1.8. Перспективы развития электрических станций

Динамика развития мировой и отечественной энергетики [3] указывает на то, что в ближайшее время примерно сохранится су­ществующий баланс между ТЭС, АЭС и ГЭС. Приоритет при этом будет отдан газоугольной стратегии, а использование мазута на ТЭС бу­дет снижаться. Дальнейшее развитие получат ПГУ и ГТУ. Из сравни­тельно новых направлений приоритетными являются МГД- установки.

Будет развиваться нетрадиционная энергетика (солнечная, приливная, геотермальная и т.д.), использующая экологически чистые возобновляемые природные ресурсы. Продолжатся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию и освое­нию термоядерных установок, термоэлектрических, радиоизотопных, термоэмиссионных, электрохимических генераторов [1] и других агрегатов. Отдельное и очень важное направления работ - энергосбережение всех видов ТЭР, тепловой и электрической энергии.

2. Передача электрической и тепловой энергии

Произведенная на электрических станциях энергия должна быть передана потребителям с минимальными потерями часто на значи­тельные расстояния.

2.1. Передача электрической энергии

Общие положения. Основным звеном системы передачи электроэнергии является ЛЭП, а также элементы РУ электрических станций и подстанций. Производство, распределение и потребление электро­энергии осуществляется при разном напряжении. Бытовые и промыш­ленные потребители в целях электробезопасности работают при напряжении 220 - 380 В. Выработка электроэнергии на станциях по технико-экономическим соображениям производится на напряже­нии 6 - 10 - 21 кВ. Передача электроэнергии на значительные рас­стояния практически возможна при напряжениях 35...1150 кВ. Шка­ла номинальных напряжений переменного тока определена ГОСТом: 0,22-0,38-0,66-6,0-10-21-35-110-150-220-330-500-750-1150 кВ. Таким образом, при передаче и распределении электрической энер­гии необходимо изменять (трансформировать) величину напряжения. Эту функцию выполняют силовые трансформаторы - повышающие и понижающие. Их конструкции, характеристики, режимы работы подроб­но рассматриваются в специальных дисциплинах.

Промышленная система переменного тока является трёхфазной, трех- или четырехпроводной. Нейтральная точка (нейтраль) источ­ника питания и потребителя нагрузки может быть соединена с землей (заземленная нейтраль) или изолирована от земли (изоли­рованная нейтраль), а отдельные фазы соединяются друг с другом по схеме "звезда" или "треугольник" (рис.2.1). При одинаковой (симметричной) нагрузке z_A=z_B=z_C в соответствии с выражениями (1.12; 1.1З) i_A +i_B +i_C =0. Поэтому четвертый проводник, соединяющий нейтральные точки источника и нагрузки, не требуется. Он используется только в распределительных электри­ческих сетях потребителей, работающих при напряжении 220/380 В. Его назначение в этом случае двояко: получение фазного напря­жения 220 В и обеспечение безопасности работы при наличии за­земленной нейтрали.

Известны соотношения фазных и междуфазных (линейных) зна­чений электрических величин для разных схем: схема "звезда"

схема “треугольник”

На рис.2.1б приборы А₁, V₁, V₂ регистрируют фазные величины, а А₂, V₃- линейные. На рис.2.1в приборы А₁, V₁ регистрируют фазные величины, а А₂, V₂- линейные.

Рис.2.1. Схемы передачи электроэнергии:

а- общая блок- схема; б- четырехпроводная схема с заземленной нейтралью;

в- трехпроводная схема с изолированной нейтралью.

1-источник электроэнергии; 2-потребитель; 3-провода ЛЭП

Режим нейтрали электрических сетей (рис.2.2.) определяется двумя факторами: безопасностью обслуживания и экономичностью. При изолированной, нейтрали замыкание одного провода ЛЭП на землю не приводит к большому увеличению тока, т.к. отсутствует замкнутый электрический контур от начала фазной обмотки С че­рез точку замыкания К к окончанию этой обмотки в точку N . Такие повреждения (на воздушных ЛЭП они составляют до 70% ) не требуют немедленного отключения линии, что дает возможность отыскать замыкание в процессе эксплуатации, а затем устранить его. При этом не происходит отключения потребителя и перерыва в его электроснабжении. Такое же замыкание в сети с заземлен­ной нейтралью приводит к резкому возрастанию силы тока, т.к. контур C-K-N оказывается замкнутым накоротко через землю.

Рис.2.2. Режимы нейтрали:

а- изолированная нейтраль; б- заземленная нейтраль

Во избежание повреждения ЛЭП автоматически мгновенно отключается специальными устройствами релейной защиты. Потребитель переста­ет получать по этой линии электроэнергию. Но при этом обеспечивается большая, чем в предыдущем случае, безопасность работни­ков. Действительно, в схеме рис.2.2.а. при не отключенном замыка­нии в точке К возможно случайное касание человеком другого провода. Через тело человека начнет протекать значительный ток, сила которого определится величиной междуфазного напряжения ВС и электрическим сопротивлением тела. Поражение электричес­ким током чрезвычайно опасно. В схеме рис.2.2.б подобный режим невозможен, т.к. ЛЭП мгновенно отключается от источника.

Каждая из рассмотренных схем имеет свою область применения. Электрические сети напряжением 6-10-35 кВ; работают с изолиро­ванной нейтралью, остальные - с заземленной. Заземление нейтрали в сетях напряжением до 1000 В выполняется в целях обеспечения электробезопасности, а в сетях 110 кВ и выше - по экономическим соображениям, связанным со стоимостью изоляции [8].

Конструкции ЛЭП. Различают два основных типа ЛЭП по конструкции: воздушные и кабельные (КЛЭП). Подробно эти вопросы рассматриваются в специальных дисциплинах, поэтому ограничимся краткими сведениями.

Основные элементы конструкции воздушных ЛЭП представлены на рис.2.З. Это провода, опоры, изоляторы, арматура. Используются неизолированные, в основном многопроволочные провода марки А (алюминиевые) и АС (сталеалюминиевые). Провода АС имеют сталь­ной сердечник 1, несущий механическую нагрузку, поверх которого навит алюминиевый провод. Провода имеют стандартное сечение. Каждому сечению соответствует длительно допустимый ток, а также удельное активное и реактивное сопротивление (см. приложение). Площадь сечения провода ЛЭП напряжением выше 1000 В предвари­тельно выбирается по формуле

, мм² (2.3)

где I_л -сила тока, протекающего в ЛЭП, А; j_э -экономическая плотность тока, справочная величина, А/мм² .

Полученное значение F округляется до ближайшего стандартно­го, при этом для воздушных ЛЭП напряжением 110 кВ сечение при­нимается не менее 70 мм², а для линий напряжением 220 кВ - не менее 240 мм².

Опоры воздушных ЛЭП предназначены для крепления на них про­водов при помощи изоляторов и арматуры (зажимы, скобы, штыри, крюки и др.). Опоры различают по материалу (деревянные, стальные, железобетонные), по назначению (промежуточные, поворотные, угловые, концевые, ответвительные, переходные, специальные и др.), по конструкции (одностоечные, П-образные, Т-образные, А-образные, У-образные, др.). Пример одностоечной деревянной промежуточной опоры приведен на рис.2.3.б. В грунте крепится пасынок 2 (дере­вянный или железобетонный), к которому бандажом 3 (стальная лента или проволока) жестко крепится непосредственно стойка 4. В верхней части стойки деревянными или металлическими откола­ми 5 крепится траверза 6, на которой размещаются изоляторы, не­обходимые для поддержания проводов ЛЭП. Изоляторы выполняются из фарфора или закаленного стекла и разделяются на штыревые Ш (на напряжение до 35 кВ) и подвесные П (на напряжение выше 35 кВ). ЛЭП характеризуется рядом геометрических параметров, с которыми студенты знакомятся на лабораторных и практических занятиях.

Рис.2.3. Элементы конструкции ЛЭП:

а- провода; б- опора; в- изолятор штыревой;

г- изолятор подвесной; д- кабель одножильный

е- кабель трехжильный.

Кабельные ЛЭП имеют проводники, изолированные друг от друга и от внешней среды ( рис.2.3.д, е.). Проводники 7 выполняются медны­ми или алюминиевыми проволоками. Применяют и однопроволочную конструкцию проводников КЛЭП. В маркировке кабелей с алюминиевыми проводниками (жилами) на первом месте указывается бук­ва А. На проводник накладывается изоляция 8: резина Р, винилхлорид В, полиэтилен П, негорючая резина Н, бумага с масляной про­питкой. Многожильные кабели имеют кроме изоляции отдельных жил еще и общую (поясную) изоляцию 9 из тех же материалов. Изоляция защищается от внешних воздействий оболочкой 10: резина Р, винилхлорид В, полиэтилен П, алюминий А, свинец С. Бронированные кабели имеют наружную защиту в виде стальной брони 11.

Например, кабель ААБ - 3x120 имеет три проводящих алюминиевых жилы сечением по 120 мм² каждая, бумажную изоляцию, алюминиевую оболочку и стальную броню, покрытую пряжей.

Воздушные и кабельные ЛЭП имеют свои достоинства и недостатки. В соответствии с этим определяется область их применения. Воздушные

ЛЭП напряжением 0,38...1150 кВ используются для открытой прокладки при соответствующем рельефе местности и условиях городской застройки. КЛЭП напряжением 0,38…110 кВ применяются для скрытой прокладки в городах, на промышленных предприятиях, внутри помещений и т.д.

Выбор напряжения ЛЭП. Этот вопрос решается на основании технико-экономических расчетов, основу которых составляет сравне­ние стоимости ЛЭП разных классов напряжения (затрата на сооружение, обслуживание, эксплуатацию, ремонт) и стоимости потерь мощности, неизбежных при передаче электроэнергии. Известно, что эти потери равны

, кВт

где I_л - сила тока в ЛЭП, А; r_л -активное сопротивление проводов ЛЭП, Ом;

r₀ -удельное активное сопротивление, Ом/км; l –длина ЛЭП, км.

При известной величине полной мощности нагрузки S_нг и выбираемом напряжении ЛЭП U_л потери мощности в линии обрат­но пропорциональны квадрату напряжения.

Пример расчета. Для схемы рис.2.1.а. определить предельное расстояние l_п переда­ли электроэнергии от источника потребителю, если максимально допустимая потеря активной мощности в ЛЭП численно равна 10% от кВ; S_нг =2,6 МВА; j_э =1,4 А/мм² .

Решение. В соответствии с (2.3) и (2.5)

А

мм²

Принимаем F=95 мм², тогда r₀ =0,33 Ом/км (см. приложение).

Используя (2.4)

откуда l_п =12,825 км.

Контрольное задание. Для линии рис.2.1.а. сравнить потери ак­тивной мощности при различных напряжениях U_л . Исходные данные приведены в табл.2.1. Номер варианта соответствует последней цифре номера зачетной книжки.

Таблица 2.1. Исходные данные для контрольного задания.

Параметр	Вариант
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Sнг, МВА	2	3	3	8	8	15	16	12	17	18
Uл1, кВ	10,5	10,5	10,5	37,5	10,5	37,5	115	37,5	115	115
Uл2, кВ	37,5	37,5	37,5	115	115	115	230	115	230	230
l, км	6	5	10	22	10	16	25	24	32	38
Jэ, А/мм2	1,2	1,3	1,4	1,4	1,3	1,2	1,5	1,5	1,4	1,4