Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электропитание устройств и систем телекоммуникаций. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ
И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФИЛИАЛ
ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ»
В.В. Ершов
«ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ»
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
КУРС ЛЕКЦИЙ
г. Ростов-на-Дону
2024
2
УДК 621.311.68
Ершов В.В. «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций».
Учебное пособие. Курс лекций. - Ростов-на-Дону: Северо-Кавказский
филиал МТУСИ, 2024. – 170 с.
В пособии излагается теоретическая часть дисциплины «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций». Пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения направления подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы
связи» с квалификацией выпускника бакалавр. Учебный материал пособия позволяет студентам самостоятельно освоить теоретическую часть дисциплины.
Рассмотрено и одобрено на заседании
кафедры от 22.01.2024 г. Протокол №6
Рецензенты: Заведующий кафедрой судовых энергетических установок
Факультет инженеров морского транспорта
Института водного транспорта имени Г.Я.Седова
кандидат технических наук доцент Семергей С.В.
Доцент кафедры «ТЭЛА» ДГТУ
Кандидат технических наук доцент, Тихомиров А.Г.
Отв. редактор - Ершов В.В.
© СКФ МТУСИ. Ершов В.В. 2024
Издательство СКФ МТУСИ
Сдано в набор 22.01.24. Изд. № 387. Подписано в печать 09.09.24. Зак. № 401
Печ. листов 10,63. Учетно-изд.л. 8,5. Печать оперативная. Тир. 20 экз.
Отпечатано в Полиграфическом центре СКФ МТУСИ. Серафимовича, 62.
3
Предисловие
Бурное развитие на современном этапе технологий в устройствах и
системах телекоммуникаций с необходимостью вызвало к жизни совершенствование и дальнейшую модернизацию систем электроснабжения для
обеспечения решения всего комплекса задач, стоящих перед телекоммуникационными системами. Это обусловлено в первую очередь повсеместным
переходом к цифровым системам и средствам связи.
Широкое внедрение цифровых методов обработки информации, все
более возрастающий объем передаваемой и обрабатываемой информации
предъявляют жесткие требования к качеству электрической энергии, к
надежности функционирования и бесперебойности электроснабжения современных систем и средств связи.
Грамотная и успешная эксплуатация всего комплекса телекоммуникационного оборудования невозможна без прочных знаний и практических
навыков, без понимания глубины и сущности процессов, протекающих в
элементах и в целом в системах электропитающих устройств для обеспечения нормального функционирования систем связи. Решение этой задачи до-
стигается изучением студентами основ построения и устройства всех составных элементов систем электроснабжения для телекоммуникационного
оборудования.
В профессиональной деятельности специалиста по эксплуатации телекоммуникационных систем знакомство с основными составными элементами систем электропитания занимает важное место. Успех этой работы зависит от теоретических знаний и практических навыков работы с этими
элементами и устройствами, умения проведения анализа технического состояния и обоснованной оценки влияния на работоспособность систем
связи.
Учебное пособие подготовлено в соответствии с учебной программой
дисциплины «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций» для
студентов очной и заочной форм обучения направления подготовки
11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» с квалификацией выпускника бакалавр.
4
ЛЕКЦИЯ №1
Тема лекции: Принципы построения электроснабжения
телекоммуникационных устройств и систем
Вопросы лекции:
1. Энергетические и электрические системы. Понятия и определения.
Характеристика составных элементов.
2. Варианты схем построения систем электроснабжения. Принципы по-
строения СЭС.
3. Реализация принципов построения систем электроснабжения на при-
мере структурной схемы электроустановки обслуживаемого усилительного пункта.
ВОПРОС 1. Энергетические и электрические системы. Понятия и
определения. Характеристика составных элементов
Производство электрический энергии для обеспечения работы промышленных и бытовых потребителей в масштабе крупного региона осуществляется в рамках энергетической системы. Чаще используется термин
э н е р г о с и с т е м а . Для обеспечения электрической энергией потребителей различного функционального назначения в масштабе страны и
даже нескольких государств отдельные энергосистемы объединяют. Такое
объединение значительно повышает эффективность энергосистемы [4].
Рассмотрим в крупном плане составные элементы энергосистемы
и познакомимся с основными определениями и понятиями, характеризующими эту предметную область.
Электрическая энергия производится на электрических станциях с помощью электрических генераторов, вращаемых п е р в и ч н ы м и двигателями. Первичными двигателями являются паровые машины или турбины, гидравлические турбины, двигатели внутреннего сгорания и т.п. Все
электрические станции разделяют по особенностям технологического процесса преобразования энергии и виду используемого энергоресурса.
5
В России более 80% электроэнергии вырабатывается тепловыми
электростанциями (ТЭС), работающими на органическом топливе, остальная часть электроэнергии производится гидравлическими (ГЭС) и атом-
ными (АЭС) электростанциями.
По типу первичного двигателя ТЭС подразделяются на паротурбин-
ные, газотурбинные и дизельные. Дизельные электростанции используют в
качестве автономных источников для резервирования электроснабжения
особо ответственных потребителей, а также в зонах, где отсутствует централизованное электроснабжение от энергосистемы.
Паротурбинные ТЭС являются основными электростанциями большинства энергосистем. Они бывают конденсационные (КЭС), предназначенные только для производства электроэнергии (для крупных КЭС используется термин ГРЭС - государственная районная электростанция), и
теплофикационные (ТЭЦ), предназначенные для комбинированного производства электроэнергии и тепла в виде горячей воды или пара. На тепловых
КЭС в качестве топлива применяют уголь, торф, горючие сланцы, газ, мазут. Энергия сжигаемого топлива преобразуется в паровом котле в энергию
водяного пара, приводящего во вращение турбоагрегат (паровую турбину,
соединенную валом с синхронным трехфазным генератором). Паровые турбины имеют ряд преимуществ по сравнению с другими первичными двигателями. В частности, турбину можно изготовить на частоту вращения генератора и соединить с ним непосредственно, паровые турбины обладают
равномерным ходом, что очень важно для получения стабильной частоты
вырабатываемого генератором переменного напряжения. Отработанный
пар в к о н д е н с а ц и о н н ы х станциях после снижения его температуры ниже некоторого критического значения охлаждается (конденсируется) в специальных устройствах - конденсаторах. Поскольку для работы
таких станций требуется большое количество воды, то строят их вблизи
мест добычи топлива и водных источников. Мощность турбоагрегатов современных КЭС составляет 150...1200 МВт.
Т е п л о ф и к а ц и о н н ы е электростанции работают в основном
на тепловую нагрузку и называются т е п л о - э л е к т р о ц е н т р а л я м и (ТЭЦ). Они предназначены для централизованного снабжения
промышленных предприятий и городов электроэнергией и теплом. Их со-
6
оружают вблизи от потребителей тепла, например, в городских районах или
около крупных промышленных предприятий. Мощность и состав агрегатов
ТЭЦ определяются параметрами тепловых нагрузок. Наиболее крупные агрегаты имеют мощность 100-200 МВт. Мощность всей ТЭЦ, как правило,
не превышает 500 МВт, однако для теплоснабжения крупных городов и
промышленных комплексов сооружаются ТЭЦ и значительно большей
мощности (например, ТЭЦ-22 Мосэнерго мощностью 1250 МВт).
А т о м н ы е электростанции – это тепловые электростанции, которые используют тепловую энергию ядерных реакций (в основном реакции
расщепления урана U-235 под действием тепловых нейтронов). Одним из
основных элементов АЭС является реактор, в котором имеются замедлитель нейтронов и теплоноситель. На АЭС России применяются реакторы
типа ВВЭР (водо-водяной энергетический), где в качестве замедлителя и
теплоносителя используется вода под давлением. В реакторах РБМК (реактор большой мощности канальный) теплоносителем является вода, а замедлителем – графит. Строятся АЭС, как правило, в районах, бедных энергетическими ресурсами, например, в европейской части России. Схемы АЭС
в тепломеханических и электрических частях близки схемам КЭС. Наиболее крупные АЭС имеют мощность 6 млн. кВт (Курская, Ингалинская).
Г и д р о э л е к т р о с т а н ц и и предназначены для выработки
электроэнергии и сооружаются часто в составе гидротехнических комплексов, одновременно решающих задачи улучшения судоходства, ирригации,
водоснабжения, защиты от паводков и др. На ГЭС вырабатывается
около 10 - 15% всей электроэнергии, производство которой осуществляется
за счет энергии массы падающей воды. Высота падения воды называется
н а п о р о м . Создаваемый с помощью плотины напор определяется разностью уровней (бьефом) воды в верхнем (до плотины) и нижнем (после
плотины) бьефом. Используя полученный перепад уровней воды, приводится в движение колесо гидротурбины, на одном валу с которой находится
электрический синхронный, как правило, трехфазный генератор. Мощность, развиваемая гидроагрегатом, пропорциональна напору H и расходу
Q воды, т.е. P=H∙Q.
7
На горных реках с малым расходом воды строятся деривационные
ГЭС. Мощность этих станций обеспечивается за счет больших напоров
воды (100 м и более), которая поступает к гидротурбине по деривационным
каналам через напорный бассейн. Коэффициент полезного действия ГЭС
значительно выше, чем тепловых, а себестоимость выработки электроэнергии в несколько раз ниже. Однако из-за высокой стоимости строительства
их применяют реже, чем тепловые.
К крупным ГЭС в нашей стране можно отнести Красноярскую (6 млн.
кВт) и Саяно-Шушенскую (6,4 млн. кВт).
Электрические станции разных типов связаны между собой и с потребителями электрическими сетями, которые объединяют их в централизованно управляемые энергетические системы.
В объединяемых электрическими сетями энергосистемах электрические станции работают совместно на общую нагрузку. Такая параллельная
работа электростанций в энергосистеме, как уже отмечалось, значительно
увеличивает надежность электроснабжения потребителей. Это объясняется
тем, что при аварии и отключении одной из станций системы ее нагрузка
перераспределяется между работающими агрегатами других станций. При
этом за счет их загрузки до номинальной мощности или даже небольшой
кратковременной перегрузки обеспечивается бесперебойное питание всех
или хотя бы наиболее ответственных потребителей энергосистемы. В объединенной энергосистеме нет надобности устанавливать резервные агрегаты на каждой станции, а достаточно иметь общую для всей системы резервную мощность.
Известно, что агрегаты с большой единичной мощностью имеют
большой КПД и в целом характеризуются более высокими технико-экономическими характеристиками по сравнению с агрегатами меньшей мощности. Поэтому в мощных объединенных энергосистемах возможно сооружение очень крупных электростанций с агрегатами большой единичной мощности: 200 - 500 МВт и более.
Этому есть следующее объяснение. Резервную мощность обычно считают технически достаточной и экономически целесообразной, равной примерно 10% суммарной мощности агрегатов системы. Вместе с этим величина этой резервной мощности должна быть не менее мощности самого
8
крупного агрегата, установленного на станциях системы. Например, в энергосистеме мощностью 2 млн.кВт, располагающей резервной мощностью
около 0,2 млн.кВт, установка агрегата мощностью 0.3 млн.кВт требует увеличения резервной мощности системы не менее как до 0,3 млн.кВт, т.е. до
15%, что экономически нецелесообразно. В то же время в системах мощностью 6...8 млн.кВт. и более резервная мощность составляет 0,6...0,8 млн.кВт
и более, что позволяет устанавливать в таких системах агрегаты с единичной мощностью в 0,3...0,5 млн.кВт и даже более мощные. Аналогичные соображения показывают, что только в объединенных системах очень большой мощности можно сооружать электростанции мощностью 1-3 млн.кВт
и более с относительно небольшим числом мощных единичных агрегатов.
Рассмотрим в качестве примера фрагмент упрощенной принципиальной схемы отдельной, например, региональной энергосистемы (рисунок 1).
В системе объединены районная гидроэлектростанция С-1, две тепловые
районные гидроэлектростанции С-2, С-3 и теплоэлектроцентраль С-4. Все
станции связаны электросетью 110 кВ. Линии электропередачи (ЛЭП)
напряжением 110 кВ ЛЭП-2, ЛЭП-3 и ЛЭП-4 образуют кольцо. Поскольку
гидроэлектростанция С-1 удалена на значительное расстояние от основной
сети 110 кВ системы, поэтому она связана с ней двумя параллельными линиями ЛЭП-1 напряжением 220 кВ., через подстанцию ТП-1.
Станция С-2 включена непосредственно в кольцо линии 110 кВ, а
станция С-3 подключена к основной сети системы линиями ЛЭП-5 и ЛЭП6 через шины подстанции ТП-3.
Теплоэлектроцентраль С-4 присоединена к системе линией ЛЭП-7 че-
рез шины подстанции ТП-1.
Подстанции ТП-1 и ТП-2 являются мощными узловыми подстанциями системы. На подстанции ТП-1 установлены понижающие трансформаторы 220/110 кВ.
На подстанции ТП-2 расположены понижающие трехобмоточные
трансформаторы. Напряжением 35 кВ питаются достаточно обширные районы, в которых могут быть установлены промышленные, коммунальные,
сельскохозяйственные и другие потребители, а на напряжении 6...20 кВ -
9
потребители, расположенные вблизи подстанции. На схеме: (рисунок 1)
показана лишь часть линий 220 В и 110 кВ системы и совсем не показаны
сети 6...35 кВ.
Очень мощная энергетическая система, которой является энергосистема России, представляет собой совокупность отдельных таких систем,
подобных рассмотренной в примере. Основной системообразующей сетью
в объединенных очень мощных системах являются сети на напряжение 330,
500, 750 кВ. Вводятся в действие сети 1150 кВ переменного и 1500кВ постоянного тока.
Рисунок 1 - Принципиальная однолинейная схема отдельной
энергосистемы
После такого краткого знакомства с функциональными элементами
энергетических систем рассмотрим более подробно основные понятия и
определения, на которых базируется дисциплина “Электропитание
устройств и систем телекоммуникаций”.
Поскольку современная мощная объединенная энергосистема, как
следует из вышеизложенного, представляет собой комплекс сложнейшего
оборудования и функциональных подсистем, то для рассмотрения
10
протекающих процессов целесообразно рассматривать ее по частям и эле-
ментам, то есть использовать принцип декомпозиции.
Э н е р г о с и с т е м а представляет собой совокупность электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных
в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства
и распределения электрической и тепловой энергии.
Часть энергосистемы без тепловых сетей называется э л е к т р о э н е р г е т и ч е с к о й системой или системой электроснабжения (СЭС).
Часть СЭС без первичных двигателей, состоящая из генераторов, распределительных устройств, электрических сетей и электроприемников,
называется э л е к т р и ч е с к о й с и с т е м о й .
Часть электрической системы, состоящая из подстанций, линий электропередачи, распределительных пунктов, называется э л е к т р и ч е с к о й с е т ь ю . Электрическая сеть, таким образом, представляет собой
совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии на определенной территории, состоящую из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий
электропередачи.
Э л е к т р и ч е с к а я л и н и я (линия электропередачи – ЛЭП) –
система проводов, кабелей, опор, электрического оборудования для передачи электроэнергии от источника к электроприемнику.
Э л е к т р и ч е с к а я п о д с т а н ц и я – электроустановка, предназначенная для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию других напряжений.
П р и е м н и к о м электроэнергии называется аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в
другой вид энергии.
П о т р е б и т е л ь электрической энергии - предприятие, организация, территориально обособленный цех, строительная площадка, квартира,
у которых приемники электрической энергии присоединены к электрической сети и используют электрическую энергию.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]