находиться вблизи потребителей либо удалены на значительные расстояния. В обоих случаях передача и распределение электрической энергии осуществляется по проводам электрических линий. Накапливать электрическую энергию в больших количествах сегодня практически нельзя, поэтому с помощью современных автоматических средств управления постоянно поддерживается равновесие между вырабатываемой и потребляемой электрической энергией.
Когда потребители удалены от электрических станций, передачу электроэнергии осуществляют на повышенном напряжении. Тогда между электрической станцией и потребителями сооружаются повышающие и понижающие (преобразовательные) подстанции.
Гидроэлектростанции (сооружаемые на створах рек) редко располагаются у крупных центров нагрузки. Тепловые электростанции выгодно располагать вблизи залежей топлива. Крупные электрические станции связываются с центрами нагрузок линиями электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения. Исключение могут представлять отдельные промышленные электрические станции небольшой мощности или теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). ТЭЦ могут быть и крупными, но располагаются они вблизи потребителей, т.к. передача пара и горячей воды обычно осуществляется на относительно небольшие расстояния.
Совокупность электростанций, линий электропередач, подстанций и тепловых сетей, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии называется энергетической системой (энергосистемой).
Часть энергетической системы, состоящая из генераторов, распределительных устройств, повысительных и понизительных подстанций, линии энергетической сети и приемников электроэнергии, называется электроэнергетической системы (ЭЭС).
Электрическими сетями называются части электроэнергетической системы, состоящие из подстанций и линий электропередачи постоянного и переменного тока различных напряжений. Электрическая сеть служит для передачи и распределения электрической энергии от места ее производства к местам потребления.
Важными характерными свойствами ЭЭС являются: одновременность процессов производства, распределения и потребления электрической энергии (выработка электрической энергии жестко определяется ее потреблением и наоборот).
Преобразование и передача энергии происходит с потерями энергии во всех элементах ЭЭС.
Рекомендуемые материалы
Необходимо своевременно развивать ЭЭС, ее рост должен опережать рост потребления энергии.
Отдельные энергетические системы связываются между собой электрическими сетями и это объединение их называется объединенной энергетической системой (ОЭС).
ОЭС могут охватывать значительные территории и даже всю страну.
Преимущества ОЭС:
1. Уменьшение величины суммарного резерва мощности.
2. Наилучшее использование мощности ГЭС одной или нескольких электроэнергетических систем и повышения их экономичности.
3. Снижение суммарного максимума нагрузки объединяемых электроэнергетических систем.
4. Взаимопомощь систем в случае неодинаковых сезонных изменений мощности электрических станций и в частности ГЭС.
5. Облегчение работы систем при ремонтах и авариях.
В настоящее время применяются стандартные номинальные (междуфазные) напряжения трехфазного тока частот 50 Гц в диапазоне 6-1150 кВ, а также напряжения 0,66; 0,38(0,22) кВ.
Стандартные “U” для сетей и приемников электрической энергии:(3), 6,10,20,35,110,(150),220,330,550,750,1150 кВ
(Напряжения 0,22; 3; 150 не рекомендуется для вновь проектируемых сетей). Для генераторов применяют Uном 3-21 кВ.
Передача электрической энергии от электрических станций по ЛЭП чаще всего осуществляется на напряжениях 110-1150 кВ, т.е. значительно превышающих напряжения генераторов.
Классификация электрических сетей
Классификация электрических сетей может осуществляться:
· По роду тока
· По номинальному напряжению
· Конфигурации схемы сети
· По выполняемым функциям
· По характеру потребителя
· По конструктивному выполнению
По роду тока различают сети переменного и постоянного тока:
ЛЭП постоянного тока применяются для дальнего транспорта электрической энергии и связи электрических сетей с разными номинальными частотами или с различными подходами к регулированию при одной номинальной частоте (вставки линии постоянного тока или нулевой длины). В России ЛЭП постоянного тока почти не используется (Волгоград-Донбасс на 800 кВ, 376 км).
Для связи с другими странами применяют вставки из линий постоянного тока. За рубежом в разных странах существует несколько десятков ЛЭП постоянного тока, среди которых самой мощной является Итайпу-Сан Паулу (Бразилия) с номинальным напряжением 1200 кВ, длиной 783 км и пропускной способностью 6,3 млн кВт.
ЛЭП переменного трехфазного тока используется повсеместно. В России такая линия впервые была построена в 1922 г. (110кВ). Рост номинального напряжения ЛЭП напряжением переменного тока шел примерно с интервалом 15 лет. Первые экспериментальные участки ЛЭП-1150 кВ были построены в 1985 г.
Каждая сеть характеризуется номинальным напряжением. Различают номинальные напряжения ЛЭП, генераторов, трансформаторов и электроприемников.
Номинальное напряжение генераторов по условию компенсации потерь напряжения в сети принимают на 5% выше номинального сетевого напряжения. Номинальные напряжения обмоток трансформатора принимают равными номинальному напряжению сети или на 5% выше в зависимости от вида трансформатора и напряжения сети.
По величине номинального напряжения сети подразделяются:
1. на сети низкого напряжения (НН) – до 1000 кВ;
2. среднего напряжения (СН) – 3…35 кВ;
3. высокого напряжения (ВН) – 110…220 кВ;
4. сверхвысокого напряжения (СВН) – 330-750 кВ;
5. ультравысокого напряжения (УВН) – свыше 1000 кВ.
По конфигурации электрические сети различают:
1. Разомкнутые;
2. Разомкнутые резервированные;
3. Замкнутые.
Разомкнутыми называют такие сети, которые питаются от одного пункта и передают электрическую энергию к потребителю только в одного направлении. Разомкнутые сети бывают магистральными, радиальными и радиально-магистральными (разветвленными). В разомкнутых резервированных сетях при нарушении питания по одной из ЛЭП вручную или автоматически включается резервная перемычка, по которой восстанавливается электроснабжение отключенных потребителей. Замкнутыми называют сети, питающие потребителей по меньшей мере с двух сторон.
Виды схем: а- магистраль; б- линия с равномерно распределенной нагрузкой; в- радиальная схема; г- радиально-магистральная схема.
Магистралью называется линия с промежуточными отборами мощности вдоль линии. В предельном случае с увеличением числа нагрузок получается линия с равномерно распределенной нагрузкой, т.е. плотность нагрузки на единицу длины одинакова для любого участка. Радиальные линии исходят из одной точки сети.
Замкнутыми сетями называются сети, имеющие контуры (циклы), образованные ЛЭП и трансформаторами.
 |
Примеры замкнутых электрических сетей:
а- сеть одного напряжения; б- сеть двух напряжений.
К замкнутым сетям относятся также сети, имеющие несколько источников питания. Одной из таких схем является так называемая линия с двухсторонним питанием.
Пример замкнутых электрических сетей, имеющих несколько источников питания:
По выполняемым функциям различают:
1. Системообразующие сети;
2. Питающие сети;
3. Распределительные сети.
Системообразующие сети напряжением 330-1150 кВ осуществляют функции формирования объединенных энергосистем, объединяя мощные электрические станции и обеспечивая их функционирование как единого объекта управления и одновременно обеспечивают передачу электрической энергии от мощных электрических станций. Эти сети осуществляют системные связи, т.е. связи очень большой длины между энергосистемами. Их режимом управляет диспетчер объединенного диспетчерского управления (ОДУ). В ОДУ входят несколько районных энергосистем – районных энергетических управлений (РЭУ).
Питающие сети предназначены для передачи электрической энергии от ПС системообразующей сети и частично от шин 110-220 кВ электрических станций к центрам питания (ЦП) распределительных сетей – районным ПС.
Питающие сети обычно замкнутые. Напряжение этих сетей ранее было 110-220 кВ. По мере роста нагрузок, мощности электрических станций и протяженности электрических сетей увеличивается напряжением сетей. В последнее время напряжение питающих сетей иногда бывает 330-500 кВ. Сети 110-220 кВ обычно административно подчиняются РЭУ. Их режимом управляет диспетчер РЭУ.
Распределительная сеть предназначена для передачи электрической энергии на небольшие расстояния от шин низшего “U” районных ПС к промышленным, городским, сельским потребителям. Такие распределительные сети обычно разомкнутые или работают в разомкнутом режиме.
Различают распределительные сети высокого (Uном>1кВ) и низкого (U<1кВ) напряжения.
По месту расположения и характеру потребителя различают сети:
1. Промышленные;
2. Городские;
3. Сельские;
4. Электрифицированных железных дорог;
5. Магистральных нефте- и газопроводов.
Ранее такие сети выполнялись с напряжением 35 кВ и меньше, а в настоящее время – до 110 и даже 220 кВ. Преимущественное распространение в распределительных сетях имеет напряжение 10 кВ, сети 6 кВ применяются реже. Напряжение 35 кВ широко используется для создания центров питания сетей 6,10 кВ в основном в сельской местности. Передача эл. энергии на напряжении 35 кВ непосредственно потребителям, т.е. трансформация 35/0,4 кВ используется реже.
Для электроснабжения больших промышленных предприятий и крупных городов осуществляется глубокий ввод высокого напряжения, т.е. сооружение подстанций с первичным напряжением 110-500 кВ вблизи центров нагрузок.
Сети внутреннего электроснабжения крупных городов – это сети 110 кВ, в отдельных случаях к ним относятся глубокие вводы 220/10 кВ.
Сети с/х назначения выполняют на напряжении 0,4-110 кВ.
По конструктивному выполнению различают сети:
1. Воздушные;
2. Кабельные;
3. Токопроводы промышленных предприятий;
4. Проводки внутри зданий и сооружений.
Управление эл. системами
Имеет три основных аспекта:
1. Оперативное (диспетчерское) управление, проводимое в разрезе отдельных суток и сезонов года
2. Хозяйственное управление в течение года
3. Управление развитием систем в многолетнем плане.
Управление электроэнергетическими системами различают по трем признакам:
· Технологическому
· Территориальному, характеризующими реальную систему как объект управления
· Временному, соответствующему задачам управления, изменяющимся во времени.
Районные энергосистемы образуются на территории какого-либо района – облати, края, автономии и т.п. и посредством межсистемных связей образуют объединенные энергетические системы (ОЭС), которые, в свою очередь, образуют Единую энергосистему России (ЕЭС России). Единая энергетическая система России является самой крупной системой мира.
В ее составе имеются ОЭС:
Центра, Северо-Запада, Среднего Поволжья, Северного Кавказа, Урала, Сибири, Востока.
Характеристики оборудования линий электропередач и подстанций
Воздушные линии электропередач (ВЛ) предназначены для передачи электроэнергии на расстояние по проводам. Основными конструктивными элементами ВЛ являются провода, тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура. Провода служат для передачи электроэнергии. В верхней части опор над проводами для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений монтируют грозозащитные тросы.
Опоры поддерживают провода и тросы на определенной высоте над уровнем земли или воды. Изоляторы изолируют провода от опоры. С помощью линейной арматуры провода закрепляются на изоляторах, а изоляторы на опорах.
В некоторых случаях провода ВЛ с помощью изоляторов и линейной арматуры прикрепляются к кронштейнам инженерных сооружений.
Наибольшее распространение получили одно- и двухцепные ВЛ. Одна цепь трехфазной ВЛ состоит из проводов разных фаз. Две цепи могут располагаться на одних и тех же опорах.
На работу конструктивной части ВЛ оказывают воздействие механические нагрузки от собственного веса проводов и тросов, от гололедных образований на проводах, тросах и опорах, от давления ветра, а также из-за изменений температуры воздуха. Из-за воздействия ветра возникает вибрация проводов (колебания с высокой частотой и незначительной амплитудой), а также пляска проводов (колебания с малой частотой и большой амплитудой). Указанные выше механические нагрузки, вибрация и пляска проводов могут приводить к обрыву проводов, поломке опор, схлестыванию проводов либо сокращению их изоляционных промежутков, что может привести к пробою или перекрытию изоляции. На повреждаемость ВЛ влияет и загрязнение воздуха.
Провода воздушной линии электропередач
На воздушных линиях применяются неизолированные провода, т.е. без изолирующих покровов. Эти провода изготавливают из меди, алюминия и стали без изолирующих покровов. Их применяют главным образом в воздушных сетях, где они подвешиваются к специальным опорам с помощью арматуры и изоляторов, но иногда и во внутренних сетях.
Медь обладает наименьшим удельным электрическим сопротивлением 18 Ом×мм2/км при 20°C. Медь по сравнению с алюминием является более дорогим и дефицитным металлом, поэтому в настоящее время новых воздушных линий с медными проводами не сооружают.
Алюминий обладает в 1,6 раза большим удельным электрическим сопротивлением 29,5 Ом×мм2/км при 20°C.
Сталь обладает значительно более высоким удельным сопротивлением, которое зависит от ее сорта, способа изготовления провода и от величины тока, проходящего по нему. Для предотвращения окисления стальные провода оцинковываются. Стальные провода применяют редко при сравнительно малых нагрузках, характерных для сельских сетей. В отдельных случаях вследствие высокой механической прочности стальные провода применяют при выполнении переходов воздушных линий через широкие реки и другие препятствия.
По конструктивному выполнению различают однопроволочные и многопроволочные провода. Последние часто бывают комбинированными – из алюминия и стали. На линиях иногда применяют расщепление проводов: подвешивают одновременно по несколько проводов на фазу.
Однопроволочный провод состоит из одной круглой проволоки. Многопроволочный провод свивается из отдельных круглых проволок диаметром 2-3 мм. При увеличении сечения провода число проволок возрастает.
Однопроволочные провода дешевле многопроволочных, однако, они мене гибки и имеют меньшую механическую прочность.
В сталеалюминиевых проводах внутреннюю жилу (сердечник провода) выполняют из стали, а верхние из алюминия. Стальной сердечник предназначен для увеличения механической прочности провода; алюминий является токопроводящей частью. Хотя сечение стальной части в среднем в 5 раз меньше сечения алюминиевой части, стальная часть воспринимает около 40% всей механической нагрузки. Сталеалюминиевые провода широко применяют в сетях напряжением 35 кВ и выше.
В марке провода буквой отмечается его материал: медные М, алюминиевые А, сталеалюминиевые АС, стальные однопроволочные ПСО, стальные многопроволочные провода ПС. В обозначении марки провода вводится номинальное сечение алюминиевой части провода и сечение стального сердечника, например АС-120/19.
Провода воздушных линий соединяют при помощи специальных зажимов путем обжатия или опрессования. Концы проводов соединяют термитной сваркой. Посредством термитной сварки создают цельнометаллическое соединение, не изменяющее с течением времени своих электрических характеристик и имеющее хорошие механические характеристики.
Изолированные провода имеют внешние изолирующие, а иногда и защитные покровы. Они используются в основном для внутренних сетей. Токоведущие жилы проводов выполняют из круглой медной или алюминиевой проволоки. Изготавливают одно-, двух-, трех-, четырехжильные и многожильные провода.
Кабелем называют многопроволочный провод или несколько скрученных вместе взаимно изолированных проводов (жил) при выполнении в общей герметической оболочке. Поверх оболочки могут быть наложены защитные покровы. Силовые кабели предназначены для прокладки в земле, под водой, на открытом воздухе и внутри помещений.
Силовые кабели напряжением до 35 кВ включительно изготавливают главным образом с изоляцией из плотной бумаги, пропитанной специальной кабельной массой (компаундом). Применяют также кабели с резиновой и пластмассовой изоляцией. Токоведущие жилы изготавливают из медных или алюминиевых проволок для уменьшения размеров выполняют секторной формы и между отдельными жилами вставляют специальные жгутики – заполнители из джута. Поверх изоляции кабель опрессовывают бесшовной оболочкой из алюминия или свинца для того, чтобы в изоляцию не попадала влага из воздуха. Для кабелей напряжением до 1 кВ применяют также оболочки из пластмасс.
Для защиты от механичечских повреждений кабель покрывают броней из стальной ленты. Между металлической оболочки кабеля и броней и поверх брони накладывают покровы из джута, пропитанные антикоррозионными составами. В воздухе прокладывают кабели без наружного джутового покрова. Для прокладки в туннелях и других местах, опасных в пожарном отношении, применяют специальные кабели с негорючими защитными покровами. Наибольшее распространение имеют кабельные линии 6-10 кВ, реже 35кВ. Кабельные линии 110 и 220 кВ не получили пока широкого применения, ч то в основном объясняется значительно большей стоимостью кабельных линий по сравнению с воздушными. Кабельные линии 6-35 кВ в 2-3 раза дороже воздушных, а кабельные линии 110 кВ дороже воздушных в 5-8 раз.
При напряжении 35 кВ используются также газонаполненные кабели с избыточным давлением инертного газа (обычно азота). В таких кабелях практически исключены деформации оболочки и образование пустот из-за значительно большого температурного коэффициента линейного расширения кабельной массы по сравнению с температурным коэффициентом линейного расширения кабельной бумаги.
В марке кабеля указывают число и сечение жил кабеля. Например, СБ-3´95 означает освинцованный двумя стальными лентами трехжильный кабель с медными жилами сечением 95 мм2 , с наружным джутовым покровом; СБГ-3´95 означает такой же кабель, но без наружного джутового покрова; АСБГ – освинцованный бронированный кабель с алюминиевыми жилами без наружного джутового покрова; ААБГ – кабель с алюминиевыми жилами в алюминиевой оболочке.
Типы трансформаторов и их характеристики
Силовые трансформаторы предназначены для преобразования электроэнергии переменного тока с одного напряжения на другое. Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12–15 % ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20–25 % меньше, чем в группе однофазных трансформаторов такой суммарной мощности.
Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается массой, размерами, условиями транспортировки.
Каждый трансформатор имеет условное буквенное обозначение, которое содержит следующие данные в следующем порядке:
1.Число фаз (для однофазных – О, для трехфазных – Т);
2.Вид охлаждения – С – естественное воздушное (при открытом исполнении),
СЗ – естественное воздушное (при защищенном исполнении),
СГ – естественное воздушное (при герметизированном исполнении),
СД – естественное воздушное (с принудительной циркуляцией воздуха),
М – естественное масляное,
Д – масляное охлаждение с дутьем и естественной циркуляцией масла,
ДЦ – масляное охлаждение с дутьем и принудительной циркуляцией масла через воздушные охладители,
НДЦ – то же с направленным потоком масла,
Вместе с этой лекцией читают "6.2 Сложные эфиры карбоновых кислот, их производные".
Ц – масляно-водяное охлаждение с принудительной циркуляцией масла,
НЦ – масляно-водяное охлаждение с направленным потоком масла;
3.Число обмоток, работающих на различные сети (если оно больше двух):для трехобмоточного трансформатора Т; для трансформатора с расщепленными обмотками Р (после числа фаз);4.Буква Н в обозначении при выполнении одной из обмоток с устройством РПН;5.Буква А на первом месте для обозначения автотрансформатора.
За буквенным обозначением указывается номинальная мощность, кВА; класс напряжения обмотки (ВН); климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150–69 и ГОСТ 15543–70.
Трансформаторы с расщепленной обмоткой имеют в своем обозначении букву Р, которая ставиться после буквы, обозначающей число фаз, например, ТРДЦН–100000/220.
В обозначении трехобмоточных трансформаторов имеется буква Т, стоящая после обозначения системы охлаждения, например ТДТН– 40000/110.
