§ 9.2. Розподіл електричної енергії

Електрична енергія від електричних станцій до споживачів передається за допомогою ліній електропередачі (ЛЕП). Генератори на електростанціях виробляють електричну енергію змінного стру-

му напругою U₁ = 6/10 кВ. Втрати потужності в лінії елек­тропередачі пропорційні опору лінії та квадрату струму:

Тому для зменшення втрат потужності в лінії необхідно змен­шити струм, який передається по ній. Оскільки коефіцієнт ко­рисної дії потужних силових трансформаторів досить високий (близько 90%), то можна прийняти, що повна потужність пер­винної обмотки трансформатора дорівнює повній потужності його вторинної обмотки, тобто

З невеликим припущенням можна сказати, що у скільки разів підвищується напруга первинної обмотки трансформатора, у стіль­ки ж разів зменшується струм вторинної обмотки.

Генераторну напругу електростанцій підвищують до значень 35, 110, 220, 400, 500, 750, 1150 кВ і по лінії електропередачі передають на знижувальну підстанцію, де напруга зменшується до номінальної напруги підстанцій споживачів. На підстанціях споживачів напруга знижується до номінальної 380/220 або 660 В, відповідно до номінальної напруги споживачів електроенергії.

Електричні станції об'єднуються в електроенергетичну систему, яка є сукупністю електричних станцій, підстанцій та споживачів електроенергії, пов'язаних між собою лініями електропередачі та електричними мережами при загальному централізованому опе­ративному керуванні.

Паралельна робота електростанцій на загальну електричну ме­режу забезпечує раціональний розподіл навантаження між ними, краще використання встановленої потужності електростанцій, під­вищення надійності електропостачання споживачів, а також якості електроенергії.

Електричні мережі — це сукупність підстанцій, розподільних пристроїв та з'єднувальних електричних ліній, розміщених на території району, населеного пункту споживача електроенергії.

До електричної мережі входять повітряні та кабельні лінії. По­вітряні лінії служать для передачі електричної енергії по про­водах, які за допомогою ізоляторів та арматури прикріплені до опор або кронштейнів і розміщені на відкритому повітрі. До складу повітряної лінії входять також елементи, які забезпе­чують неперервне електропостачання споживачів та нормальну роботу лінії. Це грозозахисні троси, заземлення, розрядники.

Повітряні лінії класифікуються за родом струму, призначенням, напругою, електричним режимом роботи.

За родом струму розрізняють лінії постійного та змінного струму.

За призначенням повітряні лінії розрізняють: наддалекі, напругою 500 кВ і вище — для зв'язку в основному окремих енергосистем;

магістральні, напругою 220 і 330 кВ — для передачі електро­енергії від потужних електростанцій, а також для зв'язку всередині енергосистем;

розподільні, напругою 35, 100 і 150 кВ — для електропостачання підприємств і населених пунктів великих районів;

лінії електропередачі 20 кВ і нижче — для підведення елек­троенергії до споживачів.

За напругою повітряні лінії поділяються на дві групи: до 1 кВ і вище 1 кВ.

За електричним режимом роботи повітряні лінії можуть бути з ізольованою та глухозаземленою нейтраллю. В електричних ме­режах з ізольованою нейтраллю загальна точка обмоток генератора або трансформатора — нейтраль — не приєднана до заземлюю­чого пристрою або приєднана до нього через апарати, які мають великий опір.

В електричних мережах із глухозаземленою нейтраллю нейтраль наглухо з'єднана з землею.

Особливості режиму роботи повітряної лінії мають важливе значення при виборі ізоляції проводів. Так, у мережах з ізольо­ваною нейтраллю ізоляція повітряних ліній розраховується на лінійну напругу, оскільки при замиканні фази на землю напруга двох інших фаз відносно землі дорівнює лінійній. При пошко­дженні однієї фази в мережах з глухозаземленою нейтраллю виникає коротке замикання через землю, і захисні пристрої лінії вимикають пошкоджену ділянку.

Основними елементами повітряної лінії є опори, проводи, ізолятори, арматура.

Залежно від призначення опори поділяються на проміжні, анкерні, кутові, кінцеві та спеціальні.

Проміжні опори призначені для підтримування проводів на прямих ділянках траси і не розраховані на навантаження від тяжіння проводів вздовж лінії.

Анкерні опори встановлюють на прямих ділянках траси для переходу повітряної лінії через інженерні споруди (автошляхи, лінії зв'язку) або природні перешкоди (річки, яри). Вони сприймають поздовжнє навантаження від тяжіння проводів і тросів.

Кутові опори встановлюють у місцях повороту траси повітряної лінії.

Кінцеві опори є різновидом анкерних, їх встановлюють на початку та в кінці лінії. При нормальних умовах роботи лінії вони сприймають навантаження від одностороннього тяжіння проводів.

Спеціальні опори поділяються на:

транспозиційні — для зміни порядку розміщення проводів на опорах;

перехресні — для перехрещення двох повітряних ліній різних напрямів;

відгалужувальні — для відгалуження від магістральної лінії;

противітрові — для підсилення механічної міцності повітряної лінії;

перехідні — використовують при переходах повітряних ліній через природні перешкоди та штучні споруди й ін.

Опори встановлюють безпосередньо в грунт і на спеціально підготовлені фундаменти.

Виготовляють опори з металу, залізобетону, дерева.

Для передачі електроенергії від джерела живлення до спожи­вачів використовують алюмінієві, сталеалюмінієві проводи та з алюмінієвого сплаву — залежно від умов розміщення повітряної лінії. Діаметр проводів, їхній переріз і матеріал визначаються електричними розрахунками мережі, її параметрами. Основним чинником при виборі матеріалу проводів є розміщення лінії в населеному або ненаселеному пункті, у різних районах залежно від ожеледиці й вітру, в середовищі з різним ступенем агресивних фракцій. Проводи на повітряних лініях розміщують в один ряд (одноланцюгові повітряні лінії) та у два ряди (дволанцюгові повітряні лінії).

Потужні повітряні лінії споруджують із розщепленими фазами, на яких замість одного фазного проводу великого перерізу підві­шують декілька скріплених між собою проводів меншого перерізу. Так, у кожній фазі повітряної лінії напругою 220 кВ підвішують по одному проводу, на повітряній лінії 330 кВ — по два проводи у кожній фазі, які розміщені горизонтально, на повітряній лінії 500 кВ по три проводи, які розміщені по вершинах трикутника, ца повітряній лінії 750 кВ — по чотири або п'ять проводів, які розміщені відповідно по вершинах квадрата або п'ятикутника.

Над фазними проводами підвішують по одному або по два грозозахисні троси.

Ізолятори на повітряних лініях перебувають під електричною напругою й одночасно сприймають навантаження від маси проводів, їхнього тяжіння, напору вітру, вібрації проводів, ожеледиці. Тому вони повинні мати як електричну, так і механічну міцність, яка характеризується допустимим механіч­ним навантаженням.

Ізолятори виготовляють з електротехнічної порцеляни або із спеціально загартованого скла. Електротехнічну порцеляну по­кривають шаром глазурі та випалюють у печах. Механічна міцність скляних ізоляторів значно вища, ніж порцелянових.

За способом кріплення на опорах розрізняють штирові й підвісні ізолятори. Штирові ізолятори закріплюють на гаках або штирях, а підвісні складають у гірлянду і спеціальною арматурою закріплюють до опори.

На повітряних лініях до 20 кВ використовують в основному штирові ізолятори, на повітряних лініях 35 кВ — штирові й підвісні, а на лініях 110 кВ і вище — тільки підвісні.

Для забезпечення необхідної ізоляції проводів підвісні ізолятори складають у гірлянди. Кількість ізоляторів у гірлянді залежить від напруги лінії електропередачі, а також від типу ізоляторів та опор.

Небезпечною для ізоляції повітряних ліній є перенапруга, яка виникає під час прямих ударів блискавки. Вона досягає 6—7 мільйонів вольт. Під час розряду блискавки виникає канал, який є добрим провідником. Напруга в каналі досягає сотень тисяч вольт, потужність розряду — сотень тисяч мегават, а температу­ра — десятків тисяч градусів.

Під час прямих ударів блискавки виникає коротке замикання повітряної лінії на землю, при цьому захисні пристрої лінії миттєво спрацьовують, але частина перенапруги поширюється по проводах і може вивести з ладу електроустаткування. Струм, що проходить по опорі під час розряду, розтікається в землі навколо опори. Його щільність у міру віддалення від опори зменшується, внаслідок чого поступово зменшується потенціал точок поверхні землі. Це призводить до того, що люди або тварини можуть бути вражені кроковою напругою.

Щоб обмежити перенапругу в електроустановках і забезпечити грозостійкість лінії, встановлюють блискавковідводи, грозозахисні троси, захисні проміжки, розрядники. Усі ці пристрої з'єднують із захисним заземленням.

Блискавковідводи встановлюють вище від повітряної лінії. Вони сприймають грозові розряди, захищаючи лінію. Блискавковідво­ди — це заземлені вертикальні конструкції (щогли).

Грозозахисні троси — це горизонтальні блискавковідводи, які натягнуті вздовж лінії над проводами.

На повітряних лініях до 20 кВ грозозахисні троси не використовуються. На повітряних лініях у 35 кВ грозозахисні троси встановлюють тільки на підходах до підстанції, а на повітряних лініях 110 кВ і вище на залізобетонних та залізних опорах грозозахисні троси встановлюють на всьому протязі лінії.

Захисні проміжки (рис. 9.1) — це два металеві електроди З, один з яких з'єднаний з проводом 1, а другий — із металевою заземленою конструкцією 5 за допомогою кронштейна 4. Відстань між електродами встановлюється такою, щоб ізоляція проміжку витримувала номінальну напругу повітряної лінії.

Під час грозових розрядів атмосферна перенапруга пробиває проміжок і входить у землю, а ізоляція лінії при цьому не руйнується.

Точність спрацьовування захисних проміжків невелика, ос­кільки ізолюючим матеріалом є повітря, електрична міцність якого змінюється залежно від вологості.

Надійнішими апаратами захисту лінії від грозових розрядів є

розрядники.

Розрядники поділяються на трубчасті й вентильні. Трубчасті розрядники складаються з ізолюючої трубки, всере­дині якої розміщений іскровий проміжок. Трубка виготовлена з газогенеруючого матеріалу. Під час грозового розряду імпульс струму блискавки пробиває іскровий проміжок і між електродами утворює дугу, що призводить до виділення великої кількості

Рис. 9.1. Захисний проміжок: Рис. 9.2. Вентильний розрядник:

1 — провід; 2 — болтовий затискач; 3 – металеві а — функціональна схема, б — умовне позначення;

електроди; 4 — кронштейн; 5 - металева заземлена 1— іскрові проміжки; 2 — робочі опори.

конструкція.

тепла, яке викликає виділення газів з трубки. Це забезпечує швидке гасіння дуги.

Вентильний розрядник (рис. 9.2) складається з іскрових проміжків 1 та робочих опорів 2. Робочі опори виготовлені із спеціального матеріалу — віліту, який змінює свій опір залежно від величини прикладеної напруги. Чим більша на­пруга проходить через вілітовий диск, тим менший його опір, і навпаки.

Під час ударів блискавки іскрові проміжки пробиваються і на робочі опори розрядника подається висока напруга. Під її дією опір вілітових дисків зменшується й імпульсний струм розряду проходить через розрядник у землю, не порушуючи при цьому ізоляцію повітряної лінії.

Кабельна лінія служить для передачі електричної енергії або окремих її імпульсів. Вона складається з одного або декількох паралельних кабелів з муфтами різного призначення (з'єднуваль­ними, стопорними, кінцевими) та кріпильними деталями.

Електричний кабель — одна або більше ізольованих жил (про­відників), розміщених всередині металевої або неметалевої обо­лонки, зверху якої залежно від умов прокладання та експлуатації може бути відповідний захисний покрив (в окремих випадках він містить броню).

Електричні кабелі поділяються на силові й контрольні.

Силові електричні кабелі призначені для передачі й розподілу електричної енергії.

Контрольні електричні кабелі призначені для комутації елек­тричних приладів контролю і пристроїв сигналізації електроус­тановок.

Силові електричні кабелі поділяються на дві групи: низької напруги на 1, 3, 6, 10, 20, 35 кВ та високої напруги на 110, 220 кВ і вище.

Кабелі низької напруги виготовляють одно-, дво-, три- і чо­тирижильними, з мідними та алюмінієвими жилами, з паперовою, пластмасовою та гумовою ізоляцією.

Оболонки кабелів можуть бути свинцеві, алюмінієві або пласт­масові.

Кабелі високої напруги випускають маслонаповненими, низь­кого і високого тиску.

Залежно від умов, в яких експлуатуються кабелі низької на­пруги, а також від місць прокладання кабельної траси, вибирають спосіб прокладання кабельної лінії.

Найбільш доступним є спосіб прокладання кабельної лінії у траншеях. Він не потребує великого обсягу будівельних робіт, сприяє створенню сприятливих умов для охолодження кабелів. Недолік цього способу полягає у тому, що можливі механічні пошкодження кабелю під час виконання різних земляних робіт.

В одній траншеї, як правило, прокладають не більше шести силових кабелів.

Найбільш прогресивним є спосіб прокладання кабелів на ес­такадах і галереях. Його переваги: зручність монтажу та експ­луатації, менша імовірність механічних пошкоджень кабелю, три­валіше збереження оболонок кабелю через відсутність руйнуючих чинників, які мають місце в грунті (блукаючі струми, ґрунтова корозія, хімічні реагенти).

Якщо немає можливості спорудити галереї та естакади, то проктадаюгь кабелі в тунелях. Спорудження тунелів потребує великих капітальних вкладень, і в місцях, де густо розгалужені інженерні мережі, важко їх споруджувати. Проте тунелі забезпе­чують надійну роботу кабельних ліній.

У місцях з інтенсивно блукаючими струмами або з грунтами особливого ступеня агресивності кабельні лінії прокладають у блоках.

По стінах будівель та споруд, які виготовлені з негорючих матеріалів, прокладають також кабелі.

Підвищення і зниження напруги в електричних мережах здійснюється трансформаторами, які встановлюються на під­станціях.

Підстанцією називається електроустановка, призначена для перетворення та розподілу електричної енергії. Вона складається з одного або декількох силових трансформаторів, розподільних пристроїв, пристроїв керування, захисту й сигналізації.

Залежно від призначення підстанції поділяються на трансфор­маторні, перетворювальні й тягові.

Електрична трансформаторна підстанція призначена для пе­ретворення електричної енергії однієї напруги в енергію іншої напруги з допомогою трансформаторів.

Електрична перетворювальна підстанція призначена для ви­прямлення змінного струму або перетворення постійного струму в змінний.

Електрична тягова підстанція призначена для живлення тран­спортних засобів на електричній тязі через контактну мережу.

Залежно від місця розташування підстанції поділяються на закриті, відкриті, вбудовані, опорні, щоглові.

У закритій електричній підстанції все або основне устаткування розміщене в приміщенні.

У відкритій електричній підстанції основне устаткування ро­зміщене на відкритому повітрі.

Опорна електрична підстанція — підстанція, з якої здійснюють керування й контроль за роботою інших підстанцій даної елек­тричної мережі.

Щоглова електрична підстанція — підстанція, устаткування якої встановлено на конструкціях або на опорі повітряної лінії елек­тропередачі, яка не потребує наземної огорожі.

Знижувальні підстанції поділяються на районного та місцевого значення.

Районні підстанції призначаються для електропостачання ве­ликих районів з промисловими, міськими та сільськими спожи­вачами. Вони мають первинну напругу 500, 220, 110 кВ а вторинну - 220, 110, 35, 10, 6 кВ.

Підстанції місцевого значення призначаються для електропос­тачання окремих підприємств або районів міста. Вони живляться від розподільних мереж високої напруги і мають первинну напругу 220, 110, 10, 6 кВ, а вторинну - 10, 6, 0,38 кВ.

Електроустановки, призначені для приймання та розподілу електроенергії без трансформації та перетворення, називаються розподільними пристроями. Вони містять комутаційні апарати, збір­ні та з'єднувальні шини, допоміжні пристрої, а також пристрої захисту, автоматики і вимірювальні прилади.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як поділяють електростанції залежно від технологічного процесу перетворення енергії та використання енергоресурсів?

2. Чим зумовлена потреба у використанні гідроакумулюючих елек­тростанцій?

3. Як використовують відновлювальні джерела енергії для вироб­ництва електроенергії?

4. Що називається енергетичною системою?

5. Як поділяють повітряні лінії за родом струму, напругою, при­значенням, електричним режимом роботи?

6. Охарактеризуйте основні елементи повітряної лінії.

7. Як забезпечується грозостійкість повітряної лінії?

8. Що називається електричним кабелем?

9. Охарактеризуйте силові та контрольні кабелі.

10. Якими способами прокладають кабельні лінії?

11. Що називається підстанцією?

12. Як поділяються підстанції залежно від призначення?

13. Як поділяються підстанції залежно від місця їхнього розташу­вання?

10. ЕЛЕКТРОПРИВОД