Электрические сети

1. Понятие энергетической системы и электрической системы

Согласно ПУЭ, 1.2 - 2, “энергетической системой называется совокупность электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии”.

Согласно ПУЭ, 1.2 - З, “электрической системой называется часть энергосистемы, состоящая из генераторов, распределительных устройств, сетей . и электроприемников”.

Полный технологический цикл энергосистемы включает добычу, транспортировку на склад и приготовление топлива, сжигание его в котле - преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию пара. Пар вращает турбину, тепловая энергия переходит в механическую, приводящую в движение генератор. В статорной обмотке генератора возникает электрический ток за счет вращающегося магнитного поля ротора. После генератора электрическая мощность поступает в трансформатор, где происходит преобразование ее параметров.

Все элементы технологической схемы производства электроэнергии являются элементами энергосистемы. Элементы технологической схемы делятся на два вида: передающие - транспортер, паропровод, вал, линия электропередачи; преобразующие - котел, турбина, генератор, трансформатор.

2. Основные типы электростанций, их характерные особенности

Электростанция - элемент энергосистемы, предназначенный для преобразования химической энергии топлива в тепловую и электрическую, состоит из топливного склада, котельного и турбинного агрегатов, генератора и распределительных устройств. На электростанции имеется большое хозяйство собственных нужд, служащее для обеспечения нормального технологического цикла.

По особенностям технологического процесса производства электроэнергии и используемым видам топлива электростанции подразделяются на конденсационные (КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), атомные (АЭС), гидростанции (ГЭС), гидроаккумулирующие (ГАЭС), газотурбинные (ГТС).

К КЭС обычно относятся электростанции, потребляющие органическое топливо (уголь, газ, мазут, торф, сланец), турбины которых работают по конденсационному циклу, когда практически весь пар, вырабатываемый парогенератором, конденсируется и его энергия преобразуется в механическую энергию вала турбины, а затем и в электрическую.

На ТЭЦ значительная часть тепловой энергии передается по трубам потребителям и используется непосредственно в технологических процессах. И лишь часть тепловой энергии преобразуется в электрическую. На ТЭЦ для это го устанавливают турбоагрегаты двух типов: теплофикационные и противодавления.

АЭС используют энергию ядерного горючего, также преобразующегося в тепловую энергию пара. АЭС могут использоваться как КЭС и как ТЭЦ, соответственно они обозначаются АКЭС и АТЭЦ.

ГАЭС предназначены для выравнивания графика нагрузки энергосистемы (рис.1.2). Они являются по принципу работы такими ГЭС, которые днем, в часы максимального электропотребления системы, генерируют электрическую энергию за счет сработки воды в водохранилище, а ночью, в часы минимума электропотребления, работают как потребители электрической энергии - насосы, закачивающие воду обратно в водохранилище. За счет этого снижается величина необходимой установленной генерирующей мощности нагрузки энергосистемы в ЭЭС, а также улучшаются условия использования других электростанции, особенно АЭС, не допускающих резких изменений своей загрузки.

ГТС с помощью газовых турбин непосредственно преобразуют энергию сгорания газообразного топлива в механическую и затем электрическую энергию. Изготавливаются также парогазовые установки (ПГУ), работающие по смешанному циклу.

Разнообразны так называемые нетрадиционные типы электрогенерирующих станций. К ним относятся электростанции с магнитогидродинамическими (МГД) генераторами, приливные электростанции (ПЭС), ветровые, гелиоустановки и т. д. Как в настоящее время, так и в обозримом будущем эти типы электростанций не будут иметь существенной роли в энергобалансе страны.

Подстанция (ПУЭ, IV.2 - 5) - электроустановка, служащая для преобразования и распределения электроэнергии состоящая из трансформаторов, распределительных устройств, аккумуляторных батарей, устройств управления и собственных нужд.

Распределительным пунктом называется (ПУЭ, IV.2 - 11) устройство, предназначенное для распределения электроэнергии на одном напряжении без преобразования и трансформации.

Воздушной линией электропередачи (ЛЭП) называется устройство для передачи и распределения электроэнергии на большие расстояния по проводам, расположенным на открытом воздухе.

Объединение элементов в единую схему, работающую синхронно в общем режиме, образует энергосистему.

3. Преимущества объединения электростанций в энергосистему

При объединении электростанций в энергосистему достигается [1]:

- снижение суммарного резерва мощности;

- уменьшение суммарного максимума нагрузки;

- взаимопомощь в случае неодинаковых сезонных изменений мощностей электростанций;

- взаимопомощь в случае неодинаковых сезонных изменений нагрузок потребителей;

- взаимопомощь при ремонтах;

- улучшение использования мощностей каждой электростанции;

- повышение надежности электроснабжения потребителей;

- возможность увеличения единичной мощности агрегатов и электростанций;

- возможность единого центра управления;

- улучшение условий автоматизации процесса производства и распределения электроэнергии.

Объединение энергосистем дает огромные преимущества, среди которых можно отметить следующие:

повышение надежности работы;

использование несовмещенных максимумов нагрузки энергосистем (из-за различия часовых поясов);

уменьшение резервов мощности;

использование совместной работы тепло- и гидростанций.

4. Понятие об электрической сети и режимах её работы

Устройство электрических сетей

Электрические сети являются техническим устройством, предназначенным для передачи электроэнергии от электрических станций к потребителям и распределения энергии между потребителями.

Электрические сети состоят из передающих элементов - линий электропередачи (ЛЭП) и преобразующих элементов - трансформаторов и дополнительных устройств, обеспечивающих защиту и регулирование режимов электрических сетей.

ЛЭП высокого напряжения предназначены для передачи электрической энергии в больших количествах и на большие расстояния. ЛЭП низкого напряжения предназначены для распределения электрической энергии между потребителями.

Трансформаторы и дополнительные устройства электрических сетей устанавливаются на подстанциях, где имеются распределительные устройства (РУ), обеспечивающие соединения и переключения элементов электрической сети. Функции распределения электроэнергии имеют, кроме того, так называемые распределительные пункты (РП), которые отличаются от подстанций тем, что не имеют силовых трансформаторов.

5. Шкалы номинальных напряжений ЛЭП и обмоток трансформаторов

Шкала номинальных линий напряжений в киловольтах электроустановок трехфазного переменного тока частотой 50 Гц приведена в табл. 1.

Таблица 1

Шкала номинальных напряжений электроустановок, кВ

Электроприемники и ЛЭП	Генератор	Трансформатор
		первичная обмотка	вторичная обмотка
0,22	0,23	0,22	0,23
0,38	0,4	0,38	0,4
0,66	0,69	0,66	0,69
3	3,15	3; 3,15	3,15; 3,3
6	6,3	6; 6,3	6,3; 6,6
10	10,5	10; 10,5	10,5; 11
-	13,8	13,8	-
-	15,75	15,75	-
-	18	18	-
20	20; 24	20	22
35	-	35	36,75; 38,5
110	-	110; 115	115; 121
150	-	150; 158	158; 165
220	-	230	242
330	-	330	347
500	-	500	525
750	-	750	787
1150	-	1150	-

Шкалы номинальных напряжений генераторов и вторичных обмоток трансформаторов выбраны выше на 5 - 10% номинальных напряжений потребителей, линий электропередачи, первичных обмоток трансформаторов с целью облегчения поддержания номинального напряжения у потребителей.

6. Классификация электрических сетей по роду тока, по номинальному напряжению, по конструктивному исполнению

Прежде всего, классификация электрических сетей производится по виду тока на сети постоянного и переменного тока. В настоящее время подавляющее число основных сетей выполнено в трехфазном исполнении на переменном токе. На постоянном токе работают отдельные линии электропередачи. Область применения постоянного тока должна быть обоснована экономически.

Классификация сетей по номинальному напряжению предусматривает их деление:

на сети низкого напряжения НН (до 1000 В);

сети среднего напряжения СН (3 … 35 кВ);

сети высокого напряжения ВН (110 … 220 кВ);

сети сверхвысокого напряжения СВН (330 … 750 кВ);

сети ультравысокого напряжения УВН (свыше 1000 кВ).

Условность такой классификации объясняется тенденцией к сооружению сетей все более высоких классов напряжений.

По конструктивному выполнению сети делятся:

на воздушные;

кабельные;

токопроводы промышленных предприятий;

проводки внутри зданий и сооружений.

7. Классификация электрических сетей по назначению, по месту расположения, по конфигурации

По назначению сети называют:

питающими;

распределительными;

основными сетями энергосистем;

системообразующими;

межсистемными связями.

Питающими называются сети, по которым энергия подводится к подстанции или РП. Распределительные сети - это сети, к которым непосредственно подсоединяются электроприемники и трансформаторные пункты. Обычно это сети с номинальным напряжением до 20 кВ, однако часто к распределительным сетям относят и разветвленные сети более высоких напряжений. К основным сетям относят сети высокого напряжения, на которых осуществляются наиболее мощные связи в системе. Системообразующими сетями называют ЛЭП наивысшего напряжения в данной энергосистеме, сооружаемых для дальнейшего развития этой энергосистемы. Межсистемными связями называют ЛЭП, которые соединяют отдельные энергосистемы.

По месту расположения и характеру потребителей различают сети:

городские;

промышленные;

сельские;

электрифицированных железных дорог;

магистральных нефте- и газопроводов.

По схеме соединений сети делят:

на разомкнутые;

разомкнутые резервированные

замкнутые.

Разомкнутыми называют такие сети, которые питаются от одного пункта и передают электрическую энергию к потребителю только в одном направлении. Разомкнутые сети, см. п. 2.7, 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, по которым потребители питаются, по меньшей мере, с двух сторон (см. п. 2.8).

8. Основные требования, предъявляемые к электрическим сетям

Имеется пять основных требований к электрическим сетям.

Надежность электроснабжения потребителей. Надежным считается электроснабжение, при котором в случае аварийных повреждений элементов электрической сети питание восстанавливается в течение времени, необходимого для производства ручных переключений без выполнения ремонта поврежденного элемента. Бесперебойным считают электроснабжение, если при аварийных повреждениях питание электроприемника не нарушается или имеет место перерыв в подаче электроэнергии на время работы автоматических устройств (1…3 с).

Согласно действующим Правилам устройства электроустановок все электроприемники (ПУЭ) по требуемой степени надежности делятся на три категории. Электроприемники первой категории должны иметь бесперебойное электроснабжение. Питание электроприемников первой категории должно осуществляться не менее чем от двух независимых источников. Электроприемники второй категории должны иметь надежное электроснабжение. Электроприемники третьей категории допускают перерыв в электроснабжении на время, необходимое для ремонта или замены поврежденного элемента сети, но не более суток.

Качество электрической энергии. Каждый потребитель должен обеспечиваться качественной электроэнергией. Для характеристики качества электроэнергии применяются специальные показатели качества, которые установлены государственным стандартом (ГОСТ 13109-97). К показателям качества электроэнергии относят: отклонение частоты от номинального значения, отклонение напряжения от номинального значения, коэффициенты несимметрии и несинусоидальности трехфазной системы напряжений и др.

Экономичность сооружения и эксплуатации. При проектировании электрической сети следует соразмерить средства, вложенные на сооружение сети, и расходы, которые будут идти на ее эксплуатацию. Для этого используют специальные критерии, например полные затраты на сооружение и эксплуатацию в течение экономического срока службы сети.

Безопасность. Для обеспечения безопасности персонала энергосистем и других лиц согласно ПУЭ применяют заземления, ограждения, сигнализацию, охрану, специальную одежду и другие приспособления. Провода подвешиваются высоко над землей, в некоторых случаях вместо ВЛ сооружают КЛ.

Возможность дальнейшего развития. Вследствие изменения нагрузок потребителей, а также появления новых потребителей электрическая сеть находится в состоянии развития, модернизации и реконструкции. Достраиваются, заменяются, реконструируются электростанции, линии, подстанции, устанавливаются новые системы управления. Необходимо так проектировать электрическую сеть, чтобы она давала возможность дальнейшего расширения и развития.

9. П-образная схема замещения воздушной линии и ее параметры

Схемы замещения воздушной линии

При расчете режима работы электрической сети воздушная трехфазная линия переменного тока напряжением U ? 500 кВ и длиной до 300 км может быть представлена схемой замещения с сосредоточенными параметрами П-образного или Т-образного вида (рис. 1).

Для расчета режимов электрической сети, как правило, используется П-образная схема замещения сети, параметры схемы замещения вычисляются для одной фазы. При расчетах режима удобно схемы замещения представлять в виде, показанном на рис. 2.5.

Полное продольное сопротивление и проводимости (шунты узлов 1 и 2) схемы замещения имеют вид

;

. (2.13)

Зачастую при расчетах установившихся режимов активная проводимость ЛЭП не учитывается, так как принятые меры борьбы с короной достаточно эффективны и, следовательно, потери на корону достаточно малы [4].

Иногда удобно схему замещения ЛЭП показывать без емкостных шунтов, заменив их генерацией реактивной мощности:

(2.14)

Для линий 35 кВ и ниже емкостную генерацию линии (зарядную мощность) можно не учитывать, и тогда схема замещения выполняется только в виде сопротивления Z_л. Для ВЛ 110 кВ обычно Q_г < 10% полной мощности, передаваемой по линии; для передачи ЛЭП 220 кВ ‚ достигает 30%, в ЛЭП 500-750 кВ Q_г соизмерима с Q передачи.

10. Г-образная схема замещения двухобмоточного трансформатора, ее параметры

Поскольку Т-образная схема замещения для практических расчетов неудобна, двухобмоточные трансформаторы с достаточной степенью точности замещают Г-образными схемами замещения (рис. 2).

Рис. 1.13. Г-образные схемы замещения трансформатора

Хотя Г-образная схема замещения более полно моделирует зависимость тока холостого хода от приложенного напряжения, в практике расчетов чаще используется схема, в которой потери холостого хода считаются постоянными. Более того, иногда потерями холостого хода вообще пренебрегают. Для схем высокого напряжения 220 кВ и выше пренебрегают и активным сопротивлением обмоток трансформатора.

Сопротивления трансформатора R и X в Г-образных схемах замещения определяются как сумма сопротивлений его обмоток:

. (1.17)

Активная проводимость G обусловлена потерями активной мощности в стали трансформатора на перемагничивание и вихревые токи, реактивная проводимость B - намагничивающей мощностью.

Сопротивления и проводимости двухобмоточных трансформаторов определяют по их паспортным данным. В паспорте указываются: S_ном - номинальная мощность, МВА; U_ВН, U_НН - номинальные напряжения обмоток ВН и НН, кВ; P_к - потери короткого замыкания, кВт; P_х - потери холостого хода, кВт; u_к - напряжение короткого замыкания, % от U_ном; I_х - ток холостого хода, % от I_ном.

Потери и напряжение короткого замыкания определяют из опыта короткого замыкания, когда вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной обмотке подводят такое напряжение, при котором ток во вторичной обмотке стал равным номинальному току. Это напряжение и будет напряжением короткого замыкания.

Активная мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания, практически полностью расходуется на нагрев его обмоток, т. е. потери короткого замыкания можно приравнять потерям в меди при номинальной нагрузке трансформатора:

 . (1.18)

где I_ном, S_ном, U_ном - номинальные значения тока, мощности и напряжения обмотки трансформатора, к которым приводится сопротивление R.

Из выражения (1.18) следует, что активное сопротивления одной фазы трансформатора

. (1.19)

Индуктивное сопротивление X трансформатора определяется напряжением короткого замыкания u_к (%), которое складывается из двух составляющих: падения напряжения в активном (u_а) и индуктивном (u_р) сопротивлении от тока, протекающего в режиме короткого замыкания

(1.20)

Из треугольника короткого замыкания имеем:

(1.21)

Для мощных силовых трансформаторов u_р >> u_а, и поэтому можно принять u_р u_к. Из (1.20) будем иметь для индуктивного сопротивления трансформатора:

 . (1.22)

Проводимости схемы замещения устанавливают из опыта холостого хода трансформатора, в котором к первичной обмотке трансформатора подводится номинальное напряжение. При этом потери холостого хода равны:

(1.23)

откуда активная и реактивная проводимости:

(1.24)

Потери реактивной мощности на холостом ходе вычисляются через ток холостого хода, в котором значительно преобладает реактивная составляющая I_р >> I_а и, так как

, (1.25)

то I_р I_х. Тогда потери Q_х можно определить по формуле

. (1.26)

11. Схема замещения трехобмоточного трансформатора

Схема замещения трехобмоточного трансформатора приведена на рис. 3. Сопротивления обмоток среднего напряжения , и низшего напряжения , приведены к стороне высшего напряжения через коэффициент трансформации:

. (3.9)

Потери холостого хода ДР_х.х. и намагничивающий реактивный ток i_х.х. даются в каталоге и представляются в схеме замещения проводимостями G_т и В_т так же, как и у двухобмоточного трансформатора. Шунт может быть приведен к напряжению любой из обмоток, однако обычно он приводится к ступени высшего напряжения. Проводимости G_т и В_т определяются по тем же формулам, что для двух обмоточного трансформатора.

Активные сопротивления обмоток находятся исходя из опыта короткого замыкания: к одной из обмоток подводится такое напряжение и_к.з., чтобы в ней протекал номинальный ток, вторая обмотка замкнута накоротко, третья - разомкнута. Если номинальные мощности обмоток равны, то равны и их приведенные сопротивления . Тогда

. (3.10)

Если у одной из обмоток i номинальная мощность меньше, т. е.

, то ее приведенное активное сопротивление соответственно больше: .

Индуктивные сопротивления определяются из трех опытов к.з. (В.С, В.Н, С.Н), для них даются и_к.з.в.с., и_к.з.в.н., и_к.з.с.н и затем решаются уравнения (для 100/ 100/100):

;

;

Из этих уравнений находим

;

; (3.11)

,

после чего , и определяются так же, как для двухобмоточных трансформаторов:

(3.12)

12. Схема замещения автотрансформатора и её параметры. Особенности автотрансформатора

Схема замещения автотрансформатора не отличается от схемы замещения трехобмоточного трансформатора. Особенностью автотрансформатора является наличие электрической связи обмоток высшего и среднего напряжений.

Рассмотрим работу автотрансформатора при передаче мощности со стороны высшего напряжения на сторону среднего. Схема токораспределения при разомкнутой обмотке низшего напряжения показана для авто трансформатора при разомкнутой обмотке низшего напряжения передаваемые мощности обмоток высшего и среднего напряжений одинаковы и равны соответственно:

;

.

Эта мощность проходит от обмотки высшего к обмотке среднего напряжения и называется проходной S_пр при номинальных токах и напряжениях обмоток. В то же время это номинальная мощность обмоток S_в.н. и S_с.н. и автотрансформатора S_н

(3.14)

При передаче у обычного трансформатора обмотки В и С должны быть рассчитаны на номинальные токи и напряжения, т. е. на номинальные мощности. У автотрансформатора эти обмотки значительно легче. Обмотка 1 - 2 (последовательная) имеет число витков, определяемое не напряжением U_в.н., как у обычного трансформатора, а напряжением , и поэтому имеет уменьшенное число витков (при том же токе I_в.н.). Обмотка 0 - 1 (общая) имеет то же число витков, что и у трансформатора (соответствующее U_с.н.), но ее сечение меньше и определяется не током I_с.н., а током . В результате мощности обмоток меньше мощностей обмоток трансформатора и составляют:

- для последовательной обмотки

; (3.15)

- для общей обмотки

(3.16)

Учитывая, что

,

получим и , т.е. ,

где S_т - типовая мощность трансформатора.

(3.17)

где б_в - коэффициент выгодности (б_в < 1). Чем меньше б_в (чем ближе U_с.н. к U_в.н.) тем выгоднее автотрансформатор. Вместо б_в иногда пишут К_в.

Третичная обмотка автотрансформатора иногда рассчитывается на типовую мощность:

, (3.18)

но часто может иметь меньшую мощность , .

Напряжения опытов короткого замыкания в справочниках даются приведенными к номинальной мощности автотрансформатора. Поэтому индуктивные сопротивления определяются так же, как для трехобмоточных трансформаторов.

Если для автотрансформатора в паспортных данных приводится результат опыта короткого замыкания ?Р_к.з,в.с, то активные сопротивления подсчитываются так же, как для трехобмоточных трансформаторов. При этом . Если приводится результат опыта в. н, т. е. ?Р_к.з,в.н, то его необходимо сначала привести к номинальной мощности автотрансформатора, так как в опыте в.н через обмотки протекал номинальный ток , соответствующий параметрам обмотки низшего напряжения.

Приведение выполняется по формуле

.

Для некоторых автотрансформаторов в паспортных данных указываются потери короткого замыкания для всех опытов: , , . Для нахождения сопротивлений обмоток необходимо сначала привести результаты опытов к по формулам,

; ,

а затем рассчитать потери короткого замыкания для каждой из обмоток по формулам, аналогичным (3.11)

;

; (3.19)

,

Активные сопротивления обмоток в этом случае определяются по формуле

, i = в, с, н.