ЛЕКЦИЯ №2

Определение понятия энергетической системы

Установки по производству, преобразованию, распределению и потреблению электроэнергии и теплоты, связан­ные между собой электрическими и тепловыми сетями с общим ре­жимом управления, называют энергетической системой, а электри­ческую часть энергосистемы (генераторы, преобразовательные и распределительные устройства, линии электропередачи (ЛЭП) и потребители электроэнергии) — электрической системой.

В качес­тве примера на рис. 2. 1. приведена схема электроэнергетической системы. Если напряжение генераторов теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) составляет 6—20 кВ, то экономически целесообразно снабжать электроэнергией на указанном напряжении потребителей, расположенных вблизи такой ТЭЦ. Для электроснабжения потре­бителей, удаленных на значительные расстояния, и для связи ТЭЦ с энергетической системой применяют напряжения выше гене­раторного. С этой целью на ТЭЦ (гидростанциях ГЭС-1 и ГЭС-2 и тепловых районных электростанциях ГРЭС-1 и ГРЭС-2) устанав­ливают трансформаторы для повышения генераторного напряжения до 110—150 кВ. Трансформаторные районные подстанции п/ст1 – п/ст4 и узловые распределительные подстанции УРП1 – УРП4 предназначены для преобразования напряжения и связи отдель­ных частей системы и питания мощных потребителей, а трансфор­маторные подстанции ТП – для питания потребителей меньшей мощности, расположенных вблизи районных подстанций.

В настоящее время производство, передача, распределение и потребление электроэнергии осуществляются в основном на трехфазном переменном токе частотой 50 Гц. Это объясняется относительной простотой преобразования переменного тока и широ­ким применением для привода промышленных механизмов неслож­ных надежных трехфазных асинхронных двигателей. С помощью различных выпрямителей (двигатель-генераторов и полупроводни­ковых выпрямителей) преобразуют трехфазный переменный ток в постоянный.

Для сокращения количества исполнений электрооборудования ГОСТ 721—77 устанавливает номинальные значения напряжений генераторов, трансформаторов, сетей и приемников электроэнер­гии напряжением до и выше 1000 В переменного тока, приведен­ные соответственно в табл. 2.1и 2.2.

Таблица 2.1

Таблица 2.2

Примечание: * - Для вновь проектируемых сетей не применяется

Как видно из таблиц, номинальные напряжения генераторов, вторичных обмоток трансформаторов и приемников электроэнергии несколько отличаются друг от друга. Объясняется это тем, что для обеспечения нормальной работы приемников электроэнергии с учетом потерь напряжения в сети отклонения напряжения на них не должны превышать ±5% от номинального.

Напряжение переменного тока преобразуется с помощью повы­шающих трансформаторов на электростанциях и понижающих — на подстанциях у потребителей.

Баланс активной и реактивной мощности в энергетической системе

Количество электрической энергии, вырабатываемой генерато­рами станций и энергосистемы, в каждый момент должно быть рав­но ее потреблению, поэтому соответственно должны; быть равны и их активные мощности:

где Р_Г — суммарная активная нагрузка генераторов системы; Р_П—суммарная активная нагрузка потребителей системы; Рсн — суммарная активная мощность, потребляемая на собственные нуж­ды всей системы в целом; ∆Р_Σ — суммарные потери активной мощности во всех звеньях электрической системы.

Опыт эксплуатации электростанций и систем показывает, что резерв мощности должен быть не меньше 10% от их установлен­ной мощности.

Учитывая, что некоторая часть наиболее ответственных потребителей энергетической системы не допускает никаких отклю­чений и отклонений от нормального режима работы, в энергосис­темы вводят дополнительные устройства автоматической частот­ной разгрузки. Эти устройства при снижении частоты в системе до определенных пределов автоматически отключают часть менее ответственных потребителей, благодаря чему восстанавливается баланс активных мощностей и, следовательно, поддерживается необходимая частота в системе.

В энергетических системах частоту обычно регулирует одна, а в крупных системах — несколько мощных электростанции, график нагрузки. Станции, на которые возлагается регулирование частоты, называются ведущи­ми, а станции, на которых работают по заданному графику нагрузки, — базисными. 

В энергетических системах потребление активной мощности сопровождается  обязательно  потреблением  и  реактивной  мощности, необходимой для работы электрических машин и трансформаторов. Ток нагрузки, протекая по линиям, создает вокруг   проводов  маг­нитные  и электрические поля, на  что также  необходима  реактив­ная мощность.   Поэтому   передача по сетям реактивной мощности вызывает в них дополнительные потери активной мощности  и  напряжения.

Реактивная мощность в электрических системах создается ге­нераторами при их перевозбуждении и высоковольтными линиями большой протяженности При нормальной работе системы выраба­тываемые и потребляемые в ней реактивные мощности должны быть равны, т.е.

где Q_Г – суммарная реактивная мощность, вырабатываемая гене­раторами системы, Q_Л – суммарная реактивная емкостная мощ­ность, генерируемая линиями (с учетом компенсирующих уст­ройств), Q_П – суммарная реактивная мощность потребителей электроэнергии (с учетом компенсирующих устройств), Q_СН – суммарная реактивная мощность потребителей собственных нужд всей   системы   в   целом, ∆Q_Л; ∆Q_Т – потери   реактивной   мощности линий и в трансформаторах системы.

Реактивная  мощность в основном  создается  генераторами,  по этому при полной загрузке генераторов по активному току   в системе может возникнуть дефицит реактивной   мощности. Если же реактивная  нагрузка  потребителей значительно превысит возмож­ную реактивную мощность генераторов (например, при отключении части   из  них), то  произойдет такое  понижение  напряжения,  при котором   ток   потребителей   значительно  увеличится,   что  приведет к дальнейшему  снижению напряжения и т. д. Такое снижение напряжения в системе называется лавиной напряжения.  Следова­тельно, в системе всегда должен быть определенный резерв реактивной  мощности.    Для  этого   в  местах ее  наибольшего  потребления устанавливают синхронные   компенсаторы,    синхронные  двигатели и 6aтapeи статических конденсаторов, которые разгружают линии от   протекания   по   ним   некоторой   части   реактивной   мощности, а следовательно, уменьшают потери мощности и напряжения в сети.

Выполнение  схем   электроснабжения   промышленных   предприятий   для присоединения   к   энергосистеме   зависит   от   требований надежности    и    бесперебойности    электроснабжения    потребителей электроэнергии, наличия электростанции на предприятии и возможности  присоединения  ее    к  энергетической системе,  расположения объекта  электроснабжения  по отношению  к  источнику  питания  и электрическим сетям энергетической системы.

Основные источники питания электрической энергии

и их краткая характеристика

 Потребности в электроэнергии как в промышленности, так и в быту покрываются в основном за счет энергии, вырабатываемой на электростанциях.

Большую часть электроэнергии как в России, так и в мировой энергетике вырабатывают тепловые, атомные и гидравлические электростанции. Поэтому дадим краткую характеристику только этим источникам питания.

Тепловые конденсационные электростанции (КЭС) строят по возможности ближе к местам добычи топлива и удобным для водо­снабжения. Их выполняют из ряда блочных агрегатов (котел - тур­богенератор - повышающий трансформатор) мощностью от 200 до 1200 МВт, выдающих выработанную энергию в сети 110...750 кВ. Особенность агрегатов КЭС заключается в том, что они недоста­точно маневренны, так как подготовка их к пуску, разворот, син­хронизация и набор нагрузки требует времени от 3 до 6 ч. Поэтому для КЭС предпочтительным является режим работы с равномерной нагрузкой в пределах от номинальной до нагрузки, соответствую­щей техническому минимуму, определяемому видом топлива и конструкцией агрегата. Коэффициент полезного действия КЭС не превышает 32- 40 %. Они существенно влияют на окружающую среду - загрязняют атмосферу, изменяют тепловой режим источни­ков водоснабжения.

Теплофикационные электростанции ( теплоэлектроцентарль – ТЭЦ) строят вблизи по­требителей тепла, при этом используется обычно привозное топли­во. Работают эти электростанции наиболее экономично (КПД дос­тигает 60-70 %) при нагрузке, соответствующей тепловому по­треблению и минимальному пропуску пара в часть низкого давле­ния турбин и в конденсаторы. Единичная мощность агрегатов со­ставляет 30...250 и более МВт. Станции с агрегатами 100...250 МВт выполняют блочного типа с выдачей мощности в сети повы­шенного напряжения. Теплофикационные электростанции, как и КЭС, существенно влияют на окружающую среду.

Атомные электростанции (АЭС) могут быть сооружены в лю­бом географическом районе не подверженном землетрясениям, в том числе и труднодоступном, но при наличии источника водо­снабжения. Количество (по массе) потребляемого топлива (урано­вого концентрата) незначительно, что облегчает требования к транспортным связям. АЭС состоят из ряда агрегатов блочного ти­па, выдающих энергию в сети повышенного напряжения. Агрегаты АЭС, в особенности на быстрых нейтронах, не маневренны, так же как агрегаты КЭС. По условиям работы и регулирования, а также по технико-экономическим соображениям предпочтительным яв­ляется режим с относительно равномерной нагрузкой. АЭС предъ­являют повышенные требования к надежности работы оборудова­ния. Коэффициент полезного действия составляет 35-38 %. АЭС практически не загрязняют атмосферу. Выбросы радиоактивных газов и аэрозолей незначительны, что позволяет сооружать АЭС вблизи городов и центров нагрузки. Трудной проблемой является захоронение или восстановление отработанных элементов.

Гидроэлектростанции (ГЭС) могут быть сооружены там, где имеются гидроресурсы и условия для строительства, что часто не совпадает с расположением потребителей электроэнергии. При со­оружении ГЭС обычно преследуют решение комплекса задач, а именно: выработки электроэнергии, улучшения условий судоход­ства, орошения. Единичная мощность гидроагрегатов достигла 640 МВт. Электрическую часть выполняют по блочным схемам генера­торы-трансформаторы с выдачей мощности в сети повышенного напряжения. Гидроагрегаты высокоманевренны: разворот, синхро­низация с сетью и набор нагрузки происходит в течение 1-5 мин. При наличии водохранилищ ГЭС может быть использована для ра­боты в пиковой части суточного графика системы с частыми пус­ками и остановами агрегатов. Коэффициент полезного действия ГЭС составляет 85-87 %.

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) предназначе­ны для выравнивания суточного графика энергосистемы. В часы минимальной нагрузки они увеличивают ее, работая в насосном режиме (перекачивают воду из нижнего водоема в верхнее водо­хранилище, запасая тем самым энергию); в часы максимальной на­грузки системы агрегаты ГАЭС работают в генераторном режиме, принимая на себя пиковую часть нагрузки. ГАЭС сооружают в сис­темах, где отсутствуют ГЭС или их мощность недостаточна для покрытия нагрузки в часы пик. Их выполняют из ряда блоков, вы­дающих энергию в сети повышенного напряжения и получающих ее из сети при работе в насосном режиме. Агрегаты ГАЭС облада­ют высокой маневренностью и могут быть быстро переведены из насосного режима в генераторный или в режим синхронного ком­пенсатора. Коэффициент полезного действия ГАЭС 70-75 %. Они требуют незначительного количества обслуживающего персонала. Гидроаккумулирующие станции сооружают там, где имеются ис­точники водоснабжения и местные геологические условия позво­ляют создать напорное водохранилище.

Назначение электрических сетей и их конструктивное выполнение

Электрическая энергия передается и распределяется с помощью линий электропередачи (ЛЭП) и электрических сетей различных напряжений. Напряжение линий выбирают в зависимости от мощ­ности, передаваемой по ним, и их протяженности, при этом потери и стоимость сооружения линий должны быть возможно меньшими.

Для выполнения электрических сетей применяются неизолиро­ванные (голые) и изолированные провода, кабели, токопроводы.

Голые провода не имеют изолирующих покровов. Их можно про­кладывать только в условиях, исключающих случайные прикосновения к ним людей. Прикосновение проводящим предметом к одному или нескольким проводам приведет к замыканию. Наибольшее рас­пространение голые провода получили на воздушных линиях, рас­положенных на открытом воздухе.

Большинство сетей напряжением до 1 кВ внутри помещений вы­полняются изолированными проводами, т. е. проводами, имеющи­ми изолирующие, а иногда защитные покровы.

Воздушной линией электропередачи (ВЛ или ВЛЭП) называют ус­тройство для передачи электроэнергии по проводам. Воздушные линии состоят из трех элементов: проводов, изоля­торов и опор (рис.2.2.).

Кабелем называют многопроволочный провод или несколько скрученных вместе изолированных проводов при помещении в об­щую герметическую оболочку. В зависимости от назначения и условий, в которых сооружаются кабельные линии, они могут прокладываться в грунте (траншейная прокладка) либо по конструк­циям (в трубах, на полках, по стенам, в коллекторах и т.д.).

Токопроводом называют устройство, предназначенное для кана­лизации электроэнергии при открытой прокладке в производствен­ных и электротехнических помещениях, по опорным конструкци­ям, колоннам и фермам зданий. К токопроводам относятся шинные магистрали различного исполнения, которые называются шинопроводами.

Материалами для токоведущих частей проводов и кабелей явля­ются медь, алюминий, их сплавы и сталь.

Медь - один из лучших проводников электрического тока, и по­этому необходимые технико-экономические показатели (потери электроэнергии) можно получить при меньших сечениях медных проводов, чем при проводах из других материалов. Твердотянутая медь при температуре +20°С имеет удельное сопротивление 18 Ом·мм² в расчете на 1 км. Медные провода хорошо противосто­ят влиянию атмосферных условий и большинству химических реа­гентов, находящихся в воздухе.

Алюминий - худший проводник, чем медь. Его проводимость примерно в 1,6 раза меньше проводимости меди, однако проводи­мость алюминия все же достаточно высока, чтобы его можно было использовать в качестве токопроводящего материала для проводов и кабелей. Действию атмосферных явлений алюминий противосто­ит так же хорошо, как и медь.

Стальные провода используются в тех случаях, когда требуется передать небольшую мощность и, следовательно, небольшое сече­ние, например, в сельских сетях. Стальные провода с большим со­противлением на разрыв используются для устройства переходов воздушных линий через широкие реки, ущелья и т. п. при длине про­лета более 1 км.

Активное и реактивное сопротивление стальных проводов зна­чительно выше, чем проводов из цветного металла, и поэтому об­ласть применения этих проводов ограничена. Существенный недо­статок стальных проводов - их высокая коррозия. Для повышения коррозионной стойкости стальные провода изготавливают из оцинкованной меди.

Электрические подстанции и их разновидности

Все множество подстанций, которые используются в СЭС раз­личных объектов, принято делить на следующие группы:

1)       Узловые распределительные подстанция (УРП). Они предна­значены для распределения электрической энергии на напряжении 110...500 кВ, используются на особо крупных предприятиях и в энергосистемах;

2)       Главные понизительная подстанция (ГПП), предназначенные для понижения напряжения, например, до уровня напряжения внутризаводского электроснабжения. Устанавливаются на средних и крупных предприятиях, городах и поселках;

3)       Подстанции глубокого ввода (ПГВ), назначение которых аналогичное ГПП. Используются на предприятиях с большой террито­рией, где отдельные крупные потребители расположены на доста­точно большом расстоянии друг от друга. Отличительными осо­бенностями ПГВ является использование в них упрощенных схем коммутации и комплектного оборудования на стороне высшего на­пряжения;

4)       Центральные распределительные подстанции 6, 10 кВ (ЦРП) и промежуточные (РУ, РП), предназначенные для распределения электроэнергии без понижения напряжения в городских и поселковых сетях, а также в сетях внутризаводского электроснабжения.
Промежуточные распределительные устройства устанавливаются на крупных и средних предприятиях, а также в городских и посел­ковых сетях. ЦРП находят применение на предприятиях с неболь­шой нагрузкой;

5)       Цеховые (городские) трансформаторные подстанции (ТП), предназначенные для понижения напряжения до уровня 380...660 В;

6)       Электротехнологические подстанции;

7)       Преобразовательные, тяговые подстанции и подстанции дру­гого назначения.

Силовые трансформаторы, автотрансформаторы

Общие сведения о силовых трансформаторах.

 Силовые трансформаторы являются основным электрическим оборудованием электроэнергетических систем, обеспечивающим передачу и распределение электроэнергии на переменном трехфаз­ном токе от электрических станций к потребителям. С помощью трансформаторов напряжение повышается от генераторного до значений, необходимых для электропередач системы (35... 750 кВ), а также многократное ступенчатое понижение напряжения до зна­чений, применяемых непосредственно в приемниках электроэнер­гии (0,127...10 кВ).

В справочных данных на трансформаторы приводятся: тип, но­минальная мощность, номинальные напряжения обмоток, потери мощности холостого хода и короткого замыкания, напряжение ко­роткого замыкания, ток холостого хода.

В зависимости от числа обмоток транс­форматоры разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные. Обмотки высшего, среднего и низшего напря­жений принято сокращенно обозначать соответственно ВН, СН, НН.

В настоящее время применяются трансформаторы следующих стандартных номинальных мощностей: 25,40, 63, 100, 160,250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300, 10000, 16000, 25000, 32000, 40000, 63 000, 80 000, 160 000 кВ·А.

Условные обозначения типов трансформаторов состоят из букв, которые обозначают:

первые буквы: О – однофазный, Т – трехфазный;

последняя буква: Н – выполнение одной обмотки с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН); Р – трансформатор с расщепленной обмоткой низшего напря­жения; Т – трехобмоточный трансформатор;

М, Д, ДЦ, МВ, С, 3, Н – система охлаждения трансформаторов.

После буквенного обозначения типа трансформатора в числителе дроби указывается номинальная мощность (кВ·А), в знаменате­ле – напряжение обмотки ВН (кВ).

Регулирование коэффициента трансформации можно осущест­влять при включенном (под нагрузкой) или отключенном трансфор­маторе. Трансформаторы с регулированием напряжения под на­грузкой (РПН) применяют на электрических станциях и районных подстанциях. Регулирование напряжения трансформа торов с переключением без возбуждения (ПБВ) производится на подстанциях промышленных предприятий. (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Ответвление обмоток трансформатора с РПН на обмотке ВН

Переключение без возбуждения осуществляется после отключе­ния всех обмоток от сети при помощи ответвлений обмотки ВН или СН, Трехфазные понижающие трансформаторы мощностью 25...80 000 кВ·А напряжением до 35 кВ включительно имеют четы­ре ответвления (± 2х2,5 %) номинального напряжения. Понижаю­щие трансформаторы напряжением 11О и 220 кВ имеют ответвле­ния для ПБВ только в трехобмоточном исполнении на обмотках СН при напряжении 38,5 кВ.

Функции изоляции и охлаждающей среды выполняет трансфор­маторное масло, заполняющее бак. При работе трансформатора масло в нем непрерывно циркулирует, так как оно поглощает тепло­ту, выделяющуюся в обмотках и магнитопроводе, нагревается и поднимается вверх. Затем нагретое масло движется вниз вдоль охлаждающих поверхностей — по стенкам бака, трубам или радиа­торам, отдавая теплоту в окружающее пространство.

В зависимости от мощности трансформаторов применяют раз­личные виды охлаждения: естественное масляное (М); масляное с воздушным дутьем (Д); то же, с принудительной циркуляцией масла (ДЦ); масляно-водяное с естественной циркуляцией масла (MB); то же, с принудительной циркуляцией масла (Ц); с естест­венным воздушным охлаждением в трансформаторах с сухой изо­ляцией (С); с негорючим диэлектриком (Н); буква (З) обозначает, что трансформатор без расширителя и за­щита осуществляется с помощью азотной подушки.

Пример условного обозначения трансформатора ТРДН - 40 000/110: трехфазный трансформатор с расщепленной обмоткой НН, масляным охлаждением, дутьем и естественной циркуляцией масла, РПН, номинальной мощностью 40000 кВ·А , напряжением 110 кВ.

Важным параметром подключения трансформатора к сети яв­ляется группа и схема соединений его обмоток. Группой соединений называют угловое (кратное 30°) смещение векторов между одно­именными вторичными и первичными линейными напряжениями холостого хода трансформатора. Возможны четыре схемы соеди­нения силовых трансформаторов: звезда Y, звезда с выведенной нейтралью Y_H, треугольник ∆, зигзаг Z. Группа соединений указы­вается числами от 0 до 12. Например, 11 соответствует углу 330°.

На электрических станциях и подстанциях наибольшее распрос­транение получили следующие схемы и группы соединений двухобмоточных трансформаторов:

звезда - звезда с выведенной нейтралью Y/Y_H - 12;

звезда - треугольник Y/∆ - 11;

звезда с выведенной нейтралью - треугольник Y_H/∆ -11.

В трехобмоточных трансформаторах наиболее часто применя­ются соединения: звезда - звезда с выведенными нейтралями - тре­угольник Y/Y_H/Δ - 11, 12.

Общие сведения об автотрансформаторах.

Автотрансформаторы применяются при небольших коэффици­ентах трансформации (менее 2), при которых они более экономич­ны, чем трансформаторы. Кроме того, автотрансформаторы при­меняются в сетях напряжением 220 кВ и выше для регулирования напряжения (линейные регуляторы).

Автотрансформаторы с первичным напряжением ВН 220 кВ имеют номинальные мощности 32, 63, 125 и 200 МВ·А.

Маркировка автотрансформаторов начинается с буквы А, на­пример, АТДЦТН – 200 000/220 обозначает автотрансформатор трехфазный с масляным охлаждением с принудительной циркуля­цией и дутьем, трехобмоточный, с РПН, номинальной мощностью 200 000 кВ·А , напряжением 220 кВ.

Номинальной или проходной мощностью автотрансформатора называется предельная мощность, которая может быть передана через автотрансформатор на стороне ВН.

Типовой или расчетной мощностью называется мощность, пере­даваемая электромагнитным путем. Отношение типовой мощности S_ТИП к номинальной S_HOM называется коэффициентом выгодности автотрансформатора α= (1-1/k). Ключевые слова -