основы

СОВРЕМЕННОЙ

ЭНЕРГЕТИКИ

Том 2

СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

Под редакцией профессоров А.П. Бурмана и В.А. Строева

Предисловие авторов

Читателю предлагается т. 2 двухтомного учебника по основам совре­менной энергетики, посвященный закономерностям явлений и процессов, на которых базируется современная электротехника и электроэнергетика, а также состоянию и перспективам развития электроэнергетики России; учебник адресован в первую очередь студентам вузов — будущим менед­жерам энергетических компаний.

Настоящее издание учебника существенно переработано. В 4-м изда­нии произошли изменения в части распределения материала между пер­вым и вторым томами. Так, вопросы геотермальной энергетики теперь изложены в первом томе, где подробно рассмотрены принципы и меха­низмы подготовки природного пара для использования его в промышлен­ных целях. В связи с тем, что в настоящее время значительно повысился интерес к промышленному внедрению технологий управляемых (гибких) линий передач (FACTS) и к устройствам на основе современных прибо­ров силовой электроники, материалы учебника, в которых рассматрива­ются эти вопросы, расширены и переработаны.

В книгу включены три новых главы по вопросам техники высоких напряжений, электротехнических материалов и перспектив создания и внедрения в электроэнергетику оборудования, работающего на основе сверхпроводимости.

Авторство гл. 1 принадлежит заведующему кафедрой теоретических основ электротехники МЭИ, чл.-корр. РАН, профессору П.А. Бутырину. Она посвящена теоретическим основам электротехники — научной базе, без которой невозможно понимание как принципов действия отдельных элементов электроэнергетических систем (ЭЭС), так и функционирования ЭЭС в целом. Здесь рассмотрены основные положения теории электро­магнитного поля и теории электрических цепей, а также трехфазные цепи переменного тока.

В главах 2 и 3, написанных профессором В.А. Строевым, изложена краткая история развития электроэнергетики, рассмотрены основные фак­торы, определяющие целесообразность объединения электростанций на параллельную работу, т.е. создания энергосистем, а также соединения энергосистем между собой. Приводятся основные характеристики элект­рических сетей, дается их систематизация по классификационным при­знакам. Приводится также классификация возможных режимов работы ЭЭС, формулируются задачи управления ЭЭС в различных режимах, рассматриваются средства управления этими режимами. Подробно анализи­руются задачи и функции диспетчерского управления ЭЭС (с помощью оперативного персонала), а также общая структура системы противоаварийной автоматики, состоящей из. предупредительной, локализующей и восстановительной подсистем. Изложены вопросы регулирования напря­жения и частоты.

В гл. 4, представленной профессором В.А. Старшиновым, приведены схемы распределительных устройств (РУ) электростанций и мощных под­станций, даны наиболее характерные примеры таких систем. Подробно изложены требования, предъявляемые к схемам РУ, их классификация и типовая сетка. Рассмотрены схемы питания собственных нужд электро­станций и подстанций.

В гл. 5 профессором А.А. Глазуновым подробно изложены главные условия и задачи формирования, построения и функционирования систем электроснабжения (СЭС), описаны основные группы потребителей электроэнергии (промышленность, транспорт, коммунально-бытовой сек­тор, сельское хозяйство). Рассмотрены схемы и параметры сетей СЭС, конструкции их основных элементов, а также подходы к проектированию и расчетам СЭС.

Гл. 6 написана канд. техн. наук, ст. науч. сотр. И.И. Карташевым; в ней подробно изложены вопросы качества электроэнергии в системах элект­роснабжения потребителей.

Следующие семь глав посвящены основному электротехническому оборудованию электрических станций и подстанций и основным элемен­там электрических сетей и линий электропередачи.

Две из них (главы 7 и 8) принадлежат перу профессора В.А. Кузнецова. В них рассматриваются принципы действия и основы конструктивного исполнения электрических машин и трансформаторного оборудования электростанций, их электрическая изоляция и системы охлаждения.

В гл. 9, написанной профессором А.П. Бурманом, изложены основные сведения по коммутационной и защитной аппаратуре высокого напряже­ния. Приводится классификация аппаратов различного назначения, рас­сматриваются условия их работы и формулируются общие требования к их функционированию. Подробно описаны выключатели всех известных типов, разъединители, отделители, короткозамыкатели, разрядники и ограничители перенапряжений, токоограничивающие реакторы и комп­лектные распределительные устройства, Даны сведения о силовых кон­денсаторах.

Гл. 10, автором которой является профессор Э.Н. Зуев, посвящена воз­душным и кабельным линиям электропередачи (ЛЭП). Рассмотрены общие характеристики этих линий и условия их работы, подробно опи­саны основные компоненты ЛЭП: провода и грозозащитные тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура, а также современные конструк­ции кабелей и их изоляция.

Глава 11 представлена профессором Ю.П. Рыжовым и посвящена элект­ропередачам и вставкам постоянного тока, а также современным управля­емым (так называемым «гибким») электропередачам переменного тока. Изложены функциональные особенности передач и вставок постоянного тока, освещен мировой опыт их использования и перспективы примене­ния в России, рассмотрены схемы и основное оборудование этих передач и вставок, а также принципы и законы регулирования их режимов. Уде­лено значительное внимание проблеме повышения пропускной способ­ности традиционных электропередач переменного тока путем оснащения их статическими управляемыми устройствами, что оказывает благоприят­ное влияние на режимы работы энергосистемы в целом, улучшает устой­чивость ее работы.

В гл. 12 профессором Ю.К. Розановым даны основные сведения по силовой электронике, описаны силовые электронные ключи, их статичес­кие и динамические режимы. Приведены схемы преобразования электри­ческой энергии с помощью выпрямителей, инверторов, преобразователей частоты, преобразователей постоянного тока. Описаны основные области применения силовой электроники в электроэнергетике.

Гл. 13 принадлежит доценту В.В. Кривенкову и посвящена релейной защите ЭЭС, обеспечивающей ликвидацию аварийных ситуаций посредс­твом отключения поврежденных элементов ЛЭП, генераторов, трансфор­маторов. Рассмотрены принципы действия и схемы построения защит, применяемых в современных энергосистемах.

В гл. 14 профессором СВ. Серебрянниковым описаны различные виды электротехнических материалов и указаны основные области и особен­ности их применения в электроэнергетике.

Гл. 15 написана член-корр. РАМ, профессором И.М. Бортником и посвя­щена вопросам техники высоких напряжений в линиях как переменного, так и постоянного тока.

В гл. 16, представленной профессором Ю.Г. Шакаряном, изложены современные взгляды на возможности разработки и применения в элект­роэнергетике оборудования, создаваемого на основе явления сверхпрово­димости, даны прогнозы его промышленного использования.

В заключительной гл. 17, написанной профессором В.И. Виссарионовым рассмотрены основные виды нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в электроэнергетике. Приведены данные по их энер­гетическому потенциалу, схемам наиболее рационального использования и видам энергетического оборудования.

В книге также использованы материалы профессора И.Б. Пешкова, доцентов СВ. Шульженко, А.А. Гремякова и канд. техн. наук, ст. научн. сотр. СЮ. Сыромятникова, за которые авторы искренне благодарят их.

Как и в т. 1, кроме содержания, помещенного в начале каждой главы, книга снабжена словарем основных терминов, позволяющим получить краткие пояснения тех или иных терминов и быстро найти на них ссылки на соответствующие страницы учебника; термины в указателе и тексте выделены курсивом.

Научное редактирование второго тома учебника выполнено А.П. Бурманом и В.А. Строевым.

Все замечания, касающиеся методики изложения и содержания учеб­ника, а также возможных фактических неточностей, будут приняты с бла­годарностью.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие авторов

Глава первая. Теоретические основы электротехники

1.1. Предмет, основные разделы и понятия теоретических основ электротехники

1.2. Электрические цепи: элементы, схемы, законы, классификация

1.3. Электромагнитные процессы и режимы электрических цепей. Режим синусоидальных токов

1.4. Мощности в цепях синусоидального тока

1.5. Трехфазные цепи: фазные и линейные токи, напряжения, мощности

1.6. Электрические цепи несинусоидальных токов

1.7. Высшие гармоники в трехфазных цепях

1.8. Мощности в цепях несинусоидальных токов

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава вторая. Краткая история электроэнергетики. Электроэнергетические

системы

2.1. Введение

2.2. Развитие электроэнергетики России

2.3. Электроэнергетические системы

2.4. Электрические сети

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава третья. Режимы работы ЭЭС и управление ими

3.1. Классификация режимов ЭЭС

3.2. Переходные режимы и процессы

3.3. Нормативные показатели устойчивости и их обеспечение

3.4. Средства управления режимами и их функции

3.5. Регулирование напряжения и электрических сетях

3.6. Регулирование частоты и мощности в энергосистемах

3.7. Основные принципы диспетчерского управления

3.8. Иерархическая система диспетчерского управления ЕЭС России

3.9. Временные уровни управления режимами ЭЭС

3.10. Автоматизированная система диспетчерского управления

3.11. Структура системы противоаварийной автоматики

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельною изучения

Глава четвертая. Электрические схемы электростанций и подстанций

4.1. Общие сведения

4.2. Основные требования, предъявляемые к схемам распределительных устройств электроустановок

4.3. Классификация схем распределительных устройств

4.4. Схемы, применяемые на генераторном напряжении

4.5. Схемы, применяемые на высшем и среднем напряжениях

4.6. Типовая сетка схем распределительных устройств

4.7. Структурные схемы электрических станций и подстанций

4.8. Электроснабжение собственных нужд электростанций и подстанций

4.9. Примеры исполнения электрических схем электростанций

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава пятая. Системы электроснабжения

5.1. Общая характеристика систем электроснабжения

' 5.2. Основные группы потребителей электроэнергии

5.3. Основные задачи и условия формирования систем электроснабжения

5.4. Номинальные напряжения электроустановок

5.5. Основные типы схем электрических сетей

5.6. Режим нейтрали электрических сетей

5.7. Конструкции линий, подстанций СЭС и их основного электрооборудования.

5.8. Основные вопросы проектирования и расчетов СЭС

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава шестая. Качество электроэнергии в системах электроснабжения

6.1. Качество электрической энергии

6.2. Показатели качества электроэнергии

6.3. Влияние качества электроэнергии на функционирование технических средств

6.4. Технические средства контроля качества электроэнергии

6.5. Обеспечение качества электроэнергии

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава седьмая. Электрические машины электростанций

7.1. Конструкции синхронных генераторов

7.2. Принцип действия синхронных генераторов

7.3. Типытурбо- и гидрогенераторов по мощностям и способам охлаждения

7.3.1. Турбогенераторы

7.3.2. Гидрогенераторы

7.4. Системы возбуждения генераторов

7.5. Совершенствование изоляции обмоток синхронных генераторов

7.6. Характеристики генераторов, работающих на автономную сеть

7.7. Включение генераторов на параллельную работу с сетью постоянного напряжения и постоянной частоты

7.8. Угловая характеристика. Статическая устойчивость работы генераторов при работе параллельно с сетью бесконечной мощности. V-образные характеристики генераторов

7.9. Синхронные двигатели

7.10. Синхронные компенсаторы

7.11. Синхронные машины продольно-поперечного возбуждения. Асинхронизированные синхронные машины

7.12. Асинхронные двигатели

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава восьмая. Трансформаторное оборудование

8.1. Общие вопросы

8.2. Принцип работы и устройство трансформатора

8.3. Автотрансформаторы

8.4. Конструкция трансформатора

8.5. Изоляция в трансформаторах

8.6. Потери и коэффициент полезного действия трансформатора

8.7. Структура условного обозначения типа трансформатора

8.8. Измерительные трансформаторы

8.9. Современное состояние, тенденции развития трансформаторостроения

8.10. Реакторы

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава девятая. Коммутационные и защитные аппараты высокого напряжения. Силовые конденсаторы

9.1. Назначение и классификация аппаратов

9.2. Условия работы аппаратов высокого напряжения и общие требования, предъявляемые к ним

9.3. Выключатели высокого напряжения

9.3.1. Воздушные выключатели

9.3.2. Элегазовые выключатели

9.3.3. Масляные выключатели

9.3.4. Электромагнитные выключатели

9.3.5. Вакуумные выключатели

9.4. Разъединители, отделители, короткозамыкатели

9.5. Комплектные распределительные устройства

9.5.1. Комплектные РУ 10—5 кВ

9.5.2. Герметизированные комплектные РУ

9.6. Защитные и токоограничивающие аппараты

9.7. Силовые конденсаторы

9.7.1. Основные характеристики силовых конденсаторов

9.7.2. Электротехнические материалы, применяемые в силовых конденсаторах

9.7.3. Конструкции и области применения силовых конденсаторов

9.8. Перспективы развития коммутационных аппаратов в мире

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава десятая. Технические средства передачи электроэнергии

10.1. Основные понятия и определения

10.2. Общая характеристика воздушной линии и условий ее работы

10.3. Провода и грозозащитные тросы ВЛ

10.4. Классификация опор ВЛ

10.5. Изоляторы и линейная арматура

10.6. Геометрические характеристики ВЛ

10.7. Общая характеристика кабельных линий

10.8. Кабельные линии низкого и среднего напряжений

10.9. Кабельные линии высокого напряжения.

10.10. Основные сведения о сооружении кабельных линий

10.11. Электрические характеристики линий электропередачи переменного тока

10.11.1. Однолинейная транспонированная воздушная линия

с нерасщеплённой фазой

10.11.2. Однолинейная транспонированная воздушная линия

с расщепленной фазой

10.11.3. Двухцепная транспонированная воздушная линия

10.11.4. Кабельные линии

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава одиннадцатая. Электропередачи и вставки постоянного тока.

Управляемые (гибкие) линии переменного тока

11.1. Возможные области применения 'электропередач и вставок постоянного

тока

11.2. Использование объектов постоянного тока в мировой электроэнергетике

11.3. Схемы электропередач и вставок постоянного тока

11.4. Энергетические характеристики преобразователей

11.5. Воздушные и кабельные линии постоянного тока. Основное оборудование преобразовательных подстанций

11.6. Технико-экономические показатели электропередач постоянного тока

11.7. Управляемые (гибкие) линии переменного тока

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава двенадцатая. Силовая электроника

12.1. Введение

12.2. Силовые электронные ключи

12.3. Преобразователи электроэнергии

12.4. Применение силовой электроники в электроэнергетике

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава тринадцатая. Релейная защита

13.1. Назначение релейной зашиты. Требования, предъявляемые

к релейной защите

13.2. Структурная схема РЗ, подключение РЗ к защищаемому объекту

13.3. Токовые защиты.

13.4. Дистанционная зашита

1 3.5. Продольная дифференциальная токовая защита

13.6. Поперечная дифференциальная токовая защита

13.7. Направленная защита с высокочастотной блокировкой

13.8. Дифференциально-фазная защита

13.9. Комплексы релейной защиты

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава четырнадцатая. Электротехнические материалы

14.1. Общие положения

14.2. Проводниковые материалы

14.3. Изоляционные материалы

14.4. Магнитные материалы

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава пятнадцатая. Техника высоких напряжений (ТВН)

15.1. Предмет техники высоких напряжений

15.2. Механизм нарушения электрической изоляции

15.3. Характеристики отдельных видов изоляции

15.3.1. Воздушная изоляция

15.3.2. Назначение и типы изоляторов

15.3.3. Внутренняя изоляция

15.4. Электрические воздействия на электрическую изоляцию

15.4.1. Грозовые перенапряжения и их ограничение

15.4.2. Коммутационные перенапряжения и их ограничение

15.5. Испытания изоляции электрооборудования

15.5.1. Испытания оборудования в процессе изготовления

15.5.2. Профилактические испытания изоляции в эксплуатации

15.5.3. Испытательное оборудование

15.6. Перспективные направления развития техники высоких напряжений

15.6.1. Особенности проектирования изоляции оборудования

постоянного тока

15.6.2. Особенности проектирования изоляции оборудования ультравысокого напряжения

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава шестнадцатая. Сверхпроводимость

16.1. Общие сведения

16.2. Основные виды сверхпроводникового (СП) оборудования

Введение

16.2.1. Кабельные линии электропередачи

16.2.2. Трансформаторы.

16.2.3. Ограничители токов КЗ

16.2.4. Индуктивные и кинетические накопители энергии

16.2.5. Электрические машины

16.3. Ситуация с освоением СП-техники в электроэнергетике России

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Глава семнадцатая. Гидроэнергетика и другие возобновляемые

источники энергии

17.1. Гидроэнергетические ресурсы

17.2. Типы гидроэнергетических установок

17.3. Основные схемы использования водной энергии

17.4. Регулирование стока реки водохранилищем

17.5. Гидроэлектростанции и их энергетическое оборудование

17.6. Мощность ГЭС и выработка энергии

17.7. Гидротехнические сооружения ГЭС

17.8. Гидроаккумулирующие электростанции

17.9. Солнечная энергетика

17.10. Ветроэнергетика

17.11. Геотермальная энергетика

Контрольные вопросы

Литература для самостоятельного изучения

Приложение 1

Приложение 2

Словарь основных терминов

Глава первая