3.5.3. Состав и преимущества энергообъединений

Под электроэнергетической системой понимается совокупность взаимосвязанных элементов, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электроэнергии и находящихся под единым оперативным управлением.

К элементам электроэнергетической системы относятся:

• генераторы, осуществляющие преобразование механической энергии в электрическую;

• трансформаторы, преобразующие величины напряжений и токов;

• линии электропередачи (ЛЭП), предназначенные для транспортировки электроэнергии на расстояние;

• всевозможное вспомогательное оборудование, а также устройства управления и регулирования.

Элементы электрической системы связаны единством происходящих в них процессов. Расход угля, газа или какого-либо органического топлива на ТЭС или расход воды на ГЭС зависит от потребления электроэнергии в системе.

Д ля графического изображения электроэнергетических систем, а также отдельных ее элементов и связи между элементами используют общепринятые условные обозначения (рис. 3.1).

Трансформаторы

Нагрузки

Генераторы

Кабельные линии

Воздушные линии

Рис.3.1. Условные обозначения некоторых основных элементов электрической системы

Примерная схема электроэнергетической системы приведена на рис.3.2.

В этой системе электрическая энергия вырабатывается на электростанциях различных типов: атомной (АЭС), гидравлической (ГЭС), тепловой (КЭС и ТЭЦ). На каждой электростанции генераторное напряжение 10 кВ повышается с целью передачи электроэнергии на расстояния, измеряемые десятками и сотнями километров. На подстанциях ТП-1, ТП-2, ТП-3 напряжение повышается до 220 киловольт, а на ТП-6 – до 110 кВ.

Подстанции ТП-4 и ТП-5 связывают линии электропередачи 220 кВ с районной сетью 110 кВ, которая представляет собой замкнутую кольцевую схему, образованную линиями Л1, Л2, Л4, Л5.

Такая схема обеспечивает повышенную надежность электроснабжения, так как выход из строя любой из этих линий не прекращает подачу электроэнергии от источников. При этом энергия подается по другой из этих линий (неповрежденной).

На распределительных пунктах РП-1 и РП-2 электроэнергия распределяется по отходящим ЛЭП без ее трансформации. Линии Л1, Л2, …, Л9 являются линиями электропередачи напряжением 110 кВ, а Л10 – ЛЭП 220 кВ.

На главной понизительной подстанции (ГПП) напряжение 110 кВ понижается до уровня 10 кВ. Это напряжение подается в распределительную сеть с помощью кабельных линий (КЛЭП) и воздушных (ВЛЭП) линий на подстанции ТП-7, ТП-8 и др., где 10 кВ в свою очередь понижают до 0,4 кВ, то есть до напряжения электропотребителей.

Схема на рис. 3.2 представлена в однолинейном изображении, хотя элементы электроэнергетической системы, работающей на переменном токе, имеют, как пра­вило, трехфазное исполнение.

Часть электрической системы, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии, содержащая подстанции (ТП), линии электропередачи (ЛЭП), распределительные пункты (РП) и распределительные устройства (РУ), называются электрической сетью.

Электрические сети подразделяют по ряду признаков, таких, как:

1. Напряжение сети.

Сети могут быть низковольтными напряжением до 1000 Вольт и высоковольтными напряжением 1000 Вольт и выше. Элементы современных электрических сетей выполняются на различные величины номинальных напряжений. Существует шкала стандартных номинальных напряжений: 0,22; 0,38; 0,66; 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150;220;330;500; 750; 1150 кВ.

2. Род тока.

Сети могут быть постоянного и переменного тока. Электрические сети выполняются в основном на переменном токе. Среди потребителей, работающих на переменном токе, наиболее распространены асинхронные электродвигатели.

3. Назначение.

По этому признаку различают сети распределительные, которые выполняют функции распределения электроэнергии между отдельными потребителями; районные сети, которые предназначены для соединения крупных электрических станций и подстанций и выполняются на напряжение 35 кВ и выше; сети напряжением 330, 500, 750 и 1150 кВ относят к межсистемным связям, так как они в основном предназначаются для соединения крупных электроэнергетических систем.

4. Конструктивное выполнение линий.

ЛЭП могут быть воздушными и кабельными (КЛЭП и ВЛЭП). Необходимость сооружения ЛЭП объясняется выработкой электроэнер­гии в основном на крупных электростанциях, удаленных от потребителей.

Заметим, что чем большее количество электроэнергии надо передать и чем больше длина ЛЭП, тем выше должно быть напряжение линии электропередачи для обеспечения необходимого уровня пропускной способности ЛЭП /9/.

Важнейшим параметром режима электроэнергетической системы является частота. В энергетических системах России и Европы частота переменного тока 50 Герц, а в США и Японии  60 Герц. В моторном электроинструменте, а также в автономных электроустановках, самолетах, кораблях используют более высокие частоты 200, 400 Герц, что позволяет уменьшать габариты электрических машин. Для многих потребителей и отраслей промышленности зачастую целесообразно использование нестандартной частоты. Значение частоты выбирается путем проведения технико-экономических расчетов. Более подробно основные параметры синусоидального тока рассмотрены в Приложении 2.

На первой стадии развития электроэнергетика представляла собой совокупность отдельных электростанций, каждая из которых через собственную сеть передавала электроэнергию потребителям, не связанным между собой.

Процесс объединения электростанций на параллельную работу и образование первых энергетических систем начался в нашей стране в соответствии с планом ГОЭЛРО (Государственным планом электрификации России), который был утвержден в 1920 г. VIII Всероссийским съездом Советов. Этот план положил начало I-му этапу развития энергетики России, длившемуся до конца пятидесятых годов. Этим планом предусматривалось построить за 10-15 лет тридцать электростанций мощностью 1500 - 1750 тыс. кВт, а выработку электроэнергии планировалось довести до 8,8 млрд. кВт∙ч. Для сравнения сейчас в России вырабатывается электроэнер­гии примерно в 100 раз больше. В те далекие годы цифры, намеченные планом, казались гигантскими, фантастическими. Недруги, говоря в то время о плане ГОЭЛРО, подменяли слово "электрификация" словом "электрофикция". К разработке плана ГОЭЛРО были привлечены лучшие научные силы России во главе с Г.М. Кржижановским. Выполнение плана ГОЭЛРО позволило построить в СССР современную промышленность и выстоять в тяжелейшей войне в истории человечества – Великой отечественной войне.

План ГОЭЛРО стал крупнейшим примером интеграции государства и электроэнергетики.

Электроэнергетика стала одной из первых отраслей, открывших для себя закон экономии на масштабах производства. Так одна крупная электростанция оказывалась намного более экономичной, чем несколько мелких станций той же суммарной мощности. Поэтому основными принципами электроэнергетики стали:

• массовость потребителей;

• оптимизация графика нагрузки. Она состоит в том, что постоянная часть графика, называемая базовой, обслуживается маломаневренными электростанциями – АЭС, угольными ТЭС, а пиковая (переменная) часть нагрузки покрывается высокоманевренными ГЭС и газовыми ТЭС.

Стремление к максимальной реализации этих принципов привело к формированию энергосистем.

К 1935 году в России уже работали 6 энергосистем с годовой выработкой электроэнергии свыше 1 млрд. кВт∙ч. каждая. В последующем отдельные энергетические системы в свою очередь также объединились, образуя более крупные энергетические системы. Кольцо ЛЭП, сформированное вокруг Москвы в соответствии с планом ГОЭЛРО, стало впоследствии ядром Единой электроэнергетической системы (ЕЭС) страны. Тенденция к образованию по возможности наиболее крупных энергетических объединений проявляется практически во всех странах.

Общее стремление к объединению энергетических систем вызвано огром­ными преимуществами крупных систем по сравнению с отдельными станциями.

Создание объединенных энергетических систем позволяет:

1. Повысить экономичность выработки электроэнергии. Вследствие неравномерности графиков нагрузок изолированные станции должны работать в течение некоторого времени суток с недогрузкой, т.е. в неэконо­мичном режиме. В энергосистемах при уменьшении нагрузки часть станций может быть отключена, а для оставшихся можно обеспечить наиболее экономические режимы работы. Кроме того, различные станции имеют неодинаковые экономические показатели выработки электроэнергии. Поэтому с возрастанием нагрузки в системе стремятся в первую очередь увеличить выработку электроэнергии на станциях с лучшими экономическими показателями.

2. Уменьшить суммарную установленную мощность электростанций. Установленная мощность электростанций в системе должна быть достаточной для покрытия максимальных нагрузок потребителей. Максимум суммарной нагрузки энергосистемы всегда меньше, чем сумма максимумов нагрузок отдельных потребителей. Это объясняется несовпадением отдельных максимумов из-за различных условий работы потребителей. В энергетических системах, охватывающих обширные географические районы, несовпадение максимумов вызвано расположением нагрузок в различных часовых поясах. Например, объединение потребителей, размещенных в Европейской и Сибирской частях страны, позволит получить более равномерный суммарный график нагрузки и таким образом потребует строительства меньшего количества электростанций.

3. Уменьшить требуемый резерв мощности.

В условиях энергосистемы нет необходимости иметь резерв на каждой электростанции, входящей в систему. При параллельной работе электрических станций резервная мощность может быть существенно уменьшена, при этом роль резервных отводится, как правило, наименее экономичным электростанциям.

4. Повысить надежность электроснабжения потребителей. При возникновении аварий энергосистема располагает существенно большими возможностями для того, чтобы оставшиеся без электроэнергии потребители были автоматически подключены к неповрежденным источникам электроэнергии.

5. Увеличить единичные мощности агрегатов.

С возрастанием мощностей агрегатов улучшаются их технические характеристики и снижаются удельные затраты, связанные с выработкой и потреблением электроэнергии.

6. Повысить качество электроэнергии.

К показателям качества относятся величина напряжения, форма кривой напряжения и тока, симметрия векторов напряжений трехфазной системы и частота. Чем выше качество электроэнергии, тем выше экономические показатели работы электроприемников.

7. Получить дополнительные возможности для оптимального управления режимами работы электрических станций, электрических сетей и потребителей, т.е. всей электроэнергетической системы.