l34 (Лекции)

14. Элементы электроэнергетических системОсновные термины и определения. Вращающееся магнитное поле14.1.Электроэнергетической системой (ЭЭС) называется совокупность электростанций,электрических сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима внепрерывном процессе производства, преобразования, распределения и потребленияэлектроэнергии. Отдельные звенья электроэнергетической системы могут быть удаленыдруг от друга на сотни километров, но все элементы системы взаимно связаны ивзаимодействуют, образуя единый механизм.

Энергия, произведенная в системе, равнаэнергии, потребленной в ней. При снижении мощности электростанций автоматическиснижается потребляемая мощность, и наоборот. Преобразование и передача энергиипроисходит во всех элементах системы и сопровождается потерями энергии. Всепроцессы, связанные с короткими замыканиями, включениями, отключениями,нарушениями устойчивости в электроэнергетической системе совершаются в течениедолей секунд и требует применения специальных автоматических устройств - аппаратовзащиты от перенапряжений, релейной защиты, автоматических регуляторов,автоматических выключателей и т.д.Электрическая сеть как частьэлектроэнергетической системы обеспечивает возможность выдачи мощностиэлектростанций, ее передачу на расстояние, преобразования на подстанциях и еераспределение до конкретных приемников.

Все элементы электроэнергетических системпроектируются для работы при определенном напряжении. Эти напряжения называютсяноминальными и соответствуют линейным значениям напряжений трехфазной системыпеременного тока. В настоящее время для электрических сетей стандартизированы четыренапряжения меньше 1 кВ и двенадцать напряжений выше 1 кВ (Табл. 14.1).Таблица 14.1. Стандарты напряжений электрических сетей12345 6789101112низкие (НН)напряжения,[В]средние (СН)напряжения,[кВ]высокие (ВН)напряжения,[кВ]МестныеМестныеРайонные131415сверхвысокие(СН)напряжения,[кВ]40 220 380 660 3 6 10 20 35 110 150 220 330 500 750РаспределительныеРаспределительные16ультравысокие (УВН)напряжения,[кВ]1150РегиональныеСистемообразующиеМеханизм такого "автоматизма", конечно, более сложен и происходит за счет других изменений в системе.В любой момент времени соблюдается баланс мощности, т.е.

равенство генерируемой и потребляемоймощности. Если при изменении генерируемой или потребляемой мощности возникает "небаланс", то балансавтоматически восстанавливается за счет изменения частоты и напряжения. Потребляемая мощностьстановится равной генерируемой мощности, так как в соответствии со статическими характеристикаминагрузки мощность нагрузки меняется с изменением частоты и напряжения. Это обстоятельство требуетспециальных мер по регулированию частоты и напряжения в системе, так как эти изменения могут бытьсущественными и не допустимыми.По конструкции сети делятся на внутренние проводки (до 1 кВ), кабельные (до 500кВ) и воздушные (до 750-1150 кВ).Основными элементами ЭЭС являются генераторы, трансформаторы, двигатели,линии электропередачи и потребители электроэнергии:асинхронные двигатели - двигатели, частота вращения которых определяетсячастотой напряжения сети и механической нагрузкой;воздушная линия передачи- линия электропередачи, провода которойподдерживаются над землей с помощью опор, изоляторов;гидрогенератор - электрический генератор с частотой вращения, зависящей отугловой скорости гидравлической турбины (как правило, 600 об/мин и ниже);двигатель - электрическая машина, преобразующая электрическую энергию вмеханическую;кабельная линия электропередачи - линия электропередачи, выполненная однимили несколькими кабелями, прокладываемыми непосредственно в земле или в различныхкабельных сооружениях (коллектор, туннель, шахта, кабельная камера);линия электропередачи (ЛЭП) - электроустановка, предназначенная для передачиэлектрической энергии между элементами ЭЭС;потребитель электроэнергии - группа электроприемников, объединенных общимтехнологическим производством и расположенных на общей территории;синхронный генератор - генератор с постоянной частотой вращения ротора;трансформатор - электромагнитный статический преобразователь энергии, имеющийдве или более индуктивно связанные обмотки и предназначенный для изменениянапряжения;турбогенератор - электрический генератор, приводимый во вращение паровой илигазовой турбиной;электрическая машина - устройство для взаимного преобразования механической иэлектрической энергий;электроприемник - электрическая машина, аппарат или комплекс, преобразующиеэлектрическую энергию в иные виды энергии.Под главной схемой электрических соединений электростанции (подстанции)понимают совокупность основного оборудования (генераторы, трансформаторы, линиипередачи), сборных шин, коммутационной и другой аппаратуры со всеми соединениямимежду ними; схема, показывающая взаимное соединение, взаимодействие элементовсхемы в различных режимах (в т.ч.

аварийных), резервирование элементов и т.д.Расчеты параметров установившихся режимов ЭЭС, устойчивости режимов, расчетыпереходных режимов (например, токов короткого замыкания) базируются на теориицепей. Для выполнения расчетов прежде всего необходимо построить математическуюмодель элемента ЭЭС. Под математической моделью элемента понимается системауравнений, их коэффициентов (параметров) и равенств, описывающих определенноесостояние или процесс в элементе. Огромное количество элементов реальных устройствЭЭС (электрических машин, трансформаторов, линий электропередач и т.д.)обусловливает сложный характер их математических моделей.

Чем сложнее элемент ипроцессы, протекающие в этом элементе, тем сложнее математическая модель. Нетуниверсальных математических моделей. В большинстве расчетов используют схемызамещения, отражающие интересующие свойства элемента и процессы, протекающие внем. Сложным устройствам могут соответствовать схемы замещения, составленныетолько из двухполюсных элементов (индуктивные, емкостные, резистивные) имногополюсных элементов. Необходимыми допущениями являются допущения о фазнойсимметрии элементов, о линейности параметров элементов.

Математические моделиэлементов для расчета установившихся режимов при частоте, близкой к номинальной,будут отличаться от математической модели элемента для определения перенапряжений,токов короткого замыкания в переходном режиме. Важнейшим показателем являетсякачество электроэнергии - соответствие частоты и напряжения переменного тока ихноминальным значениям. Необходимо обеспечить нормальный установившийся режим(основной режим) ЭЭС - режим, при котором обеспечено заданное качествоэлектроэнергии без перегрузок ЭЭС и выполняется экономичное и надежноеэлектроснабжение потребителей.В основе принципа действия наиболее распространенных электрических машинпеременного тока лежит возможность получения вращающихся магнитных полей.Вращающимся магнитным полем называется магнитное поле, ось которого вращается впространстве с постоянной угловой частотой.

Если при этом величина индукции в любойточке оси магнитного поля остается постоянной, то такое поле называется круговымвращающимся магнитным полем. Это связано с тем, что его можно изобразитьвращающимся в пространстве вектором неизменной длины, конец которого при вращенииописывает окружность.

Вращающееся магнитное поле образуется системой обмоток,сдвинутых в пространстве относительно друг друга. Нужно иметь как минимум двепространственно смещенные обмотки с несовпадающими по фазе токами для созданиявращающегося магнитного поля. Формирование кругового вращающегося магнитногополя является необходимым условием работы асинхронных и синхронных машин.Вращающееся магнитное поле было получено в 1884 году физиком Феррарисом. Но оношибочно полагал, что данное явление не имеет практического применения.

Большойвклад в развитие многофазных электрических систем внес талантливый инженер НиколаТесла, также открывший в 1888 году явление вращающегося магнитного поля и тогда жеполучившийпатенты на создание двухфазных генераторов,двигателей,трансформаторов. Двухфазная система имеет две обмотки, расположенныеперпендикулярно относительно друг друга. Вращающееся магнитное поле получается прииспользовании двух переменных токов, сдвинутых относительно друг друга на четвертьпериода.Рис. 14.1. Принцип действия двухфазного генератора и двигателя.Конструкции двухфазных машин, одним из изобретателей которых был Никола Теста,имели существенные недостатки: выступающие полюса, сосредоточенные обмотки наполюсах и роторе, необходимость использования четырех проводов.

Более совершенной,оптимальной по многим параметрам является трехфазная система, разработанная ипредложенная к практическому применению русским инженером Михаил ОсиповичемДоливо-Добровольским. На Международной выставке в г. Франкфурте-на-Майне ДоливоДобровольский демонстрировал работу трехфазнойсистемы электропередачипеременного тока с длиной линии 170 км, напряжением 25100 В, в состав которойвходили: трехфазный синхронный генератор 230 кВА, 95 В, соединение обмоток статора в«звезду», частота 30-40 Гц, 150 об/мин; повышающий и понижающий трансформатор;трансформаторы для питания освещения и асинхронный короткозамкнутый двигательмощностью 100 л.с.

с числом полюсов, равным восьми, что соответствовалосинхронной скорости 450-600 об/мин. В трехфазной электрической машине три обмоткирасположены под углом 1200 относительно друг друга. Одна фаза обмотки состоит изпроводников, распределенных равномерно на 1/3 внутренней поверхности статора(внешнего массивного неподвижного полого цилиндра из ферромагнитного материала).Две другие фазы обмотки занимают такие же участки внутренней поверхности статора,так что в целом трехфазная обмотка представляет собой систему проводников,равномерно распределенных вдоль воздушного зазора.

Внутри статора соосно с нимрасположена подвижная часть электрической машины - ротор. Между статором и роторомнаходится воздушный зазор.Рис. 14.2. Двухфазная и трехфазная системаЕсли для наглядности представить обмотки статора состоящими из одного витка, тона статоре будет только шесть пазов, в каждом из которых будет лежать половина виткаобмотки.