1

Лекция №1

1.1. Цели и задачи курса «Электропитающие системы и электрические сети».

Работа электрической системы прежде всего характеризуется значениями мощности (и соответственно энергии), вырабатываемой, преобразуемой, передаваемой и потребляемой силовыми элементами системы.

Состояние системы в любой момент времени или практически на некотором интервале времени называется режимом системы.

Режим определяется показателями, которые называются параметрами режима. К их числу относятся: частота, активная и реактивная мощности в элементах системы и напряжения у потребителей и в различных точках сети, величины токов и углов расхождения векторов э. д. с. и напряжения.

Различают три основных вида режимов электрических систем :

-нормальный установившийся режим, применительно к которому проек-

тируется электрическая сеть и определяются ее технико-экономические характеристики;

-послеаварийный установившийся режим, наступающий после аварийного отключения какого-либо элемента сети или ряда элементов;

-переходный режим, во время которого система переходит от одного состояния к другому.

Любой режим состоит из множества различных процессов. В дальнейшем условимся различать параметры режима и параметры сети. Параметры режима электрической сети связаны между собой определенными зависимостями.

Например, ток на участке линии передачи определяется зависимо-

ZЛ

ние данного участка системы (линии), является одним из параметров сети. Ряд параметров сети зависит от характера изменений ее режима, поэтому электрическая сеть, в сущности, является нелинейной системой. Однако во многих практических задачах параметры сети можно полагать неизменяющимися и считать сеть линейной.

Другой вид нелинейности изучаемой сети обусловлен характером соотношений между параметрами ее режима. Так, мощность, как известно, связана квадратичной зависимостью с напряжением и т. д. Нелинейность такого вида в большинстве случаев приходится так или иначе учитывать.

2

Электрические сети рассматриваются в основном применительно к неизменному режиму системы.

Говоря об установившемся режиме, в сущности всегда имеют в виду режим малых возмущений.

Малые возмущения в системе не должны служить причиной ее неустойчивости.

Система должна быть устойчива при этих малых возмущениях. Иначе говоря, она должна обладать статической устойчивостью.

Аварийные переходные процессы возникают вследствие каких-либо резких аварийных изменений режима системы, например, при коротких замыканиях элементов системы и последующем их отключении, при изменении схемы электрических соединений элементов системы.

Большие возмущающие воздействия приводят к значительным отклонениям параметров режима от их исходного состояния.

Под динамической устойчивостью понимают способность системы восстанавливать после больших возмущений состояние, близкое к исходному.

1.2. Электроэнергетические системы и электрические сети

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. Таким образом, энергетическая система состоит из котлов, турбин, генераторов, бойлеров, линий передач электрической и тепловой энергии, трансформаторов, электродвигателей, осветительных и нагревательных приборов, преобразователей тока, машин-орудий (станков, насосов, вентиляторов, тяговых устройств и т. д.). К этой цепочке следует присоединить также источники энергоресурсов.

Электроэнергетическая система производит, распределяет и преобразует исключительно (или главным образом) электрическую энергию. Снабжение энергией потребителей от ЭЭС, образованной после соединения сетями отдельных электростанций, имеет значительные техникоэкономические преимущества перед снабжением потребителей непосредственно от отдельных станций. ЭЭС дают значительные экономические выгоды, увеличивают надежность и бесперебойность электроснабжения, облегчают создание необходимого резерва мощности.

3

Важными характерными свойствами энергетических систем являют-

ся :

-одновременность процессов производства, распределения и потребления электрической энергии (выработка электроэнергии жестко определяется ее потреблением и наоборот), причем преобразование и передача энергии происходит во всех элементах системы с потерями энергии.

-быстрота протекания процессов, требующая специальных автоматических быстродействующих устройств, обеспечивающих качество энергии и надлежащее протекание переходных процессов в системе;

-связи функционирующих ЭЭС со всеми отраслями народного хозяйства предопределяют необходимость своевременного развития ЭЭС, рост которых должен опережать рост потребления энергии.

Энергетические системы можно различать по ряду признаков: по виду используемых энергетических ресурсов, по составу потребителей энергии

ипо взаимному географическому расположению источников энергетических ресурсов, а также электрических станций и потребителей энергии.

По виду используемых энергетических ресурсов энергетические системы разделяются на системы, имеющие преимущественно :

-тепловые электростанции, использующие энергию топлива (включая атомное топливо);

-гидроэлектростанции, использующие гидроэнергию и системы смешанного типа, в которых количество тепловых электростанций и гидроэлектростанций примерно одинаково.

По характеру географического расположения станций ЭЭС разделя-

ют на :

-концентрированные, не имеющие дальних передач, поскольку в таких системах электрические станции расположены сравнительно близко к центрам нагрузок;

-протяженные, имеющие дальние передачи энергии и развитые сети, связывающие взаимно удаленные источники энергетических ресурсов и центры нагрузок.

Отдельные энергетические системы связываются между собой электрическими сетями и это объединение их называется объединенной энергетической системой (ЕЭС). Основные преимущества объединения энергетических систем:

-уменьшение величины суммарного резерва мощности;

-наилучшее использование мощности и энергии гидростанций одной или нескольких энергетических систем и повышение их экономичности в целом;

-снижение суммарного максимума нагрузки объединяемых энергетических систем;

4

-взаимопомощь систем в случае неодинаковых сезонных изменений мощности электростанций и, в частности, гидростанций;

-облегчение работы систем при неодинаковых сезонных изменениях нагрузки;

-облегчение работы системы при ремонтах и авариях.

Создание ЕЭС России имеет дополнительно следующие преимуще-

ства:

-«долготный» эффект, возникающий при соединении ОЭС, развиваемых по долготе; в этом случае часы максимумов нагрузки смещены по времени, что приводит к значительному снижению суммарного совмещенного максимума и позволяет уменьшать затраты на сооружение электростанций;

-«широтный» эффект, возникающий при соединении ОЭС, удаленных по широте, при этом длительность часов максимума нагрузки у разных энергетических систем может быть различной, в связи с чем возможна помощь со стороны систем с меньшей длительностью максимума нагрузки другим системам;

-возможность присоединения промежуточных энергетических систем и удешевление электрификации промежуточных районов.

ЕЭС может иметь различную структуру, то есть различный состав суммарной установленной мощности энергосистемы, различаемой по типам входящих в систему электростанций (тепловые, конденсационные станции, теплоэлектроцентрали, гидроэлектростанции, атомные электростанции и т.

д.).

ЕЭС может иметь различную конфигурацию, то есть различное схематически представленное взаимное расположение входящих в энергосистему электростанций и основных электрических сетей, связывающих электростанции с центрами потребления электрической энергии.

Преобразование электрической энергии в системах осуществляется на подстанциях, которые или повышают подводимое напряжение или понижают его. Подстанции являются теми элементами системы, через которые присоединяются станции к сетям и соединяются между собой сети различных напряжений.

Электрические сети - это элементы ЭС, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии. Они состоят из линий электропередач (воздушных и кабельных), подстанций, распределительных и переключательных пунктов. Различают электропередачи транспортирующие энергию. Сети, связывающие электрические станции и подстанции, разделяют на районные и распределительные. Под районными понимают электрические сети, распределяющие электрическую энергию по территории крупных районов, а под распределительными - электрические сети, являющиеся ча-

5

стями районной электрической сети и передающие электрическую энергию непосредственно к местам потребления и к присоединенным там приемникам энергии.

Электрические сети иногда разделяются на питающие, к которым приемники энергии непосредственно не присоединяются, и собственно распределительные (городские и промышленные), предназначенные для непосредственного электроснабжения бытовых потребителей городов, промышленных предприятий и потребителей в сельских местностях.

Электроэнергетическая система является частью энергетической системы. ЭЭС входит в ЭС в качестве подсистемы, наряду с другими подсистемами - теплоснабжающими, транспортными, газовыми, гидроэнергетическими, топливными, в которых, в свою очередь, могут быть выделены подсистемы углеснабжения, нефтеснабжения, снабжения ядерным топливом и т. д.

ЭЭС, будучи подсистемами, сами являются большими системами кибернетического типа.

1.2.1. Электроэнергетические системы

Электроэнергетические системы могут рассматриваться как часть большой системы народного хозяйства страны. При этом они характеризуются:

-зависимостью своего развития от роста потребления энергии;

-активным влиянием электроэнергетики на технический прогресс. Свойства электроэнергетических систем, как больших систем, харак-

теризуются 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.

Общая цель управления электроэнергетическими системами может быть охарактеризована как стремление к достижению наивыгоднейшего значения критерия эффективности, получаемого при некоторых заданных ограничениях.

1.2.2. Методы управления объединенными системами

6

Методы управления объединенными системами рассматриваются в двух основных аспектах: физико-техническом и экономическом.

Физико-технический аспект в основном характерен при решении задач оперативного управления технологическими процессами в системах, а экономический аспект - при управлении развитием систем на более или менее отдельную перспективу.

Физико-технические и экономические аспекты и соответствующие свойства систем, разумеется, тесно связаны между собой.

Управление ЕЭС и ЭС как большими кибернетическими системами содержит ряд технических и экономических проблем, свойственных любым большим искусственным кибернетическим системам, и ряд специфических электроэнергетических задач, которые в комплексе составляют тематику электроэнергетики как науки.

Центральное место здесь занимает создание методов и средств управления, в связи с чем разрабатываются :

-различного рода модели, с помощью которых изучаются и совершенствуются функции управления; модели эти могут быть физическими и математическими, материальными и мысленными, структурными и т. д.

-автоматические устройства, использование которых обеспечивает создание автоматических и кибернетических систем со все более и более увеличивающимся влиянием автоматики в управлении технологическими процессами и в получении, переработке и передаче необходимой для управления информации;

-организационные, то есть экономические, административные и моральные методы и средства управления.

Рациональное управление ЭС, как совокупностью подсистем, и ЕЭС, как большой системой, в значительной мере сводится к отысканию в разные интервалы времени оптимальных сочетаний различных средств управления при органическом сочетании с ними действий человека и взаимодействующей окружающей среды.

Управление системами имеет три основных аспекта:

-оперативное (диспетчерское) управление, проводимое в разрезе отдельных суток и сезонов года. Для разных систем оно отличается существенным различием масштаба времени протекания переходных процессов, соответствующего в электрической части системы долям секунды или нескольким минутам и даже часам при изменении режимов в тепловой и топливоснабжающих частях;

-хозяйственной управление в течение года;

7

- управление развитием систем в многолетнем плане (управление за период до 3 - 5 лет, на 10 - 15 лет и прогнозирование развития на более длительный период, до 20 - 30 лет).

Управление электроэнергетическими системами можно различать, в соответствии со сказанным, по трем признакам: технологическому, территориальному и временному.

1.3. Основные характеристики электрических сетей

На рис.1.1 показан план некоторого района, в котором предполагается сооружение новых промышленных предприятий. Каждое из таких предприятий является потребителем (П) электроэнергии, расходуемой на приведение в движение рабочих механизмов, освещение цехов и прилегающих поселков и т. д. Источниками электроэнергии служат электрические станции

(А, В, С).

С

Рис.1.1. План промышленного района

Для передачи энергии от станций к потребителям сооружаются линии электропередачи (ЛЭП). Один из возможных вариантов расположения этих линий применительно к условиям рассматриваемого промышленного района показан на рис.1.2. Совокупность линий электропередачи образует электрическую сеть. Такая сеть может включать линии различного номинального напряжения, которое обычно отличается от напряжения, требующегося для непосредственных электроприемников: двигателей, осветительных приборов, преобразовательных установок и т. п. Для взаимной связи линий электропередачи и потребителей сооружаются подстанции. На них устанавливаются трансформаторы или автотрансформаторы, размещаются аппараты,

8

служащие для отключения и включения отдельных электрических цепей, а также устройства, предназначенные для регулирования режима сети (синхронные компенсаторы, батареи статических конденсаторов и т. п.), контроля и автоматического управления. Подстанции служат соединительным звеном между отдельными линиями и потребителями электроэнергии, поэтому они являются неотъемлемой частью электрической сети (рис.1.3).

Роль электрической сети не сводится только к передаче электроэнергии от электростанций к потребителям. Рис.1.2 показывает, что электрическая сеть объединяет для совместной работы электростанции и потребителей энергии. Образующаяся при этом совокупность представляет собой энергетическую систему.

9

А

п / ст 8

п / ст 6

п / ст 2

Рис.1.3. Схема электрических соединений сети

Роль энергетических систем в системе народного хозяйства страны чрезвычайно велика. Это прежде всего определяется тем, что электрический привод является основным видом привода в промышленности, а потребление тепла в основном обеспечивается электрическими станциями, работающими в составе энергетической системы. Поэтому для бесперебойной работы промышленных предприятий необходима надежная работа энергетических систем. Для народного хозяйства весьма существенна также высокая экономическая эффективность как при сооружении, так и при повседневной работе

10

энергетических систем, поскольку и то, и другое связано со значительными расходами материальных ресурсов и труда.

Для удовлетворения этих требований необходима надежная и экономичная работа электрических сетей, являющихся важным элементом системы. Требуется также обеспечение экономически целесообразных решений, определяющих сооружение новых и развитие существующих электрических сетей.

При выборе эксплуатационных режимов работы сети, вариантов ее построения в процессе проектирования и средств управления режимом серьезное внимание уделяется вопросам надежности и экономической целесообразности. Такой подход следует считать характерной особенностью анализа основных проблем, возникающих при проектировании и эксплуатации электрических сетей.

Другой особенностью электрических сетей является большое количество элементов, объединенных в составе сети, а также сложность конфигурации сетей высокого напряжения. Схемы даже отдельных участков электрической сети крупной энергетической системы насчитывают сотни узловых точек, десятки и сотни замкнутых контуров. Разработка методики расчетов таких сетей требует преодоления ряда существенных трудностей. Наиболее удачно задача расчета сложных сетей решается при использовании формализованных представлений, позволяющих осуществлять расчетные операции по единообразному плану вне зависимости от конкретной конфигурации рассчитываемой электрической сети. Такой подход позволяет с успехом использовать ЭВМ и методы математического моделирования для более быстрого и строгого решения.

1.4. Классификация электрических сетей

Электрические сети современных электрических систем отличаются весьма сложной конфигурацией, большим количеством разнохарактерных элементов, объединенных для совместной работы. В этих условиях весьма трудно провести четкое разграничение сетей по какому-либо одному признаку, который мог бы быть принят в качестве определяющего. Поэтому принято классифицировать электрические сети, их участки и отдельные электропередачи, используя ряд. показателей для характеристики этих объектов .

Одним из таких показателей является род тока, в соответствии с которым различают электрические сети переменного и постоянного тока. Основные сети переменного тока имеют трехфазное исполнение. Постоянный ток применяется для сооружения электрических сетей ряда промышленных предприятий (например, в цехах электролиза, на алюминиевых заводах).

11

Электропередачи постоянного тока высокого напряжения рассматриваются как решение, позволяющее обеспечить передачу больших мощностей от удаленных электростанций. Электрификация железнодорожного транспорта осуществляется как на постоянном, так и на переменном токе.

Электрические сети и отдельные электропередачи характеризуются номинальным напряжением, величина которого также используется для классификации сети. Так, например, говорят об электрических сетях с номи-

нальным напряжением 10, 35, 110; 330, 500, 750, 1150 кВ.

Различают также низковольтные (с номинальным напряжением 1000 В и ниже) и высоковольтные сети (с номинальным напряжением выше 1000

В).

Иногда электрические сети подразделяют на местные (распределительные) и районные (питающие). К первым относят сети с номинальным напряжением 35 кВ и ниже, ко вторым - с номинальным напряжением, превышающим 35 кВ.

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. Совокупность питающих линий ПЛ составляет питающую сеть ПС (рис.1.4), тогда как распределительные линии РЛ образуют распределительную сеть РС (рис.1.5). Питающие и распределительные линии могут быть выделены в сетях разных напряжений. Поэтому, строго говоря, понятия местная и распределительная сети, также как районная и питающая сети, не являются равноценными.

12

Рис.1.4. Питающая сеть

Электрические сети могут классифицироваться по признакам, определяющимся конфигурацией схемы сети. Различаются при этом разомкнутые и замкнутые сети. К разомкнутым относятся сети, образованные линиями, нагрузки которых могут получать энергию только с одной стороны (рис.1.5,а). Замкнутыми сетями называются такие сети, по которым возможно осуществить электроснабжение потребителей не менее, чем с двух сторон (рис.1.6). Характерными частными формами замкнутых сетей являются кольцевые сети (рис.1.6,а), а также сети и отдельные электропередачи с двусторонним питанием (рис.1.6,б). В качестве источников питания последних могут служить или электростанции, или шины подстанций, в свою очередь, связанные сетью с электростанциями системы.

13

Рис.1.5. Распределительная сеть

Рис.1.6. Распределительная сеть