1. Классификация и основные характеристики, электроэнергетические систем и сетей.

Под электроэнергетической, или электрической системой (ЭЭС), обычно понимают электрическую часть энергетической системы. При этом под энергетической системой (ЭС) понимают совокупность всех звеньев цепочки получения, преобразования, распределения и использования всех видов энергии.

Электрические сети - это элементы ЭС, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии. Они состоят из линий электропередач, подстанций, распределительных и переключательных пунктов. Различают электропередачи транспортирующие энергию.

Сети, связывающие электрические станции и подстанции, разделяют на:

- районные

- распределительные.

Районные электрические сети, распределяющие электрическую энергию по территории крупных районов.

Распределительными - электрические сети, являющиеся частями районной электрической сети и передающие электрическую энергию непосредственно к местам потребления и к присоединенным там приемникам энергии.

Электрические сети иногда разделяются на:

- питающие – это сети, к которым приемники энергии непосредственно не присоединяются

- распределительные – это сети предназначенные для непосредственного электроснабжения бытовых потребителей городов, промышленных предприятий и потребителей в сельских местностях.

Электроэнергетические системы характеризуются:

- зависимостью своего развития от роста потребления энергии;

- активным влиянием электроэнергетики на технический прогресс.

Свойства электроэнергетических систем, как больших систем, характеризуются следующими признаками:

- развитием во времени в пределах заданных ограничений;

- множественностью нелинейных зависимостей;

- вероятностным характером изменения параметров и воздействий;

- саморегулируемостью, в смысле активного самовоздействия как на изменение внешних, так и внутренних воздействий;

- наличием механизма обратных связей, через которые осуществляется саморегулируемость системы;

- надежностью функционирования.

Одним из показателей является род тока, в соответствии с которым различают электрические сети:

- переменного тока;

- постоянного тока.

Электрические сети и отдельные электропередачи характеризуются номинальным напряжением: 10, 35, 110; 330, 500, 750, 1150 кВ.

Различают также сети:

- низковольтные (с номинальным напряжением 1000 В и ниже)

- высоковольтные сети (с номинальным напряжением выше 1000 В).

Иногда электрические сети подразделяют на:

- местные (распределительные) с ;

- районные (питающие) .

Питающей линией называется линия, питающая распределительный пункт или подстанцию от центра питания без распределения электроэнергии по ее длине. Распределительной линией считается линия, питающая ряд трансформаторных подстанций или вводы к электроустановкам потребителей.

Классификация по признакам, определяющимся конфигурацией схемы сети:

- разомкнутые сети

- замкнутые сети (кольцевые сети, сети с двусторонним питанием).

К разомкнутым сетям относятся сети, образованные линиями, нагрузки которых могут получать энергию только с одной стороны.

Замкнутыми сетями называются такие сети, по которым возможно осуществить электроснабжение потребителей не менее, чем с двух сторон.

2. Схема замещения линий электропередачи.

Воздушные линии электропередачи напряжением 110, 220 кВ длиной до 200 км обычно представляются П-образной схемой замещения.

Активное сопротивление определяется по формуле

, (2.1)

Реактивное сопротивление определяется следующим образом:

, (2.2)

При расчетах симметричных режимов используют средние значения

, (2.3)

- среднегеометрическое расстояние между фазами:

, (2.4)

В линиях электропередачи при кВ провод каждой фазы расщепляется на несколько проводов. Это соответствует увеличению эквивалентного радиуса. В выражении (2.3) вместо используется

, (2.5)

где - эквивалентный радиус провода, см;

- среднегеометрическое расстояние между проводами одной фазы, см;

- число проводов в одной фазе.

Удельное активное сопротивление фазы линии с расщепленными проводами определяется так:

, (2.6)

Активная проводимость линии соответствует двум видам потерь активной мощности: от тока утечки через изоляторы и на корону.

Токи утечки через изоляторы малы, и потерями мощности в изоляторах можно пренебречь. В воздушных линиях напряжением 110 кВ и выше при определенных условиях напряженность электрического поля на поверхности провода возрастает и становится больше критической. Воздух вокруг провода интенсивно ионизируется, образуя свечение - корону. Короне соответствуют потери активной мощности. Наиболее радикальным средством снижения потерь мощности на корону является увеличение диаметра провода. В связи с этим задаются наименьшие допустимые сечения по короне: на 110 кВ - 70 ; 220 кВ - 240 .

При расчете установившихся режимов сетей до 220 кВ активная проводимость практически не учитывается. В сетях с кВ при определении потерь мощности, при расчете оптимальных режимов необходимо учитывать потери на корону.

Емкостная проводимость линии обусловлена емкостями между проводами разных фаз и емкостью провод - земля и определяется следующим образом:

, (2.7)

где - удельная емкостная проводимость, См/км, которая может быть определена по справочным таблицам.

Для большинства расчетов в сетях 110 - 220 кВ линия электропередачи обычно представляется более простой схемой замещения. В этой схеме вместо емкостной проводимости учитывается реактивная мощность, генерируемая емкостью линий, МВар:

, (2.9)

Для воздушных линий напряжением 35 кВ и ниже емкостную мощность можно не учитывать.

Для линий кВ для определения параметров П-образной схемы замещения учитывают равномерное распределение сопротивлений и проводимостей вдоль линии.

Для кабельных линий расстояния между проводами значительно меньше, чем для воздушных, и очень мало. При расчетах режимов для кабельных сетей напряжением 10 кВ и ниже можно учитывать только активное сопротивление (рис.2.3, г). Емкостный ток и в кабельных линиях больше, чем в воздушных. В кабельных линиях высокого напряжения учитывают (рис.2.3,б) Активную проводимость учитывают для кабелей 110 кВ и выше.

3. Схема замещения трансформаторов.

Двухобмоточный трансформатор:

Активная проводимость соответствует потерям активной мощности в стали трансформатора от тока намагничивания . Реактивная проводимость определяется магнитным потоком взаимоиндукции в обмотках трансформатора.

В расчетах электрических сетей двухобмоточные трансформаторы при кВ представляют упрощенной схемой замещения (рис.2.4,в).

Проводимости ветви намагничивания определяются результатами опыта холостого хода (XX). В этом опыте размыкается вторичная обмотка, а к первичной подводится номинальное напряжение. Ток в продольной части схемы замещения равен нулю, а к поперечной приложено (рис.2.5,а). Трансформатор потребляет в этом режиме только мощность, равную потерям холостого хода, то есть (рис.2.5, б)

. (2.10)

; (2.11)

, (2.12)

. (2.14)

намного меньше, чем , и полная мощность трансформатора в режиме холостого хода приближенно равна намагничивающей мощности .

С учетом (2.14) проводимость определяется так:

. (2.15)

Сопротивления трансформатора и определяются по результатам опыта короткого замыкания. В этом опыте замыкается накоротко вторичная обмотка, а к первичной обмотке подводится такое напряжение, при котором в обеих обмотках трансформатора токи равны номинальному.

, (2.16)

. (2.17)

В современных мощных трансформаторах и .

. (2.19)

Потери активной мощности в зависят от тока и мощности нагрузки и . Эти потери равны

. (2.20)

. (2.21)

Потери реактивной мощности в аналогично (2.20) определяются так:

. (2.22)

Для трансформатора, через который проходят ток нагрузки и мощность , потери мощности с учетом (2.14), (2.21), (2.22) равны

; (2.23)

. (2.24)

Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы. Более экономично, чем два двухобмоточных, применять один трехобмоточный трансформатор (рис.2.6,б), все три обмотки которого имеют магнитную связь (рис.2.7,а). Еще более экономично применение трехобмоточных автотрансформаторов. Обмотка низшего напряжения магнитно связана с двумя другими. Обмотки же последовательная и общая непосредственно электрически соединены друг с другом и, кроме того, имеют магнитную связь. По последовательной обмотке течет ток , а по общей - (-).

Напряжение общей обмотки меньше ток в ней равен , поэтому ее мощность меньше . Можно показать, что мощность общей обмотки равна типовой. Обмотка низшего напряжения также рассчитывается на или на мощность меньше . Ее номинальная мощность выражается через номинальную мощность автотрансформатора [2]:

, (2.29)

где для кВ 0,25; 0,4; 0,5.

В трехобмоточном трансформаторе все три обмотки имеют мощность . В автотрансформаторе общая и последовательная обмотки рассчитаны на типовую мощность , а обмотки низшего напряжения – на . Таким образом, через понижающий автотрансформатор можно передать мощность, большую той, на которую выполняются его обмотки. Чем меньше коэффициент выгодности , тем более экономичен автотрансформатор по сравнению с трехобмоточным трансформатором. Чем ближе номинальные напряжения на средней и высшей сторонах автотрансформатора, тем меньше и тем выгоднее использовать автотрансформатор. При .

Схема замещения трехобмоточного трансформатора и автотрансформатора с кВ приведена на рис.2.7,в, а с кВ - на рис.2.7,г. Как и для двухобмоточного трансформатора, в такой схеме замещения отсутствуют трансформации, то есть идеальные трансформаторы, но сопротивления обмоток низшего и среднего напряжений приводят к высшему напряжению. Такое приведение соответствует умножению на квадрат коэффициента трансформации. Потери холостого хода и определяются так же, как и для двухобмоточного трансформатора. Потери - известная каталожная величина, а определяются из выражения (2.14) по каталожному значению , %. Для трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов задаются три значения потерь короткого замыкания по парам обмоток , , и три напряжения короткого замыкания по парам обмоток %, %, %.

В уравнениях (2.30) - (2.32) три неизвестных - активные сопротивления обмоток трансформатора . Решив эти три уравнения с тремя неизвестными, получим выражения, аналогичные (2.17):

; (2.33)

; (2.34)

. (2.35)

В (2.33) - (2.35) величины , , , соответствующие лучам схемы замещения, определяются по каталожным значениям потерь КЗ для пар обмоток:

; (2.36)

; (2.37)

; (2.38)

Аналогично этому по каталожным значениям напряжений КЗ для пар обмоток %, %, % определяются напряжения КЗ для лучей схемы замещения %, %, %:

; (2.39)

; (2.40)

; (2.41)

4. Схемы замещения автотрансформаторов

Обмотка низшего напряжения магнитно связана с двумя другими. Обмотки же последовательная и общая (П и О на рис.2.7,б) непосредственно электрически соединены друг с другом и, кроме того, имеют магнитную связь. По последовательной обмотке течет ток , а по общей - (-). Номинальной мощностью автотрансформатора называют мощность, которую автотрансформатор может принять из сети высшего напряжения или передать в эту сеть при номинальных условиях работы:

.

А) Схема замещения для Uном свыше 220 кВ

Б) Схема замещения для напряжения до 220 кВ

;

;

;

В сетях 110-220 кВ – атмосферные перенапряжения,

В сетях 330 кВ – коммутационные перенапряжения

Слабое место в АТр работа с заземленной нейтралью

4. Статические характеристики нагрузки

Важнейшая характеристика нагрузки потребителя - значение ее активной и реактивной мощностей.

Мощность, потребляемая нагрузкой, зависит от напряжения и частоты. Статические характеристики нагрузки по напряжению , или по частоте , - это зависимости активной и реактивной мощностей от напряжения (или частоты) при медленных изменениях параметров режима. Имеются в виду такие медленные изменения параметров режима, при которой каждое их значение соответствует установившемуся режиму. Динамические характеристики - это те же зависимости, но при быстрых изменениях параметров режима. Динамические характеристики соответствуют переходным режимам и учитывают скорость изменения их параметров

Регулирующим эффектом нагрузки называют степень изменения активной и реактивной мощностей нагрузки при изменений напряжения или частоты. Численно регулирующий эффект характеризуется значениями частных производных

, , ,

4. Задание нагрузок при расчетах режимов электрических сетей и систем

Активные элементы схем замещения электрических сетей и систем - нагрузки и генераторы - представляются в виде линейных или нелинейных источников. В зависимости от способа задания нагрузок и генераторов уравнения установившегося режима линейны или нелинейны. Способы представления нагрузок и генераторов при расчетах режимов зависят от вида сети и целей расчета.

Нагрузка задается постоянным по модулю и фазе током

Такая форма представления нагрузки принимается при всех расчетах распределительных сетей низкого напряжения кВ. Как правило, так же задается нагрузка в городских, сельских и промышленных сетях с напряжением кВ.

Нагрузка задается постоянной по величине мощностью

при расчетах установившихся режимов питающих и иногда распределительных сетей высокого напряжения

Нагрузка представляется постоянной проводимостью

Задание постоянной проводимости нагрузки используется при расчете электромеханических переходных процессов.