Конспект лекций

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

1.1.Электроэнергетические системы

Современное электроснабжение промышленных, коммунальных и других потребителей электроэнергии производится от электрических станций, которые могут находиться вблизи потребителей или могут быть удалены от них на значительные расстояния. И в том, и в другом случае передача электроэнергии от электростанции к потребителю осуществляется по линиям электропередачи. Однако когда потребители удалены от электростанции, передачу электроэнергии приходится осуществлять на повышенном напряжении. Тогда между электростанцией и потребителями необходимо сооружать повышающие и понижающие подстанции.

Часто источники энергии располагаются на значительном расстоянии от крупных заводов, населенных пунктов и других центров потребления. Доставка топлива может производиться по газопроводам, нефтепроводам, по железной дороге, а передача тепловой энергии – по специальным трубопроводам. Но во многих случаях доставка топлива может оказаться нерентабельной, тогда электростанция сооружается вблизи месторождения топлива, а передача электроэнергии осуществляется по линиям электрической сети. Такой подход характерен для России, где большая часть наиболее экономичных энергоресурсов находится на азиатской части страны, а основная часть потребителей электроэнергии сосредоточена в центральной ее части, на юге, западе и Урале. В связи с этим возникает необходимость переброски на большие расстояния значительных потоков мощности и в связи с этим строительства линий электропередач высокого напряжения, для пропуска этих потоков.

Исключения составляют только промышленные электростанции небольшой мощности либо теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые располагаются вблизи потребителей, так как передача пара и горячей воды может быть осуществлена на расстояние не более нескольких километров.

Между собой электростанции связываются между собой для параллельной работы на общую нагрузку посредством линий электропередачи (через подстанции).

Совокупность электростанций, подстанций и приемников электроэнергии, связанных между собой линиями электропередачи, составляют электрическую часть энергосистемы. Такая совокупность имеет существенные техникоэкономические преимущества:

–возможность увеличения единичной мощности генераторов и электростанций, что приводит к снижению стоимости киловатта установленной мощности и резкому повышению производительности электромашиностроительных заводов при сохранении существующих производственных площадей и тех же трудозатратах;

–значительное повышение надежности электроснабжения потребителей;

–повышение экономичности работы различных типов электростанций при обеспечении наиболее эффективного использования ГЭС и более экономичных режимов работы ТЭС;

–снижение необходимой резервной мощности на электростанциях. Энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность

электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этими режимами.

Электроэнергетической системой называется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электроэнергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии.

Мощность электроэнергетических систем непрерывно возрастает. Энергетическое производство и в частности производство электроэнергии

обладает рядом особенностей резко отличающих его от других отраслей промышленности.

Первая и важнейшая особенность заключается в том, что производство электроэнергии, ее распределение и преобразование в другие виды энергии осуществляются практически в один и тот же момент времени. Именно это обстоятельство превращает всю сложную электроэнергетическую систему в единый механизм и приводит к тому, что все ее элементы взаимно связаны и взаимодействуют. В электроэнергетической системе всегда существует равенство между произведенной и потребленной в ней энергией. Это равенство справедливо для любого короткого промежутка времени, другими словами, существует точный баланс мощностей. Одновременность процессов производства, распределения и преобразования электроэнергии превращает электроэнергетическую систему в единое целое.

Вторая особенность – это относительная быстрота протекания в ней переходных процессов. Волновые процессы совершаются в тысячные или миллионные доли секунды, а процессы, связанные с короткими замыканиями, включениями и отключениями, качаниями, нарушением устойчивости – в течение долей секунды или нескольких секунд.

Третья особенность заключается в связи электроэнергетической системы со всеми отраслями промышленности, связью, транспортом и прочими структурами. Эта связь осуществляется гигантской совокупностью разнообразных приемников электроэнергии. Эта особенность резко повышает актуальность обеспечения надежности работы электроэнергетической системы и требует создания достаточного резерва мощности во всех ее элементах.

Необходимо упомянуть о некоторых важных обстоятельствах, вытекающих из указанных выше особенностей электроэнергетических систем.

Первая особенность – одновременность производства, распределения и потребления электроэнергии, которая приводит к тому, что выработка электроэнергии жестко определяется ее потребление. Преобразование и передача электроэнергии происходит во всех элементах системы с потерями, а, следователь-

но, потребленное количество электроэнергии должно включать в себя кроме полезного потребления и вышеуказанные потери. Отсюда вытекает что:

–снижение выработки электроэнергии на электростанциях против требуемого уровня по различным причинам при отсутствии резерва мощности в электроэнергетической системе требует снижения количества отпускаемой потребителям электроэнергии;

–временное снижение потребления электроэнергии по каким-либо причинам при отсутствии в энергосистеме потребителей-регуляторов не дает возможности полностью использовать оборудование электростанций в этот период;

–небаланс между мощностями электростанций и потребителей не может существовать, поэтому при снижении вырабатываемой электростанцией мощности одновременно автоматически снижается потребляемая мощность и наоборот.

Ничего похожего нет ни в одной отрасли промышленности, где всегда есть возможность запасать продукт ее производства.

Вторая особенность – быстрота протекания переходных процессов в электроэнергетической системе требует обязательного применения специальных быстродействующих автоматических устройств, которые должны обеспечивать надлежащую корректировку этих процессов. Правильный выбор и настройка этих устройств, к которым относятся аппараты защиты от перенапряжений, устройства релейной защиты и автоматики, автоматические регуляторы, выключатели и прочие устройства, требуют учитывать работу всей электроэнергетической системы как единого целого.

Третья особенность – связь работы электроэнергетических систем со всеми отраслями народного хозяйства диктует необходимость своевременного их развития. Причем рост мощностей электроэнергетических систем должен обязательно опережать рост потребления электроэнергии, иначе невозможно создание резерва мощностей.

По мере развития энергосистем и сближения границ их электрических сетей увеличивается целесообразность их объединения с помощью межсистемных электрических связей, состоящих из одной или нескольких линий электропередачи.

Основные доводы в пользу объединения энергосистем:

–уменьшение суммарного резерва мощности;

–улучшение использования мощности ГЭС, если таковые имеются в составе одной или нескольких энергосистем;

–уменьшение суммарного максимума нагрузки объединяемых энергосистем;

–взаимопомощь в случае неодинаковых сезонных изменений мощности электростанций;

–взаимопомощь в случае неодинаковых сезонных изменений нагрузки;

–взаимопомощь при проведении ремонтов оборудования.

1.2. Электрические сети

Электрическая сеть как часть электроэнергетической системы обеспечивает выдачу мощности электростанций, ее передачу, преобразование параметров электроэнергии (уровня напряжения, тока) на подстанциях и ее распределение вплоть до потребителя.

Электрические сети современных энергосистем характеризуются многоступенчатостью, т.е. большим числом трансформаций на пути от источников электроэнергии к ее потребителям. Топологическая структура отдельных частей этой структуры достаточно сложна, она включает в себя большое число узлов, ветвей и замкнутых контуров. Наряду со сложностью конфигурации характерной особенностью электрических сетей является их многорежимность, т.е. разнообразие загрузки элементов сети в течение суток и года при нормальном функционировании системы, обусловленное естественным изменением во времени нагрузки потребителей, множество режимов, возникающих при выводе в ремонт различных элементов сети и при аварийных отключениях.

Все электроприемники, генераторы, трансформаторы и прочее электрооборудование электроэнергетических систем рассчитывается для работы в длительном нормальном режиме при определенном напряжении, при котором эти элементы обладают наиболее целесообразными технико-экономическими показателями. Значения этих напряжений (их междуфазные значения трехфазной системы переменного тока) стандартизованы и являются номинальными.

Сети современных энергосистем характеризуются сложной структурой и конфигурацией. Поэтому классифицировать их по какому-либо одному признаку, который являлся бы определяющим, практически невозможно. Тем не менее, ряд признаков связан в той или иной мере со значением номинального напряжения сети Uном. К числу таких признаков можно отнести охват территории, назначение сети и частичный характер ее потребителей.

По размерам территории, охватываемой сетью, выделяются так называе-

мые местные (Uном 35 кВ), районные (Uном = 110 – 220 кВ) и региональные (Uном 330 кВ) сети. Линии сверхвысокого напряжения (СВН), являющиеся основой последней категории сетей, служат как для связи отдельных районов и небольших энергосистем, так и для связи между собой крупных объединений.

По назначению различают системообразующие и распределительные сети. Первые осуществляют функцию формирования районных энергосистем путем объединения их электростанций на параллельную работу, а также объединения районных сетей и ОЭС между собой. С помощью них также осуществляется передача электроэнергии к системным подстанциям, выполняющим роль источников питания распределительных сетей. Распределительной считается линия, питающая ряд трансформаторных подстанций или вводы к электроустановкам потребителей. Такие линии являются основой распределительной сети. Распределительные линии могут быть иметь место в сетях различного уровня напряжения, поэтому не следует отождествлять понятия местных и распределительных сетей. По мере развития сетей сверхвысокого напряжения современ-

ные сети напряжением 110 – 220 и даже 330 кВ постепенно приобретают характер распределительных сетей.

Местные и распределительные сети могут различаться по характеру подключаемых к ним потребителей. При этом сети, осуществляющие электроснабжение промышленных предприятий, городов и сельскохозяйственных районов, соответственно именуются промышленными, городскими и сельскими.

Сельские сети характеризуются большой протяженностью, они охватывают территории со сравнительно невысокой плотностью нагрузки с небольшим годовым числом часов использования ее максимума.

Чисто промышленные сети имеют малую протяженность, снабжают территории с большой плотностью нагрузки с высокой степенью заполнения графика нагрузки.

Городские сети занимают промежуточное положение между промышленными и сельскими сетями. Сочетание коммунально-бытовых и промышленных потребителей в городе обуславливает значительную неравномерность графиков нагрузок городской сети, которая в ряде случаев вызывает необходимость привлечения дополнительных маневренных мощностей, позволяющих своевременно и быстро реагировать на резкие спады и подъемы нагрузки.

Помимо классификации сетей по уровню напряжения сети также классифицируются и по другим признакам. Например, по роду тока, конфигурации, по отношению к помещению и по конструктивному исполнению. По роду тока различают сети переменного и постоянного тока. В России сети трехфазного переменного тока напряжением 110 кВ и выше выполняются с глухим заземлением нейтралей, а сети более низких напряжений – с изолированными или заземленными через дугогасящий реактор нейтралями.

Сточки зрения конфигурации различают разомкнутые и замкнутые сети.

Кразомкнутым относятся сети, образованные радиальными или радиальномагистральными линиями электропередачи и осуществляющие электроснабжение потребителей от одного источника питания. К числу замкнутых относятся сети, обеспечивающие питание потребителей не менее чем с двух сторон. Наиболее простой формой замкнутой сети является кольцевая сеть. Питающие сети, как правило, являются сложно-замкнутыми.

По отношению к помещению различают внутренние и наружные сети, а по конструктивному исполнению на внутренние проводки (сети напряжением до 1 кВ), кабельные (напряжением до 500 кВ) и воздушные (напряжением до 1150 кВ). Сети внутри промышленных предприятий могут прокладываться закрытыми комплектными токопроводами. Кабельные сети являются основами городских и промышленных распределительных сетей, а воздушные используются для сооружения районных и системообразующих сетей, а также для электроснабжения сельских потребителей.