Переменный ток
Большинство крупных источников электроэнергии — электростанции — построено с использованием генераторов переменного тока. Кроме того, амплитудное напряжение переменного тока может быть легко изменено при помощи трансформаторов, что позволяет повышать и понижать напряжение в широких пределах. Основные потребители электроэнергии также ориентированы на непосредственное использование переменного тока. Мировым стандартом генерации, передачи и преобразования электроэнергии является использование переменного трёхфазного тока. В России и европейских странах промышленная частота тока равна 50 герц, в США, Японии и ряде других стран — 60 герц.
Переменный однофазный ток используется многими бытовыми потребителями и получается из переменного трёхфазного тока путём объединения потребителей в группы по фазам. При этом каждой группе потребителей выделяется одна из трёх фаз, а второй провод («ноль»), используемый при передаче однофазного тока, является общим для всех групп и в своей начальной точке заземляется.
Классы напряжения
При передаче большой электрической мощности при низком напряжении возникают большие омические потери из-за больших значений протекающего тока. Формула δS = I²R описывает потерю мощности в зависимости от сопротивления линии и протекающего тока. Для снижения потерь уменьшают протекающий ток: при снижении тока в 2 раза омические потери снижаются в 4 раза. Согласно формуле полной электрической мощности S = I×U, для передачи такой же мощности при пониженном токе необходимо во столько же раз повысить напряжение. Таким образом, большие мощности целесообразно передавать при высоком напряжении. Однако строительство высоковольтных сетей сопряжено с рядом технических трудностей; кроме того, непосредственно потреблять электроэнергию с высоким напряжением крайне проблематично для конечных потребителей.
В связи с этим сети разбивают на участки с разным классом напряжения (уровнем напряжения). Трёхфазные сети, передающие большие мощности, имеют следующие классы напряжения: от 750 кВ и выше (1150 кВ, 1500 кВ) - Ультравысокий, 750 кВ, 500 кВ, 330 кВ - сверхвысокий, 220 кВ, 110 кВ - ВН, высокое напряжение, 35 кВ - СН-1, среднее первое напряжение, 20 кВ, 10 кВ, 6 кВ, 1 кВ - СН-2, среднее второе напряжение, 0,4 кВ, 220 В, 110 В и ниже - НН, низкое напряжение.
Преобразование напряжения
Как правило, генераторы источника и потребители работают с низким номинальным напряжением. Потери энергии в линиях обратно пропорциональны квадрату напряжения, поэтому для снижения потерь электроэнергию выгодно передавать на высоких напряжениях. Для этого на выходе от генератора его повышают, а на входе потребителя его понижают при помощи трансформаторов.
Структура сети
Электрическая сеть может иметь очень сложную структуру, обусловленную территориальным расположением потребителей, источников, требованиями надёжности и другими соображениями. В сети выделяют линии электропередачи, которые соединяют подстанции. Линии могут быть одинарными и двойными (двухцепными), иметь ответвления (отпайки). К подстанциям, как правило, подходит несколько линий. Внутри подстанции происходит преобразование напряжения и распределение потоков электроэнергии между подходящими линиями. Для соединения линий и оборудования внутри подстанций используются электрические коммутаторы (англ. Commutator (electric)) различных типов.
Для наглядного представления структуры сети используется специальное начертание схемы сети, однолинейная схема, представляющая три провода трёх фаз в виде одной линии. На схеме отображаются линии, секции и системы шин, коммутаторы, трансформаторы, устройства защиты.
Структура сети электроснабжения может динамически изменяться путём переключения коммутаторов. Это необходимо для отключения аварийных участков сети, для временного отключения участков при ремонте. Структура сети также может быть изменена для оптимизации электрического режима сети.
Основные компоненты
Сеть электроснабжения характерна тем, что связывает территориально удалённые пункты источников и потребителей . Это осуществляется при помощи линии электропередачи — специальных инженерных сооружений, состоящих из проводников электрического тока (провод — неизолированный проводник, или кабель — изолированный проводник), сооружений для размещения и прокладки (опоры, эстакады, каналы), средств изоляции (подвесные и опорные изоляторы) и защиты (грозозащитные тросы, разрядники, заземление).
Альтернативные источники обеспечения потребителей электроэнергией (дизельные, газовые)
Вопрос об альтернативных источниках электроэнергии уже много лет занимает умы ведущих специалистов в области разработки и создания дешёвых энергетических систем будущего. По прогнозам учёных в ближайшие 60 -70 лет запасы угля, природного газа и нефти могут быть исчерпаны практически полностью. Угроза энергетического кризиса совсем не за горами, и поэтому уже сегодня во многих странах мира форсируются разработки современных энергосберегающих технологий, а также ведётся непрерывный поиск альтернативных (недорогих) источников электроэнергии.
К альтернативным (бесплатным) источникам электроэнергии принято относить такие системы преобразования природной энергии в электрическое напряжение, как солнечные энергосистемы, ветряные электрогенераторы, а также термоэлектрические источники электроэнергии.
Солнечные электростанции используют для своей работы солнечное излучение, трансформируя его в электрическую энергию. Солнечные энергосистемы могут быть построены как по схеме с термодинамическим преобразованием энергии солнца, так и по схеме прямого преобразования последней в электрическую энергию (с помощью фотоэлементов). В первом случае солнечная радиация сначала превращается в тепловую энергию и только затем (с помощью теплогенератора) преобразуется в электрическую. Во втором варианте превращение солнечной энергии в электрическую осуществляется за счёт электронных свойств фотоэлементов (за счёт использования "фотоэффекта"), т.е. используются солнечные модули.
К категории солнечных энергонакопителей можно отнести и так называемые коллекторы, или аккумуляторы тепла, которые подобно фотоэлементам устанавливаются на крышах зданий и домов. Коллектор представляют собой конструкцию из соединительных труб и баков, окрашенную в чёрный цвет. Конструкции с подобным покрытием за счёт интенсивного поглощения ими солнечного излучения способны нагревать содержащуюся в них воду до 70 градусов по Цельсию. Причём в солнечную погоду такое нагревание возможно даже при нулевой температуре окружающего воздуха. При этом количество нагреваемой воды, ее рабочая температура, а также период накопления тепла зависят только от размеров используемого резервуара.
Ветряные электрогенераторы широко применяются в тех районах, где в течение года преобладает устойчивая ветреная погода. В настоящее время на рынке специального электрооборудования можно встретить различные модели ветряных электрогенераторов, различающихся как по мощности, так и по конструктивному исполнению.
Термоэлектрические источники электроэнергии были придуманы человеком очень давно. Ещё во время второй мировой войны советские инженеры разработали первую модель термогенератора, предназначенного для партизанских отрядов и работающего от огня костра. В сороковые годы прошлого века выпускались также термогенераторы, работающие на тепле керосиновой лампы и вырабатывающие электроэнергию, которая использовалась для работы радиопередатчиков и приёмников.
В настоящее время термогенераторы широко применяются на атомных электростанциях. При этом в ходе нагрева рабочего вещества (воды) и возникновения большой разницы температур и давлений происходит процесс генерации электричества.
Термогенераторы, выпускаемые в наше время для бытовых и промышленных нужд, представляют собой энергопреобразующие системы, разработанные на базе газовых котлов или печей медленного горения и рассчитанные на мощность не более 200 Вт. Такие установки довольно удобны для использования в современных загородных коттеджах, имеющих газовое отопление и в частных домах с печным отоплением.
Следует отметить то, что все перечисленные источники энергии не являются идеальными сами по себе, и каждый из них имеет свои определённые недостатки. Но любой из этих источников очень удачно дополняет другие и компенсирует, таким образом, имеющиеся недостатки остальных систем.
К примеру, наблюдая за погодой можно заметить интересную закономерность: при ясной, безоблачной погоде практически не бывает сильного ветра. И, наоборот, сильный, порывистый ветер обычно наблюдается в облачные и пасмурные дни. Из этого следует, что самое разумное на сегодня решение - это комбинированное использование солнечных батарей и "ветряков". При подобной организации альтернативной системы энергоснабжения заметно повышается её надежность, поскольку вероятность одновременного выхода из строя обеих составляющих системы крайне мала.
Цифровые микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики (РЗиА)
Комплекс автоматических устройств, предназначенных для быстрого (при повреждениях) выявления и отделения от электроэнергетической системных повреждённых элементов этой электроэнергетической системы в аварийных ситуациях с целью обеспечения нормальной работы всей системы. Действия средств организованы по принципу непрерывной оценки технического состояния отдельных контролируемых элементов электроэнергетических систем. РЗиА осуществляет непрерывный контроль состояния всех элементов электроэнергетической системы и реагирует на возникновение повреждений и ненормальных режимов. При возникновении повреждений РЗиА должна выявить повреждённый участок и отключить его от ЭЭС, воздействуя на специальные силовые выключатели, предназначенные для размыкания токов повреждения (короткого замыкания).
Релейная защита является основным видом электрической автоматики, без которой невозможна нормальная работа энергосистем.
Основные механизмы РЗиА
Токовая защита - это разновидность релейной защиты, которая реагирует на превышение тока на защищаемом участке сети по отношению к току срабатывания, или уставке. В зависимости от того, каким образом обеспечивается селективность действия с последующей (от источника питания) защитой, различают максимальную токовую защиту (МТЗ) и токовую отсечку (ТО). В радиальных (разомкнутых) сетях на ВЛ класса напряжения 6-10 кВ и выше наиболее распространённым вариантом организации защит от трёхфазных и междуфазных коротких замыканий является применение двухступенчатой защиты, включающей МТЗ и ТО. Для реализации МТЗ в ряде случаев применяются реле с зависимой от времени защитной характеристикой, а для ТО - всегда с независимой. При этом защита может выполняться на двух отдельных реле, или на одном реле, совмещающем обе ступени (например, РТ-80 и РТ-90), а также на базе цифровых многоступенчатых реле (SPAC и др.).
Максимальная токовая защита (МТЗ) - селективность действия обеспечивается за счёт задержки по времени срабатывания. Выбор тока срабатывания МТЗ осуществляется таким образом, чтобы его значение превышало максимальный рабочий ток в месте установки защиты на величину, которая зависит от коэффициентов надёжности и возврата реле, а также от коэффициента самозапуска (обычно не менее, чем в 1,2 - 2,0 раза). Это исключает возможность ложного действия защиты в нормальном режиме работы сети. При протекании тока КЗ срабатывание реле, как было отмечено ранее, происходит с определённой задержкой. Уставка по времени срабатывания предыдущей (от источника питания) защиты должна быть больше, чем уставка последующей, на величину так называемой ступени селективности Δt (порядка 0,2 - 1,0 с - в зависимости от типа реле, на базе которых выполнены защиты). Таким образом, в радиальных секционированных сетях при коротком замыкании в конце линии первой должна сработать ближайшая к месту возникновения КЗ защита, а в случае её отказа (через промежуток времени, равный ступени селективности) - предыдущая защита. Очевидно, что недостатком МТЗ является "накопление" задержек по времени, т.е. увеличение времени срабатывания защиты при переходе от конца линии к источнику. Следует учитывать, что токи короткого замыкания тем выше, чем ближе место возникновения КЗ к источнику питания. Таким образом, в радиальных секционированных сетях время отключения повреждённой линии посредством сигнала МТЗ при наиболее тяжёлых КЗ вблизи питающих шин может оказаться неприемлемым с точки зрения термической стойкости оборудования. Считается нормальным, если максимальная уставка по времени срабатывания не превышает 2,0 - 2,5 с. Коэффициент чувствительности МТЗ определяется как отношение тока междуфазного КЗ в конце защищаемой зоны к фактическому току срабатывания защиты, и в соответствии с требованиями ПУЭ (см. п.3.2.1. - 4.1.) должен составлять не менее 1,5 (для зоны дальнего резервирования в пределах действия последующей защиты - около 1,2).
Токовая отсечка (ТО) - селективность действия обеспечивается за счёт отстройки от максимального тока КЗ в конце защищаемой зоны. ТО представляет собой быстродействующую защиту, которая срабатывает без задержки по времени, и отключает наиболее тяжёлые короткие замыкания вблизи питающих шин. Величина тока срабатывания отсечки должна приблизительно в 1,1 - 1,2 раза превышать расчётный ток трёхфазного КЗ в конце зоны действия ТО (т.е. в месте установки последующей защиты); указанная кратность определяется коэффициентом надёжности применяемых реле. Коэффициент чувствительности ТО, исходя из п.3.2.26. ПУЭ, может быть рассчитан как отношение тока трёхфазного КЗ в месте установки защиты к фактическому току срабатывания отсечки, и должен составлять не менее 1,2. Иначе говоря, зона действия токовой отсечки должна покрывать около 20% от длины линии. Недостатком токовой отсечки является ограниченность зоны действия, поэтому она применяется только совместно с МТЗ в качестве второй ступени; при этом ТО обладает абсолютной селективностью, т.к. величина тока КЗ вне защищаемой зоны всегда меньше тока срабатывания отсечки.
Реле токовой защиты с высоковольтной изоляцией - специальные реле тока с высоковольтной изоляцией (от 5 до 100 кВ) между входом (катушкой управления) и выходом (герконом). В некоторых конструкциях катушка отсутствует и источником управляющего сигнала служит высоковольтная токоведущая шина. Эти реле тока, получившие название "геркотронов" или "высоковольтных изолирующих интерфейсов", предназначены для защиты от перегрузок по току мощных высоковольтных источников питания, рентгеновской аппаратуры, мощных лазеров, радаров, радиопередающих устройств, электрофизической аппаратуры. Они выполнены в виде компактных модулей, включаемых напрямую в разрыв токовой цепи, находящейся под высоким потенциалом, а их выходной контакт - напрямую в низковольтную цепь.
Автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ)
АСКУЭ служит для точного учета и оперативного контроля за потребляемой и переданной электроэнергией с учетом существующих тарифов, а также для обеспечения доступа к полученным данным с целью произведения расчетов, анализа и выработки эффективной энергосберегающей политики. Основной целью внедрения автоматических систем коммерческого учета электроэнергии является снижение издержек и затрат на потребление энергоресурсов, минимизация потерь за счет повышения точности полученных данных и сокращения времени сбора обработки. Автоматизация учета электроэнергии на всех этапах, от производства до потребления, становится непременным условием эффективного функционирования современных энергосистем.
Вопросы энергосбережения, а также оптимизации энергопотребления одинаково остро стоят как в промышленности, так и в быту (коттеджные поселки, дачные кооперативы, садовые товарищества).
Внедрение автоматизированных систем учета и контроля потребления энергоресурсов позволяет получать оперативные данные, контролировать параметры всех энергоносителей, выявлять возможные пути экономии. Что, соответственно, ведет к снижению участия энергоресурсов в себестоимости продукции, повышению оперативности обнаружения и устранения отклонений от установленных режимов потребления, получению стабильной прибыли. Результатом внедрения систем по учету электроэнергии в быту является оптимизация затрат на энергоресурсы, снижение объема потребления, а также обеспечение защиты от хищений.
Современные системы коммерческого учета позволяют контролировать все возможные виды энергоресурсов, имеют возможность использования различных каналов связи для передачи данных, возможно удалённое подключение к системе АСКУЭ для просмотра данных и контроля состояния и работы оборудования через Интернет; простота расширения системы с минимальными затратами.
Важнейшим преимуществом системы АСКУЭ является возможность анализа потребления, что позволяет выявить допущенные просчеты в организации энергопотребления и разработать мероприятия по снижению расходов.
Для передачи информационных потоков используются различные каналы: выделенные проводные линии, беспроводные радиочастотные, инфракрасные и радиорелейные линии, спутниковые каналы и т.д. В последние годы активно осваивается новая среда для передачи информации и построения на ее основе специализированных автоматизированных систем сбора и обработки информации. Сюда относят распределенные силовые линии питания низкого, среднего и высокого напряжения. Их преимуществами являются: низкая стоимость установки, т.к. не требуется прокладка специальных проводных линий связи, а также быстрота настройки коммутационной сети. При этом любой из вариантов имеет как достоинства, так и недостатки.
Ключевыми моментами выбора элементов АСКУЭ, независимо от объекта, для которого создается система, является качество и безопасность связи между уровнями, а также экономический аспект. Обеспечение надежной, эффективной и недорогой системы доставки информации, которая обеспечит надежную и безопасную передачу и обмен данными, в том числе и между потребителями и продавцами энергии, является ключевым моментом выбора систем электроснабжения.
Диагностика электрооборудования
Надежность любого электрооборудования и аппаратуры автоматики зависит от условий эксплуатации. Условия эксплуатации в производственных помещениях характеризуются климатическими и электромеханическими воздействиями, режимами работы и отсутствием рационального технического обслуживания.
К климатическим воздействиям относятся температура, влажность, запыленность и загазованность окружающего воздуха, атмосферное давление, интенсивность дождя, выпадение росы и инея, скорость движения воздушной струи, ночные и дневные перепады температуры.
К электромеханическим воздействиям относятся вибрационные и ударные нагрузки при работе и перемещениях, колебаниях частоты и напряжения питания.
Диагностику проводят в простейших предположениях и не учитывают эксплуатационных режимов использования элементов изделия.
Уточненный расчет надежности отличается от ориентировочного тем, что в нем учитывают электрические, тепловые и прочие эксплуатационные режимы элементов изделия.
Как ориентировочный, так и утоненный расчет приводят в предположении экспоненциальной надежности всех элементов и независимости отказов. Расчеты неизмеримо возрастают, когда модели надежности элементов, блоков и узлов отличны от экспоненциальной. В этих условиях, особенно для сложных и ответственных систем, используют методы статистического моделирования с применением ЭВМ.
Интенсивность отказов блока управления (БУ) и защиты (З), результирующая вероятность безотказной работы, среднее время безотказной работы блока управления и защиты (Тср) определяются по формулам.
При проведении уточненного расчета надежности с учетом условий эксплуатации необходимо учитывать воздействия внешней среды. Степень влияния различных факторов условий эксплуатации на показатели надежности различна. Параметры электрических нагрузок для различных элементов БУ и З так же различны. Поэтому при расчете показателей надежности БУ и З с учетом условий эксплуатации следует различать коэффициент нагрузки по току, коэффициент нагрузки по напряжению и коэффициент нагрузки по мощности.
Энергосбережение
Энергосбережение (экономия энергии) — реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Энергосбережение — важная задача по сохранению природных ресурсов.
В России и других странах бывшего СССР в настоящее время наиболее насущным является бытовое энергосбережение (энергосбережение в быту), а также энергосбережение в сфере ЖКХ. Препятствием к его осуществлению является сдерживание роста тарифов для населения на отдельные виды ресурсов (электроэнергия, газ), отсутствие средств у предприятий ЖКХ на реализацию энергосберегающих программ, низкая доля расчетов по индивидуальным приборам учёта и применение нормативов, а также отсутствие массовой бытовой культуры энергосбережения. Актуальным также является обеспечение энергосбережения в АПК.