Введение

Настоящее пособие разработано с учетом многолетнего опыта авторов по чтению дисциплины «Электрические системы и сети» в УГТУ на кафедре «Автоматизированные электрические системы» и посвящено вопросам, изучаемым в первой части дисциплины.

Перестройка учебного процесса в сторону усиления роли самостоятельной работы требует разработки учебных пособий, включающих численные примеры, позволяющие детально разобраться в изучаемом материале самостоятельно, и контрольные вопросы для самопроверки. Пособие отвечает перечисленным требованиям и поэтому может быть использовано студентами как дневного, так и заочного обучения.

Для хорошего освоения материала данного пособия требуются знания разделов ранее изучаемых дисциплин: теоретические основы электротехники, электрические машины, высшая математика, физика. В процессе изучения дисциплины студентам рекомендуется получить практику в решении задач и выполнить цикл лабораторных работ.

1. Энергосистемы. Электрические системы, их элементы. Технологические особенности энергосистем

   1. Определения энергетической и электрической систем

Согласно ПУЭ, I.22, «энергетической системой называется совокупность электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии»^.

Согласно ПУЭ, I.23, «электрической системой называется часть энергосистемы, состоящая из генераторов, распределительных устройств, сетей ... и электроприемников»^**.

Полный технологический цикл энергосистемы (рис. 1.1) включает добычу, транспортировку на склад и приготовление топлива, сжигание его в котле — преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию пара. Пар вращает турбину, тепловая энергия переходит в механическую, приводящую в движение генератор. В статорной обмотке генератора возникает электрический ток за счет вращающегося магнитного поля ротора. После генератора электрическая мощность поступает в трансформатор, где происходит преобразование ее параметров.

Все элементы технологической схемы производства электроэнергии являются элементами энергосистемы. Элементы технологической схемы делятся на два вида: передающие — транспортер, паропровод, вал, линия электропередачи; преобразующие — котел, турбина, генератор, трансформатор.

2. Элементы энергосистем и их характеристика

Электростанция — элемент энергосистемы, предназначенный для преобразования химической энергии топлива в тепловую и электрическую, состоит из топливного склада, котельного и турбинного агрегатов, генератора и распределительных устройств. На электростанции имеется большое хозяйство собственных нужд, служащее для обеспечения нормального технологического цикла.

По особенностям технологического процесса производства электроэнергии и используемым видам топлива электростанции подразделяются на конденсационные (КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), атомные (АЭС), гидростанции (ГЭС), гидроаккумулирующие (ГАЭС), газотурбинные (ГТС).

К КЭС обычно относятся электростанции, потребляющие органическое топливо (уголь, газ, мазут, торф, сланец), турбины которых работают по конденсационному циклу, когда практически весь пар, вырабатываемый парогенератором, конденсируется и его энергия преобразуется в механическую энергию вала турбины, а затем и в электрическую.

На ТЭЦ значительная часть тепловой энергии передается по трубам потребителям и используется непосредственно в технологических процессах. И лишь часть тепловой энергии преобразуется в электрическую. На ТЭЦ для этого устанавливают турбоагрегаты двух типов: теплофикационные и противодавления.

АЭС используют энергию ядерного горючего, также преобразующегося в тепловую энергию пара. АЭС могут использоваться как КЭС и как ТЭЦ, соответственно они обозначаются АКЭС и АТЭЦ.

ГАЭС предназначены для выравнивания графика нагрузки энергосистемы (рис. 1.2). Они являются по принципу работы такими ГЭС, которые днем, в часы максимального электропотребления системы, генерируют электрическую энергию за счет сработки воды в водохранилище, а ночью, в часы минимума электропотребления, работают как потребители электрической энергии — насосы, закачивающие воду обратно в водохранилище. За счет этого снижается величина необходимой установленной генерирующей мощности в ЭЭС, а также улучшаются условия использования других электростанций, особенно АЭС, не допускающих резких изменений своей загрузки.

ГТС с помощью газовых турбин непосредственно преобразуют энергию сгорания газообразного топлива в механическую и затем электрическую энергию. Изготавливаются также парогазовые установки (ПГУ), работающие по смешанному циклу.

Разнообразны так называемые нетрадиционные типы электрогенерирующих станций. К ним относятся электростанции с магнитогидродинамическими (МГД) генераторами, приливные электростанции (ПЭС), ветровые, гелиоустановки и т. д. Как в настоящее время, так и в обозримом будущем эти типы электростанций не будут иметь существенной роли в энергобалансе страны.

Подстанция (ПУЭ, IV.25) — электроустановка, служащая для преобразования и распределения электроэнергии и состоящая из трансформаторов, распределительных устройств, аккумуляторных батарей, устройств управления и собственных нужд.

Распределительным пунктом называется (ПУЭ, IV.211) устройство, предназначенное для распределения электроэнергии на одном напряжении без преобразования и трансформации.

Воздушной линией электропередачи (ЛЭП) называется устройство для передачи и распределения электроэнергии на большие расстояния по проводам, расположенным на открытом воздухе.

Объединение элементов в единую схему, работающую синхронно в общем режиме, образует энергосистему.