Тема 3.1 Источники, передача и распределение электрической энергии.

Электрическая энергия универсальна: она удобна для дальних передач, легко распределяется по отдельным потребителям и с помощью сравнительно несложных устройств преобразуется в дру­гие виды энергии.

Эти задачи решает энергетическая система, в которой осуще­ствляются преобразование энергии топлива или падающей воды в электрическую энергию, трансформация токов и напряжений, рас­пределение и передача электрической энергии потребителям.

Источниками электрической энергии служат тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС) и атомные (АЭС) электростанции, имею­щие общий режим производства энергии. Линии электропереда­чи, трансформаторные и распределительные устройства обеспе­чивают совместную работу электростанций и распределение энер­гии между потребителями.

Рис. 11.1. Общая схема электроснабжения

Рис. 11.2. Передвижная дизельная электростанция с синхронным генератором:

I - возбудитель постоянного тока; 2 - генератор; 3 - дизельный двигатель

Передача и распределение электроэнергии строится по ступен­чатому принципу (рис. 11.1). Для уменьшения потерь в линиях элек­тропередач (ЛЭГТ) напряжение повышают при помощи повыша­ющих (ГГТП-1) и понижающих (ГПП-2) трансформаторов, устанавливаемых на электрических подстанциях. От крупных подстан­ций электроэнергия подается непосредственно к объектам, на ко­торых на трансформаторных подстанциях (ТП) производится окон­чательное понижение напряжения. Распределение электроэнергии в электрических сетях производится, как правило, трехфазным пе­ременным током частотой 50 Гц.

В начальный период строительства в удаленных районах приме­няют в качестве временных источников.

Потребители электроэнергии . Приемником электроэнергии (электроприемником) является элек­трическая часть технологической установки или механизма, получаю­щая энергию из сети и расходующая ее на выполнение технологичес­ких процессов. Потребляя электроэнергию из сети, электроприемник, по существу, преобразует ее в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую или в электроэнергию с иными параметрами (по роду тока, напряжению, частоте). Некоторые технологические уста­новки имеют несколько электроприемников: станки, краны, и т.п.

Электроприемники классифицируются по следующим призна­кам: напряжению, роду силы тока, его частоте, единичной мощ­ности, степени надежности электроснабжения, режиму работы, технологическому назначению.

По напряжению электроприемники подразделяются на две груп­пы: до 1000 В и свыше 1000 В.

Породу силы тока электроприемники подразделяются: на при­емники переменного тока промышленной частоты (50 Гц), посто­янного тока и переменного тока частотой, отличной от 50 Гц (по­вышенной или пониженной).

Единичные мощности отдельных электроприемников и электро­потребителей различны - от десятых долей киловатта до несколь­ких десятков мегаватт.

По степени надежности электроснабжения правила устрой­ства электроустановок (ПУЭ) предусматривают три категории:

1 Электроприемники I категории - электроприемники, пере­рыв снабжения которых электроэнергией связан с опасностью для людей или влечет за собой большой материальный ущерб (домен­ные цехи, котельные производственного пара, подъемные и вен­тиляционные установки шахт, аварийное освещение и др.). Они должны работать непрерывно.

2 Электроприемники II категории - электроприемники, пере­рыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простою технологических механизмов, рабочих, про­мышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности городских и сельских жителей.

3 Электроприемники III категории - все остальные электро­приемники, не подходящие под определение I и II категорий. Элек­троприемники данной категории допускают перерыв электроснаб­жения не более одних суток.

Характеристики электроприемников . К общепромышленным ус­тановкам относятся вентиляторы, насосы, компрессоры, возду­ходувки и т. п. Данная группа электроприемников относится, как правило, к первой категории надежности. Некоторые вентиляци­онные и компрессорные станции относятся ко второй категории надежности.

Регулируемый электропривод технологических механизмов и двигатели станков с повышенной скоростью вращения получают питание от преобразовательных установок . Режимы их работы раз­личны и определяются режимом механизма.

Преобразователями тока служат двигатели-генераторы, ртутные и полупроводниковые выпрямители, питающиеся от трехфазных сетей переменного тока промышленной частоты на напряжениях до 110 кВ.

К электротехнологическим установкам относятся электронагре­вательные и электролизные установки, установки электрохими­ческой, электроискровой и ультразвуковой обработки металлов, электромагнитные установки (сепараторы, муфты), электросва­рочное оборудование.

Электронагревательные установки объединяют электрические печи и электротермические установки.

Электросварочное оборудование питается напряжением 380 или 220 В переменного тока промышленной частоты. Электросварочное оборудование работает в повторно-кратко­временном режиме. Сварочные установки по степени надежности относятся ко второй категории.

Мощность электроприводов подъемно-транспортных устройств определяется условиями производства, ее значение колеблется от нескольких до сотен киловатт. Электрические осветительные установки являются в основном однофазными приемниками. Электроосвети -тельные установки относятся ко второй катего­рии надежности.

Схемы электрических сетей. Схема силовой сети оп­ределяется технологическим процессом производства, категорией надежности электроснабжения, взаимным расположением ТП или ввода питания и электроприемников, их единичной установлен­ной мощностью и размещением. Схема должна быть проста, без­опасна и удобна в эксплуатации, экономична, должна удовлетво­рять характеристике окружающей среды, обеспечивать примене­ние индустриальных методов монтажа.

Схемы сетей могут быть радиальными, магистральными и сме­шанными - с односторонним или двусторонним питанием.

При радиальной схеме (рис. 11.3) энергия от отдельного узла пи­тания (ТП) поступает к одному достаточно мощному потребите­лю или к группе электроприемников.

Рис. 11.3. Радиальная схема питания:

1- распределительный щит; 2 - силовой распределительный пункт (РП);

3 - электроприемник; 4 - щит освещения; 5 - кабельная линия

Радиальные схемы применяют для питания сосредоточенных нагрузок большой мощности, при неравномерном размещении приемников, а также для питания приемников во взрывоопасных, пожароопасных и пыльных помещениях. Достоинства радиальных схем заключаются в высо­кой надежности (авария на одной линии не влияет на работу при­емников, получающих питание по другой линии) и удобстве ав­томатизации. Недостатками радиальных схем являются: малая эко­номичность из-за значительного расхода проводникового матери­ала.

При магистральных схемах приемники подключаются к любой точке линии (магистрали). Магистрали могут присоединяться к рас­пределительным щитам подстанции или к силовым РП (рис. 11.4):

Рис. 11.4. Магистральная схема с распределительным шинопроводом:

1- комплектная трансформаторная подстанция (КТП);

2 - распредели­тельный шинопровод; 3- нагрузка

Достоинствами магистральных схем являются: уп­рощение щитов подстанции; высокая гибкость сети, дающая воз­можность перемещать технологическое оборудование без переделки сети; использование уни­фицированных элементов, по­зволяющих вести монтаж ин­дустриальными методами.

Для повышения надежно­сти питания электроприемни­ков по магистральным схемам применяется двустороннее питание магистральной линии (рис. 11.5):

Рис. 11.5. Схема с двусторонним пита­нием магистралей

Схемы сетей электрического освещения. Система рабочего осве­щения создает нормальное освещение всего помещения и рабочих поверхностей. В такую систему входят светильники общего и мест­ного освещения.

Аварийное освещение обеспечивает освещенность для продолже­ния работы или останова технологического процесса и для эваку­ации людей при отключении рабочего освещения.

Групповые линии в зависимости от протяженности и нагрузки могут быть двух-, трех- и четырехпроводными. Групповые линии одного помещения должны получать пита­ние так, чтобы при погасании части ламп одних групп оставшиеся в работе группы обеспечивали минимальную освещенность до лик­видации аварии. Пример схемы питания осветительной сети при­веден на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Схема питания электроосвещения от двух ТП:

1- распределительный щит; 2 - линии, отходящие к силовым РП; 3,

4 - групповые щитки соответственно рабочего и аварийного освещения; 5,

б - групповая сеть соответственно рабочего и аварийного освещения;

7- питающие линии освещения

Расчет электрических нагрузок. Основой рационального решения комплекса технико-экономи­ческих вопросов электроснабжения является правильное опреде­ление ожидаемых электрических нагрузок. От этого зависят капи­тальные затраты в схеме электроснабжения, расход цветного ме­талла, потери электроэнергии и эксплуатационные расходы.

Исходными данными для расчета электрических нагрузок явля­ются установленная мощность электроприемников и характер из­менения нагрузки. Под установленной мощностью (Ру) групп по­требителей понимают суммарную паспортную мощность всех элек­троприемников. Например, установленная мощность башенного крана равна сумме номинальных мощностей всех его электродви­гателей.

В результате расчета определяется максимальная (расчетная) нагрузка, которая служит основой для выбора сечения токоведущих частей, потерь мощности и напряжения в сетях, выбора мощ­ности трансформаторов и компенсирующих устройств.

Для каждой группы электроприемников существует некоторое определенное соотношение между величинами расчетной (Рр) и установленной мощности. Это соотношение называется коэффи­циентом спроса:

Зная установленную мощность и коэффициент спроса данной группы потребителей, можно определить расчетную мощность:

Расчетную реактивную мощность (Qp) определяют по формуле:

(11.3)

где tg φ находят для угла φ, косинус которого определяют из паспортных данных установки.

Полная расчетная мощность силовой нагрузки определяется как:

(11.4)

К расчетной силовой нагрузке необходимо прибавить мощность на освещение. Расчеты удобно вести в табличной форме (таб. 11.1):

Таблица 11.1

Для снижения потерь электроэнергии надо использовать более высокие напряжения, стремиться к сокраще­нию протяженности сетей до 1000 В, применять меры по повыше­нию коэффициента мощности.

На значении коэффициента мощности электроустановки отри­цательно сказывается наличие малозагруженных электродвигате­лей и трансформаторов. Поэтому в первую очередь проводятся ме­роприятия организационного порядка, направленные на то, что­бы естественный коэффициент мощности достиг максимального значения. Если этих мер недостаточно, то применяют батареи кон­денсаторов, синхронные двигатели.

Методика расчет величины и места расположения конденсато­ров сложна, но в приближенных расчетах значение емкости (квар) определяют по формуле

(11.6)

где Qc – емкость конденсаторной батареи; Pp – расчетная активная мощность нагрузки, кВАр;

tg φр – расчетный тангенс.

По каталожным данным выбирают ближайший стандартный конденсатор. Устанавливают батареи конденсаторов или на под­станции, или непосредственно у потребителя.

Трансформаторные подстанции . Трансформаторные подстанции служат для приема электроэнер­гии, преобразования напряжения и распределения электрической энергии на объекте. По назначению различают следующие виды трансформаторных подстанций:

главные (повышающие и понижающие) подстанции , предназна­ченные для повышения напряжения линии электропередач при больших расстояниях;

распределительные, или просто трансформаторные подстанции (ТП), в которых электроэнергия, поступающая от ГПП, транс­формируется с высшего напряжения 35 ...6 кВ на низшее 660/380 или 380/220 В, на которое и рассчитано большинство потребите­лей.

Оборудование ТП состоит из трансформаторов, аппаратов ком­мутации и защиты, устройств управления, контроля и учета элект­роэнергии. Схема ТП типа строительной комплектной трансформа­торной подстанции с одним трансформатором показана на рис. 11.7:

Рис. 11.7. Мачтовая открытая подстанция (а) и схема ТП с одним транс­форматором (б):

1 - трансформатор; 2 - разъединитель; 3 - предохранитель;

4 - распреде­лительный шкаф; 5 - разрядник

По конструктивному выполнению различают открытые, закрытые, передвиж­ные подстанции.

К открытым, оборудование которых устанавливается на откры­том воздухе, относятся мачтовые подстанции с трансформатора­ми, установленными на деревянных или железобетонных опорах. На рис. 11.7 изображена подстанция с одним трансформатором, присоединенным к ЛЭП.

Закрытые ТП (рис. 11.8) располагаются в помещениях К закрытым транс­форматорным подстанциям относятся также комплектные под­станции КТП или СКТП (строительные комплектные трансфор­маторные подстанции). Электрооборудование КТП размещается в металлическом корпусе.

Рис. 11.8. Закрытая трансформаторная подстанция: 1 - трансформатор;

2 - контакт замыкающий; 3 - предохранитель

Передвижные подстанции (рис. 11.9), которые также могут быть комплектными, монтируются на авто- или железнодорожной плат­форме.

Рис.11.9. Передвижная комплектная трансформаторная подстанция

Технические характеристики силовых трансформаторов . Основ­ным конструктивным типом силового трансформатора напряже­нием до 10 кВ является трехфазный трансформатор с естествен­ным масляным охлаждением. Используются и сухие силовые транс­форматоры (т. е. с воздушным охлаждением). Они безопасны в от­ношении пожара и поэтому ими комплектуются ТП в зданиях с повышенными требованиями пожарной безопасности. Промышленность выпускает трехфазные силовые трансформа­торы по определенной шкале мощностей: 10; 16; 25; 40; 63; 100; 250; 400; 630; 1000; 1600 кВА.

Определение типа и мощности силового трансформатора. Выбор типа, мощности ТП, ее расположение обуславливается величиной, характером электрических нагрузок и их пространственным расположением.

Расчет ведется в такой последовательности:

определяется местоположение ТП с учетом положения опасных зон, расположения подъездных путей и дорог. Трансформаторные подстанции желательно располагать ближе к мощным потребителям;

при определении мощности трансформатора необходимо одно­временно решать вопрос о компенсации реактивной мощности. При компенсации на стороне 0,4 кВ получается расчетная мощность трансформатора:

(11.7)

где Рр - расчетная активная мощность нагрузки, кВт; Qр - рас­четная реактивная мощность нагрузки, квар; QЭ - реактивная мощ­ность энергосистемы (как правило, QЭ = 0,33 Рр); В - коэффици­ент загрузки трансформатора (для однотрансформаторной подстан­ции В = 0,95... 1,0).

Из справочных данных выбирают ближайший трансформатор равной или большей мощности.

Электрические станции.

Электрическая энергия вырабатывается на электростан­циях. Различные виды природной энергии (топливо, атом­ная, падающей воды, ветра, морских приливов и отливов и т. д.) преобразуются на этих станциях в электрическую. Для работы электрических генераторов используют паро­вые поршневые машины и турбины, двигатели внутреннего сгорания, газовые и гидравлические турбины, ветряные двигатели и др. В зависимости от вида энергии, потребляе­мой первичными двигателями, электростанции бывают тепловыеу включая и атомные, гидравлические, ветряные. Некоторое значение для горных и южных районов имеют гелиостанции (солнечные установки). Однако мощность их пока незначительна, поэтому они имеют лишь местное зна­чение и ограниченное применение.

Городские станции обеспечивают потребителей не только электроэнергией, но и теплотой и называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Постепенное сокращение топливных ресурсов требуют поисков новых способов получения электроэнергии. Одним из наиболее перспективных является получение электроэнер­гии с помощью термоядерного синтеза. В этом направлении ведутся исследовательские работы во всем мире.

Следует отметить, что к.п.д. даже крупных тепловых электростанций не превышает 40-42%. Эффективным способом повышения к.п.д. тепловых электростанций является применение так называемых магнитогидродинамически х генераторов (МГД- генераторов).

Понятие об электрических системах . Передачу электрической энергии на большие расстоя­ния выгодно осуществлять при высоких напряжениях. Поэтому при электростанциях сооружаются трансформа­торные подстанции, на которых напряжение генераторов повышается до 35, 110, 220 кВ и более. При очень больших расстояниях, порядка не­скольких тысяч километров, передача энергии может осу­ществляться на постоянном токе высокого напряжения, что позволяет уменьшить потери энергии в линиях электро­передачи (ЛЭП). В ме­стах потребления постоянный ток вновь преобразуется в переменный на специальных преобразовательных подстан­циях. От сборных шин распределительного устройства под­станции (РУ) по линиям электропередачи энергия переда­ется на районные понизительные подстанции с вторичным номинальным напряжением 6-10 кВ. От районных пони­зительных подстанций электрическая энергия передается обычно по кабельным линиям на городские распредели­тельные пункты (РП), от которых распределяется между по­низительными подстанциями, расположенными вблизи по­требителей непосредственно в микрорайонах и жилых кварталах.

Совокупность электрических станций, линий электропередачи, подстанций, тепловых сетей, свя­занных в одно целое общностью режима, непрерывностью процессов производства и распределения электрической и тепловой энергии, называется энергосистемой.

В России имеется ряд крупных энергосистем, объединяю­щих большое количество электрических станций. Часть энергетической системы, состоящая из генера­торов, распределительных устройств, повысительных и понизительных подстанций, линий электрических сетей и электроприемников, называется электрической системой.

На рис. 11.10 приведена примерная схема электроснабже­ния крупного города:

Длительно допустимая расчетная токовая нагрузка для заданных условий

Iд ³ Imax /(ККп), (11.8)

где Imax - расчетная длительная максимальная токовая нагрузка элемента сети, А,

определяемая по формулам:

а) для трехфазной четырехпроводной и трехпроводной сетей

(11.9)

б) для двухфазной сети с нулевым проводом

, (11.10)

в) для однофазной сети

(11.11)

где Рmах - расчетная максимальная нагрузка, кВт; Uном - номинальное линейное

напряжение, В; UФ - номинальное фазное напряжение, В.

Для сетей, питающих люминесцентные лампы, при оп­ределении расчетного тока Imах следует вводить повышаю­щий коэффициент, учитывающий потери мощности в пуско­регулирующих аппаратах (ПРА), равный 1,25.

Производство электроэнергии в мире в наши дни играет огромную роль. Она - стержень государственной экономики любой страны. Гигантские суммы денег ежегодно вкладываются в производство и использование электроэнергии и научные исследования, связанные с этим. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с ее действием, поэтому современный человек должен иметь представление об основных процессах ее выработки и потребления.

Как получают электроэнергию

Производство электроэнергии осуществляется из других ее видов при помощи специальных устройств. Например, из кинетической. Для этого применяют генератор - прибор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию.

Другие существующие способы ее получения - это, например, преобразование излучения светового диапазона фотоэлементами или солнечной батареей. Или производство электроэнергии путем химической реакции. Или использование потенциала радиоактивного распада либо теплоносителя.

Вырабатывают ее на электростанциях, которые бывают гидравлическими, атомными, тепловыми, солнечными, ветряными, геотермальными и проч. В основном все они работают по одной схеме - благодаря энергии первичного носителя определенным устройством вырабатывается механическая (энергия вращения), передаваемая затем в специальный генератор, где и вырабатывается электроток.

Основные виды электростанций

Производство и распределение электроэнергии в большинстве стран ведутся путем строительства и эксплуатации ТЭС - тепловых электростанций. Их функционирование требует большого запаса органического топлива, условия добычи которого из года в год усложняются, а стоимость растет. Коэффициент полезной отдачи топлива в ТЭС не слишком высок (в пределах 40%), а число экологически грязных отходов велико.

Все эти факторы снижают перспективность такого способа выработки.

Наиболее экономично производство электроэнергии гидроэнергетическими установками (ГЭС). КПД их доходит до 93%, себестоимость 1 кВт/ч впятеро дешевле других способов. Природный источник энергии таких станций практически неисчерпаем, количество работников - минимально, ими легко управлять. По развитию данной отрасли наша страна - признанный лидер.

К сожалению, темпы развития ограничены серьезными затратами и длительными сроками строительства ГЭС, связанными с их удаленностью от больших городов и магистралей, сезонным режимом рек и трудными условиям работы.

Кроме того, гигантские водохранилища ухудшают экологическую ситуацию - затапливают ценные земли вокруг водоемов.

Использование атомной энергии

В наши дни производство, передача и использование электроэнергии производятся атомными электростанциями - АЭС. Они устроены практически по тому же принципу, что и тепловые.

Главный их плюс - малое количество требующегося топлива. Килограмм обогащенного урана по своей производительности эквивалентен 2,5 тыс. тонн угля. Именно поэтому АЭС теоретически можно строить в любом районе независимо от наличия близлежащих топливных ресурсов.

В настоящее время запасы урана на планете значительно больше, чем минерального горючего, а воздействие АЭС на окружающую природу минимально при условии безаварийной работы.

Огромный и серьезный недостаток АЭС - вероятность страшной аварии с непредсказуемыми последствиями, отчего для их бесперебойной работы требуются очень серьезные меры по обеспечению безопасности. К тому же производство электроэнергии на АЭС регулируется с трудом - как для их запуска, так и для полной остановки понадобится несколько недель. И практически отсутствуют технологии утилизации опасных отходов.

Что такое электрический генератор

Производство и передача электроэнергии осуществимы благодаря электрогенератору. Это устройство преобразования любых видов энергии (тепловой, механической, химической) в электрическую. Принцип его действия построен на процессе электромагнитной индукции. ЭДС индуктируется в проводнике, который движется в магнитном поле, пересекает его силовые магнитные линии. Таким образом, проводник может служить источником электроэнергии.

Основа любого генератора - система электромагнитов, формирующих магнитное поле, и проводников, которые его пересекают. Большинство всех генераторов переменного тока основаны на применении вращающегося магнитного поля. Его неподвижную часть именуют статором, подвижную - ротором.

Понятие трансформатора

Трансформатор - электромагнитное статическое устройство, предназначенное для преобразования одной системы тока в другую (вторичную) при помощи электромагнитной индукции.

Первые трансформаторы в 1876 г. были предложены П. Н. Яблочковым. В 1885 г. венгерскими учеными разработаны промышленные однофазные приборы. В 1889-1891 гг. изобретен трехфазный трансформатор.

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального сердечника и пары обмоток. Применяются они для распределения и передачи электроэнергии, ведь генераторы электростанций вырабатывают ее при напряжении от 6 до 24 кВт. Передавать ее выгодно при больших значениях (от 110 до 750 кВт). Для этого на электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы.

Как используется электроэнергия

Ее львиная доля идет на снабжение электричеством предприятий промышленности. Производство потребляет до 70% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Эта цифра значительно разнится для отдельных регионов в зависимости от климатических условий и уровня индустриального развития.

Другая статья расходов - снабжение электротранспорта. От электросетей ЭЭС работают подстанции городского, междугороднего, промышленного электротранспорта, использующего постоянный ток. Для транспорта на переменном токе применяются понижающие подстанции, которые тоже потребляют энергию электростанций.

Другой сектор потребления электроэнергии - коммунально-бытовое снабжение. Потребителями здесь являются здания жилых районов любых населенных пунктов. Это дома и квартиры, административные здания, магазины, заведения образования, науки, культуры, здравоохранения, общественного питания и т. д.

Как происходит передача электроэнергии

Производство, передача и использование электроэнергии - три кита отрасли. Причем передать полученную мощность потребителям - самая сложная задача.

"Путешествует" она главным образом посредством ЛЭП - воздушных линий электропередачи. Хотя все чаще начинают применять кабельные линии.

Вырабатывается электроэнергия мощными агрегатами гигантских электростанций, а потребителями ее служат относительно небольшие приёмники, разбросанные по обширной территории.

Существует тенденция концентрировать мощности, связанная с тем, что с их увеличением уменьшаются относительные затраты возведения электростанций, а следовательно, и себестоимость получаемого киловатт-часа.

Единый энергокомплекс

На принятие решения о размещении крупной электростанции влияет ряд факторов. Это вид и количество имеющихся в наличии ресурсов, доступность транспортировки, климатические условия, включенность в единую энергосистему и т. д. Чаще всего электростанции строятся вдали от крупных очагов потребления энергии. Эффективность ее передачи на немалые расстояния влияет на успешную работу единого энергетического комплекса огромной территории.

Производство и передача электроэнергии должны происходить с минимальным количеством потерь, главная причина которых - нагрев проводов, т. е. увеличение внутренней энергии проводника. Для сохранения передаваемой на большие расстояния мощности нужно пропорционально увеличить напряжение и уменьшить в проводах силу тока.

Что такое ЛЭП

Математические расчеты показывают, что величина потерь в проводах на нагрев обратно пропорциональна квадрату напряжения. Именно поэтому электроэнергию на большие расстояния передают при помощи ЛЭП - высоковольтных линий электропередач. Между их проводами напряжение исчисляется десятками, а порой сотнями тысяч вольт.

Электростанции, расположенные неподалеку друг от друга, объединяются в единую энергосистему именно при помощи ЛЭП. Производство электроэнергии в России и ее передача ведутся путем централизованной энергетической сети, в которую входит огромное количество электростанций. Единое управление системой гарантирует постоянную подачу потребителям электроэнергии.

Немного истории

Как формировалась единая электрическая сеть в нашей стране? Попробуем заглянуть в прошлое.

До 1917 года производство электроэнергии в России велось недостаточными темпами. Страна отставала от развитых соседей, что отрицательно сказывалось на экономике и обороноспособности.

После Октябрьской революции проект электрификации России разрабатывался Государственной комиссией по электрификации России (сокращенно ГОЭЛРО), возглавляемой Г. М. Кржижановским. С ней сотрудничали более 200 ученых и инженеров. Контроль осуществлялся лично В. И. Лениным.

В 1920 г. был готов «План электрификации РСФСР», рассчитанный на 10-15 лет. Он включал восстановление прежней энергосистемы и строительство 30 новых электростанций, оборудованных современными турбинами и котлами. Главная идея плана - задействовать гигантские отечественные гидроэнергоресурсы. Предполагались электрификация и коренная реконструкция всего народного хозяйства. Упор делался на рост и развитие тяжёлой промышленности страны.

Знаменитый план ГОЭРЛО

Начиная с 1947 года СССР стал первым в Европе и вторым в мире производителем электроэнергии. Именно благодаря плану ГОЭЛРО была сформирована в кратчайшие сроки вся отечественная экономика. Производство и потребление электроэнергии в стране вышло на качественно новый уровень.

Выполнение намеченного стало возможным благодаря сочетанию сразу нескольких важных факторов: высокого уровня научных кадров страны, сохранившегося с дореволюционных времен материального потенциала России, централизации политической и экономической власти, свойству российского народа верить "верхам" и воплощать провозглашаемые идеи.

План доказал эффективность советской системы централизованной власти и государственного управления.

Результаты плана

В 1935 году принятая программа была выполнена и перевыполнена. Построено 40 электростанций вместо запланированных 30, введено мощностей почти втрое больше, чем предусматривалось по плану. Возведено 13 электроцентралей мощностью по 100 тыс. кВт каждая. Общая мощность российских ГЭС составила около 700 000 кВт.

В эти годы были возведены крупнейшие объекты стратегического значения, такие как всемирно известная Днепровская ГЭС. По суммарным показателям Единая советская энергосистема превзошла аналогичные системы самых развитых стран Нового и Старого Света. Производство электроэнергии по странам Европы в те годы значительно отставало от показателей СССР.

Развитие села

Если до революции в деревнях России электричества практически не существовало (небольшие электростанции, устанавливаемые крупными землевладельцами не в счет), то с реализацией плана ГОЭЛРО благодаря использованию электроэнергии сельское хозяйство получило новый толчок к развитию. На мельницах, лесопилках, зерноочистительных машинах появились электродвигатели, что способствовало модернизации отрасли.

Помимо того, электричество прочно вошло в быт горожан и селян, в буквальном смысле вырвав "темную Россию" из мрака.

В первом методическом руководстве для начинающего оперативного персонала был рассмотрен принцип производства электроэнергии на тепловых электрических станциях. В этой главе мы рассмотрим основные процессы и особенности эксплуатации оборудования при передаче электроэнергии от электростанции до потребителя.

Электроэнергия, выходящая из генератора в подавляющем большинстве случаев сразу же преобразовывается с помощью повышающего трансформатора в электроэнергию более высокого напряжения, а у потребителя преобразовывается с помощью понижающего трансформатора в электроэнергию более низкого напряжения. Для чего это делается. Генераторное напряжение на большинстве ТЭС составляет 6-10 кВ, на крупных генераторах 15-20 кВ. Электроэнергию, а проще говоря, мощность такого напряжения на большие расстояния передавать экономически не выгодно по двум причинам:

• 1. Слишком большие потери (чем выше напряжение, тем меньше потери электроэнергии. Об этом подробнее будет рассмотрено в разделе «Потери электрической мощности»);
• 2. Из-за низкой пропускной способности.

Если кто помнит, каждый проводник определенного сечения может пропустить определенной величины электрический ток и если эту величину превысить, то проводник начнет греться и в дальнейшем просто расплавится. Если посмотреть на формулу полной мощности S=v3UI (U - напряжение, I - ток), то легко догадаться, что при одной и той же величине передаваемой мощности, чем выше напряжение линии, тем меньше величина тока, протекающего по ней. Следовательно, чтобы мощность, передаваемую, например, по одной линии 110 кВ передать при помощи линий 10 кВ, то нужно будет построить 10 линий 10 кВ с проводом такого же сечения, как и линия 110 кВ. Если электростанция расположена рядом с потребителем (например, крупный завод), то нет смысла повышать напряжение для передачи электроэнергии и она подается потребителю на генераторном напряжении, что позволяет сэкономить на трансформаторах. Кстати, чем отличается электроэнергия от электрической мощности? Да ничем. Электрическая мощность - это мгновенное значение электрической энергии и измеряется она в Ваттах, киловаттах, Мегаваттах (Вт, кВт, МВт), а электрическая энергия - это количество электрической мощности, переданное за единицу времени и измеряется она в киловатт часах (кВт*ч,). Агрегат, в котором происходит преобразование электроэнергии с одного напряжения на другое называется трансформатором.

Принцип работы и конструкция трансформатора

Как мы уже сказали, трансформатор служит для преобразования электрической мощности одного напряжения в электрическую мощность другого напряжения. Как это происходит. Трехфазный трансформатор представляет собой магнитопровод (сердечник), набранный из листов электротехнической стали и состоящий из трех вертикальных стержней соединенных сверху и снизу такими же поперечными стержнями (они называются ярмо). На стержни надеваются обмотки низкого и высокого напряжения в виде цилиндрических катушек из изолированного медного провода. В энергетике эти обмотки называются высшего и низшего напряжения, если трансформатор двух обмоточный, то есть имеет только два напряжения. В трех обмоточном трансформаторе есть еще обмотка среднего напряжения. Обмотки надеваются на стержень в следующем порядке: сначала обмотка низшего напряжения (она ближе всех к магнитопроводу), затем на нее надевается обмотка среднего напряжения и затем обмотка высшего напряжения, то есть на каждый стержень надевается три обмотки, если трансформатор трех обмоточный и две обмотки, если трансформатор двух обмоточный. Для простоты будем рассматривать работу двух обмоточного трансформатора. Обмотки одного стержня образуют фазу. К началу каждой обмотки присоединены линейные вывода, по которым электрическая мощность входит и выходит из трансформатора. Обмотка, к которой электрическая мощность подходит к трансформатору называется первичной, а обмотка, от которой преобразованная мощность уходит вторичной. Если мощность подходит к обмотке низшего напряжения, а уходит с обмотки высшего напряжения, то трансформатор называют повышающим. И наоборот, если мощность подходит к обмотке высшего напряжения, а уходит с обмотки низшего напряжения, то трансформатор называют понижающим. По своей конструкции они ничем не отличаются. Концы обмоток высшего и низшего напряжений соединены по разному. Концы обмоток высшего напряжения соединены вместе и образуют звезду, ее еще называют нейтраль (почему, рассмотрим позже). Концы обмоток низшего напряжений соединены мудрено, а именно - конец каждой обмотки соединен с началом другой, образуя, если развернуть на схеме, треугольник, к вершинам которого подключены линейные вывода. Почему обмотки высшего и низшего напряжений соединены по разному? По чисто экономическим соображениям. Электрический ток и напряжение разделяются на фазные и линейные. Линейным называется напряжение между фаз А-Б, Б-С и С-А, его еще называют междуфазным. Фазное напряжение - это напряжение между каждой (отдельной) фазой и землей или, в случае с трансформатором, нейтралью трансформатора. Фазное напряжение в v3 раз (в 1.73 раза) меньше линейного. Линейный и фазный ток лучше рассмотреть на примере соединений обмоток трансформатора. Ток, текущий по каждой фазе линии называется линейный. Ток, текущий по обмотке каждой фазы трансформатора или электродвигателя называется фазным. Если обмотка этих агрегатов соединена в звезду, то линейный ток, как в фазе линии, так и в фазе звезды одинаковый (нарисуйте звезду и линию и сразу будет понятно). То есть при соединении обмотки в звезду линейный ток равен фазному. Если обмотку соединить в треугольник (нарисуйте), то мы видим, как ток из линии, подойдя к вершине треугольника, расходится по двум обмоткам. Здесь уже фазный ток не равен линейному, он меньше его. Фазный ток, так же как и напряжение в v3 раз (в 1.73 раза) меньше линейного. Когда обмотка соединена в звезду, то ток, протекающий по ней равен линейному току, а напряжение на этой обмотке равно фазному напряжению. А когда обмотка соединена в треугольник, то ток, протекающий по ней равен фазному, а напряжение на каждой обмотке равно линейному напряжению. И если, к примеру, обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение 110 кВ соединить сначала в звезду, а затем в треугольник, то в первом случае (когда звезда) напряжение приложенное к обмотке каждой фазы будет равно 63 кВ, а во втором случае (когда треугольник) 110 кВ. Следовательно, когда обмотка соединена в треугольник - изоляция на ней должна быть больше, а значит дороже. С токами все наоборот. Когда обмотка соединена в треугольник, то протекающий по ней ток в v3 раз меньше тока, протекающего по этой же обмотке, если ее соединить в звезду. Если меньше ток, значит меньше сечение провода обмотки и обмотка дешевле. Поскольку ток на стороне низшего напряжения больше тока стороны высшего напряжения (а значит и сечение провода обмотки больше), то именно обмотку низшего напряжения и соединяют в треугольник. Чем выше напряжение, тем дороже стоит изоляция. Вот поэтому обмотку высшего напряжения соединяют в звезду. Существуют также такие понятия, как номинальный ток и номинальное напряжение. Номинальный ток - это максимальный ток, длительно протекающий по проводнику, не перегревая его выше допустимой для его изоляции температуры. Номинальное напряжение - это максимальное напряжение относительно земли (фазное напряжение) или других фаз этого оборудования (линейное напряжение), длительно приложенное к проводнику (воздействующее на проводник) без опасности повреждения (пробоя) его изоляции. Для каждого оборудования заводом изготовителем указывается номинальный ток и напряжение его проводников.

Так вот. Когда к первичной обмотке трансформатора подводится электрическая мощность, то протекающий по ней (по обмотке) ток создает в магнитопроводе, на который одеты обмотки, переменный магнитный поток, который в свою очередь наводит во вторичной обмотке, так называемую электродвижущую силу (э.д.с). Э.д.с - это то же самое, что и мощность. Вот таким образом, с помощью электромагнитной связи, мощность и передается через трансформатор. Прошу не путать с электрической связью. Электрическая связь (ее еще называют металлическая) - это когда мощность передается по проводнику безо всяких воздушных промежутков. Зависимость между первичным и вторичным напряжением, а также количеством витков обмоток определяется формулой:

U1 / U2 = w1 / w2

где U1 и w1 - это напряжение и число витков первичной обмотки, а U2 и w2 - соответственно, вторичной. Из этого следует, что подбирая число витков первичной и вторичной обмоток можно получить желаемое вторичное напряжение. Отношение величины высшего напряжения к низшему напряжению или отношение числа витков обмотки высшего напряжения к обмотке низшего напряжения (что одно и то же) называется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации всегда больше единицы (это можно и так догадаться). Трансформаторы, служащие для преобразования электрической мощности одного напряжения в мощность другого напряжения называются силовыми. Существуют также трансформаторы тока и напряжения. Эти трансформаторы называются измерительными, т.к. они предназначены для питания приборов измерения тока и напряжения, но о них подробнее будет рассмотрено в разделе релейная защита, автоматика и измерения. Величина мощности, проходящей через силовой трансформатор, не изменяется (если исключить незначительные потери при трансформации), изменяются только величины тока и напряжения. Вспоминая формулу мощности, S=v3UI не трудно догадаться, что во сколько раз изменяется напряжение при трансформации, во столько же раз изменяется и ток, только в обратную сторону, то есть если напряжение после трансформатора увеличилось в 10 раз, то ток в 10 раз уменьшился. Вот для этого (чтобы уменьшить величину тока) и повышают напряжение на электростанциях с тем, чтобы передавать ее на далекие расстояния. Трансформаторы бывают сухими и масляными. Сухие трансформаторы (серии ТС) - это трансформаторы с воздушным охлаждением для закрытых помещений. Конструкция самая простая, магнитопровод с обмотками стоит на изоляторах на полу помещения и закрыт металлическим сетчатым кожухом. Выделяемое тепло отводится окружающим воздухом. Сухие трансформаторы выпускаются на напряжение до 10 кВ и используются в основном на собственных нуждах электростанций. В промышленности в основном применяются масляные трансформаторы (серии ТМ, ТД, ТДЦ, ТЦ. Буквы М, Д, ДЦ и Ц означают способ охлаждения и циркуляции масла). В масляном трансформаторе магнитопровод с обмотками помещен в герметичный корпус, заполненный трансформаторным маслом, которое служит для охлаждения и одновременно для изоляции магнитопровода и обмоток. На верху корпуса имеется бак-расширитель, который служит для подпитки корпуса и приемки масла из корпуса при температурных изменениях объема масла внутри корпуса трансформатора. По бокам корпуса масляного трансформатора расположены масляные радиаторы, которые служат для охлаждения масла. Масло под воздействием разности температур внутри корпуса и снаружи в радиаторе постоянно циркулирует через радиаторы, охлаждаясь о наружный воздух. Это называется естественное охлаждение и естественная циркуляция масла (система охлаждения М). Такая система охлаждения применяется на трансформаторах до 10 МВт. На трансформаторах мощностью более 10 МВт масляные радиаторы обдуваются вентиляторами для большей эффективности охлаждения. Эта система охлаждения Д - с естественной циркуляцией и принудительным дутьем. Для еще более эффективного охлаждения масла циркуляцию его осуществляют насосами, одновременно обдувая радиаторы вентиляторами. Эта система охлаждения относится к типу ДЦ - с принудительной циркуляцией масла и принудительным дутьем и применяется на трансформаторах мощностью свыше 100 МВт. Самой эффективной на сегодняшний день является система Ц - с принудительной циркуляцией масла и водяным охлаждением масляных радиаторов. Она применяется на трансформаторах 500 МВт и выше.

В технической литературе часто встречается еще одна характеристика трансформатора - это Uк %, что переводится, как напряжение короткого замыкания в процентах. Напряжение Uк % - это напряжение приложенное к одной из обмоток трансформатора, при котором по другой обмотке замкнутой накоротко, протекает номинальный ток (по первой обмотке, к стати, в это время протекает тоже номинальный ток). Uк % характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора и используется при расчетах токов за трансформатором в различных режимах работы сети.

Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Мощные трансформаторы (500 МВА и выше) выпускаются в однофазном исполнении по той простой причине, что трехфазный трансформатор такой мощности будет иметь такие размеры, что доставить его к месту установки не будет представляться возможным. Трансформаторы бывают двух обмоточными (ВН, НН), трех обмоточными (ВН, СН, НН) и с расщепленными обмотками. Трансформатор с расщепленными обмотками имеет две одинаковые обмотки низшего напряжения. Для чего это делается? Трансформаторы с расщепленными обмотками имеют повышенный Uк % (сопротивление обмоток), поэтому их целесообразнее использовать для питания РУ с большим количеством присоединений. РУ делается не из двух секций (на каждую по одному трансформатору), а из четырех. Один трансформатор питает две секции (каждая обмотка питает отдельную секцию). Тем самым мы уменьшаем ток КЗ на секции в два раза, по сравнению с тем, если бы секций было две и каждая питалась от двух обмоточного трансформатора.

Регулирование напряжения трансформатора

Как мы уже говорили, величину напряжения на вторичной обмотке трансформатора можно изменять с помощью изменения количества витков первичной или вторичной обмоток. На силовых трансформаторах предусмотрено изменение количества витков на обмотке высшего напряжения. Для этого часть витков обмотки высшего напряжения имеют регулировочные ответвления, с помощью которых можно либо добавлять, либо уменьшать количество витков обмотки высшего напряжения. Уменьшая число витков обмотки высшего напряжения, когда она является первичной обмоткой (понижающий трансформатор), уменьшается сопротивление обмотки, следовательно увеличивается ток и магнитный поток в сердечнике трансформатора, а значит и увеличивается напряжение на обмотке низшего напряжения, которая в данном случае является вторичной. И наоборот. Увеличивая число витков обмотки высшего напряжения, увеличивается сопротивление обмотки, следовательно уменьшается ток и магнитный поток в сердечнике трансформатора, а значит и уменьшается напряжение на обмотке низшего напряжения.

В случае повышающего трансформатора, когда обмотка низшего напряжения является первичной, а высшего напряжения вторичной, процесс повышения напряжения на вторичной обмотке происходит не за счет увеличения магнитного потока, а за счет увеличения числа витков вторичной обмотки, то есть обмотки высшего напряжения.

Почему регулировка напряжения производится именно на обмотке высшего напряжения, будет ясно после рассмотрения конструкции переключателя ответвлений. В масляных трансформаторах применяются два типа переключателей ответвлений - ПБВ и РПН. Переключатель ПБВ означает переключение без возбуждения, то есть на отключенном трансформаторе и представляет собой систему неподвижных контактов, соединенных с ответвлениями обмотки и подвижные контакты, соединенные с основной обмоткой. Подвижные контакты находятся на устройстве в виде барабана, поворачивая который рукояткой привода, расположенной на крышке трансформатора, производят изменение числа витков обмотки высшего напряжения. Поскольку часто регулировать таким способом напряжение неудобно из-за необходимости отключения трансформатора, то с помощью переключателей ПБВ производится в основном сезонное регулирование напряжения, когда изменяются нагрузки в прилегающей сети, то есть зимой и летом (зимой нагрузки больше, а значит больше и падение напряжения в сети и напряжение приходится повышать).

Для частых регулировок напряжения на трансформаторах устанавливают переключатель типа РПН, что означает регулирование под нагрузкой. Переключатель ответвлений типа РПН позволяет регулировать напряжение, не отключая трансформатор и даже не снимая с него нагрузку, поэтому и конструкция его сложнее, нежели переключателя ПБВ. Для того, чтобы во время переключения подвижного контакта с одного ответвления на другое не происходило разрыва цепи тока обмотки, в переключателе типа РПН имеется два подвижных контакта на каждую фазу (основной и шунтирующий) и переключение с одного ответвления на другое происходит в два этапа - сначала на новое ответвление переключается основной контакт, а затем шунтирующий. А для того, чтобы в момент, когда основной контакт стоит уже на новом ответвлении, а шунтирующий остался еще на старом, не происходило закорачивание витков, находящихся между этими контактами, в цепи шунтового контакта установлено специальное сопротивление и ток не идет через закоротку, образованную основным и шунтирующим контактами. Переключатель типа РПН установлен не в общем баке трансформатора, где расположен магнитопровод с обмотками, а в отдельном отсеке, куда выведены ответвления обмоток высшего напряжения. Это связано с тем, что при переключениях под нагрузкой между контактами возникает, хоть и незначительная, но электрическая дуга, которая разлагает масло с выделением водорода. И если бы РПН находился в общем баке, то водород постоянно накапливался в газовом реле трансформатора, вызывая, тем самым, не нужные срабатывания газовой защиты (об этом подробнее будет рассмотрено в граве релейная защита и автоматика). РПН может переключаться, как дистанционно ключом управления, так и с помощью автоматики АРН (автоматическое регулирование напряжения), реагирующей на изменения напряжения на вторичной обмотке.

В сухих трансформаторах переключателей ответвлений нет и изменение количества витков происходит путем пересоединения на обмотке каждой фазы специальной металлической пластины, соединяющей основную часть обмотки с добавочными витками.

Автотрансформаторы

Автотрансформаторы служат для соединения распределительных устройств разного напряжения. Автотрансформатор отличается от трех обмоточного трансформатора тем, что у него нет обмотки среднего напряжения. Среднее напряжение берется с части обмотки высшего напряжения. Ведь у обмотки трансформатора соединенной в звезду напряжение от максимального в начале обмотки уменьшается с каждым витком в сторону нейтрали, пока совсем не снизится до нуля на нейтрали после последнего витка. Вот на основе этого принципа и выполнена обмотка среднего напряжения у автотрансформатора. К примеру, у автотрансформатора напряжением 220/110/10 кВ где-то на середине обмотки высшего напряжения (220 кВ) сделаны ответвления соответствующие напряжению 110 кВ, это и есть обмотка среднего напряжения, совмещенная с обмоткой высшего напряжения (вернее, являющаяся ее частью). Поэтому автотрансформатор меньше по габаритам и дешевле трех обмоточного трансформатора той же мощности. Ответвлений на обмотке высшего напряжения несколько (как и в трансформаторе) для возможности регулирования напряжения с помощью переключателя типа РПН.

В ПТЭ можно встретить такое понятие, как допустимое напряжение для данного ответвления обмотки трансформатора. Как это понимать и где взять эти допустимые напряжения? Как мы уже сказали в начале этого раздела, у обмоток трансформаторов соединенных в звезду с каждым витком в сторону нейтрали напряжение уменьшается. В связи с этим уменьшают и изоляцию с каждым витком, а точнее с каждым ответвлением в сторону нейтрали (в целях экономии). Поэтому каждое ответвление имеет свое допустимое напряжение. А посмотреть это напряжение можно в таблице анцапф трансформатора, в заводской инструкции, на худой конец, на табличке прикрепленной к трансформатору.

Страница 1 из 42

М. Б. Зевин, А. Н. Трифонов

В книге рассмотрены электротехнические устройства и кабельные присоединения к ним, основы электромонтажных работ. Большое внимание уделено механизированной прокладке и описанию механизмов и приспособлений, разработанных и внедренных в практику в последние годы, а также эксплуатации и монтажу кабельных линий.

Глава I. Производство и распределение электрической энергии

§ 1. Электрические станции

Электрической станцией (электростанцией) называется совокупность устройств и оборудования, используемых для производства электрической энергии. На электростанциях электрическую энергию получают благодаря использованию энергоносителей или преобразованию различных видов энергии. Электростанции по виду используемой в них энергии подразделяются на тепловые, атомные и гидроэлектрические .

В тепловых электростанциях в топках котлов сжигается уголь, нефть или природный газ. Получаемая при этом теплота превращает находящуюся в котлах воду в пар, приводящий во вращение роторы паровых турбин и соединенные с ними роторы генераторов, в которых механическая энергия турбин преобразуется в электрическую.

На атомных электростанциях процессы преобразования энергии пара в механическую, а затем в электрическую энергию аналогичны процессам, происходящим в тепловых электростанциях, и отличаются от последних тем, что в них «топливом» служат радиоактивные элементы или их изотопы, выделяющие теплоту в процессе реакции распада

На гидроэлектростанциях энергия потока воды превращается в электрическую энергию.
Существуют также ветро -, гелиоэлектростанции, геотермальные , приливные и другие электростанции, преобразующие в электрическую энергию соответственно перемещающиеся потоки воздуха, тепло солнечных лучей и недр Земли, энергию морских и океанических приливов.

Паротурбинные тепловые электростанции подразделяют на конденсационные и теплофикационные. На конденсационных станциях тепловая энергия полностью преобразуется в электрическую, а на теплофикационных, называемых теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) , тепловая энергия частично превращается в электрическую, а в основном расходуется на снабжение промышленных предприятий и городов паром и горячей водой. Поэтому ТЭЦ сооружают вблизи потребителей тепловой энергии. Конденсационные паротурбинные электростанции, как правило, строят недалеко от места добычи твердого топлива - угля, торфа, горючих сланцев. При строительстве гидроэлектростанций (ГЭС) решается комплекс задач, связанных не только с выработкой электрической энергии и снабжением ею потребителей, но и с улучшением судоходства рек, орошения засушливых земель, водоснабжения и др.

Сооружение атомных электростанций (АЭС) особенно целесообразно в районах, где нет запасов местного топлива и рек с большими гидроэнергетическими ресурсами. Они работают на ядерном горючем, которое потребляется в незначительных количествах, поэтому его доставка на электростанцию не вызывает больших транспортных затрат.

Передача энергии, выработанной мощными ГЭС, ТЭЦ и АЭС в электросеть для снабжения потребителей, как правило, осуществляется по линиям высокого напряжения (110 кВ и выше) через повысительные трансформаторные подстанции.

Для рационального распределения нагрузки между электростанциями, наиболее экономичной выработки электрической энергии, лучшего использования установленной мощности станций, повышения надежности электроснабжения потребителей и отпуска им электрической энергии с нормальными качественными показателями по частоте и напряжению широко осуществляется параллельная работа электростанций на общую электрическую сеть районной энергетической системы. В ее состав кроме электростанций входят также линии электропередачи различных напряжений, сетевые трансформаторные подстанции и тепловые сети, связанные общностью режима производства и распределения электрической и тепловой энергии. Многие районные энергетические системы Советского Союза объединены для параллельной работы в общую электрическую сеть и образуют крупные энергосистемы: Единую энергетическую систему (ЕЭС) европейской части СССР, Объединенную энергосистему Сибири, Объединенную энергосистему Казахстана и др.

Дальнейшим этапом развития энергетики СССР будет объединение энергосистем в Единую энергосистему Советского Союза: Энергосистемы ряда социалистических стран объединены в энергосистему «Мир».

Электрические сети

Для передачи и распределения электрической энергии от центров питания электростанций к потребителям служат электрические сети, которые состоят из распределительных устройств (РУ) и воздушных или кабельных линий различных напряжений.

Центром питания (ЦП) называется распределительное устройство генераторного напряжения электростанций или РУ вторичного напряжения понизительной подстанции энергосистемы, к которому присоединены распределительные сети данного района.

Электрические сети могут быть постоянного и переменного тока. К сетям постоянного тока в основном относятся сети электрифицированных железных дорог, метрополитена, трамвая, троллейбуса, а также некоторые электрические сети химических, металлургических и других промышленных предприятий. Электроснабжение всех остальных объектов промышленности, сельского хозяйства, коммунального и бытового назначения ведется трехфазным переменным током частотой 50 Гц.

Электрическая энергия, вырабатываемая турбогенераторами и гидрогенераторами, имеет напряжения 6000 или 10000 В, а иногда 20000 В. Электрическую энергию такого напряжения передавать на большие расстояния экономически нецелесообразно из-за значительных электрических потерь. Поэтому ее повышают до 110, 220 и 500 кВ на повысительных трансформаторных подстанциях, сооружаемых при электростанциях, а затем перед поступлением потребителям понижают до 35, 10 и 6 кВ на понизительных трансформаторных подстанциях.

Упрощенная схема распределения энергии от электростанций до потребителей приведена на рис. 1. Из приведенной схемы видно, что электростанции А, Б, В, Г и Д объединены линиями электропередачи (ЛЭП) напряжением 220 кВ. Передача и распределение электрической энергии осуществляются на напряжениях 220, 110, 35 и 10 кВ. В схеме электроснабжения предусматривается резервирование подстанций на всех уровнях напряжений, что позволяет избежать перебоев в подаче электрической энергии.

Рис 1. Схема энергосистемы:
А - Д - электростанции, ТП - трансформаторные подстанции, I - III - повышающие подстанции, 1-4 - понижающие подстанции

От РУ понижающих подстанций отходят для передачи электрической энергии потребителям воздушные или кабельные линии. Большинство промышленных предприятий получают энергию от энергетических систем и лишь в редких случаях от собственных заводских электростанций. Электроснабжение и распределение энергии в пределах предприятия от собственных электростанций производится в основном на генераторном напряжении 6 и 10 кВ.

Схема электроснабжения и распределения энергии зависит от расстояния между предприятием и источником питания, потребляемой мощности, территориального размещения нагрузок, требований надежного и бесперебойного питания электроприемников, а также от числа приемных и распределительных пунктов на предприятии.

Наличие больших нагрузок, сосредоточенных на определенных участках промышленных предприятий и в отдельных районах крупных городов, ускоряет внедрение в систему электроснабжения глубоких вводов* высокого напряжения. Благодаря этому значительно сокращаются кабельные распределительные сети и экономится кабельная продукция. Глубокие вводы сооружают, как правило, воздушными линиями на напряжения 35, 110, 220 и 330 кВ.

* Глубокий ввод - это канализация высокого напряжения от энергосистемы непосредственно к центру нагрузок.

Электрические сети делятся: на нерезервируемые, когда электроприемники получают электрическую энергию от одного источника питания, и резервируемые, когда электроснабжение ведется от двух или более источников питания. Производство, передача и распределение электрической энергии сопровождаются потерями ее во всех элементах сети; кабельных и воздушных линиях, трансформаторах, высоковольтных аппаратах и др.

Общие потери электрической энергии, включая расходы на собственные нужды, доходят до 10%, из них наибольшие потери приходятся на питающие сети от центров питания до распределительных пунктов.

Для снижения потерь электрической энергии и определения участков и элементов сети с наибольшими потерями производят измерения, расчеты и оценки рационального построения и эксплуатации сети. На основании этих данных принимают меры для снижения потерь электрической энергии, которые в основном сводятся к переводу сети на повышенное напряжение (если это экономически целесообразно), отключению малозагруженных трансформаторов в период минимальных нагрузок.

§ 3. Потребители электрической энергии

Основными характеристиками потребителей электрической энергии являются: расчетная нагрузка, режим работы установки, надежность электроснабжения. По расчетной нагрузке и режиму работы потребителя определяются мощности питающих трансформаторов, сечения кабельных и воздушных линий.

По обеспечению надежности электроснабжения электроприемники делятся на три категории.
К первой категории относятся электроприемники, нарушение электроснабжения которых влечет за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение режима работы особо важных объектов (доменных и мартеновских печей, некоторых цехов химических предприятий, электрифицированных железных дорог, метро).

Ко второй категории относятся электроприемники, перерыв в электроснабжении которых связан с массовым недоотпуском продукции, простоем рабочих механизмов и промышленного транспорта, нарушением нормальной работы значительного количества городских предприятий (швейные и обувные фабрики) и электротранспорта.

К третьей категории относятся электроприемники, не входящие в первую и вторую категории.
Перерыв в электроснабжении электроприемников первой категории может быть допущен лишь на время автоматического ввода аварийного питания, второй категории - на время, необходимое для включения резервного питания дежурным персоналом или выездной оперативной бригадой, и для приемников третьей категории - на время, необходимое для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, но не более суток.

В соответствии с указанными требованиями надежности электроснабжения питание электроприемников первой и второй категорий осуществляется от двух независимых источников, а третьей - от одной питаюшей линии без обязательного резервирования.

Электроснабжение промышленных предприятий и городов производится через РУ и подстанции, максимально приближенные к потребителям.

Распределительным устройством (РУ) называется электроустановка, служащая для приема и распределения электрической энергии и содержащая коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, вспомогательные устройства (компрессорные, аккумуляторные и др.), а также устройства защиты, автоматики и измерительные приборы. Распределительные устройства сооружают открытого исполнения (ОРУ), когда основное оборудование расположено на открытом воздухе, и закрытого (ЗРУ), когда оборудование расположено в здании.

Электроустановка, служащая для преобразования и распределения электрической энергии и состоящая из трансформаторов или других преобразователей энергии, РУ, устройств управления и вспомогательных сооружений, называется подстанцией. В зависимости от преобладания той или иной функции подстанций они называются трансформаторными (ТП) или преобразовательными.

Распределительное устройство, предназначенное для приема и распределения электрической энергии на одном напряжении без преобразования и трансформации и не входящее в состав подстанции, называется распределительным пунктом (РП).

Рис. 2. Двухступенчатая радиальная схема питания: ЦРП - центральная распределительная подстанция, ТП1 , РП2 - распределительные подстанции, ТП1 , ТП 2- трансформаторные подстанции

Для распределения электрической энергии при напряжении 6 и 10 кВ на предприятиях и в городах применяют два вида схем: радиальную (рис. 2) и магистральную (рис. 3). Эти схемы имеют много разновидностей, которые определяются главным образом категорией электроприемников, территориальным размещением и мощностью подстанций и пунктов приема энергии. Качество электрической энергии характеризуется постоянством частоты и стабильностью напряжения у потребителей в пределах установленных норм. Частота задается электростанциями для всей энергосистемы в целом.

Рис. 3. Магистральные схемы: а - одиночная с односторонним питанием, б - кольцевая; РП - распределительная подстанция, ТП1 - ТП5 - трансформаторные подстанции.

Уровень напряжения изменяется в зависимости от конфигурации сети по мере приближения к потребителю, условий загрузки оборудования и расхода электрической энергии потребителями. Номинальное напряжение потребителей указывается в таблицах.

Напряжения электросетей и электрооборудования стандартизованы (табл. 1). Для компенсации потери напряжения в сетях номинальные напряжения генераторов и вторичных обмоток трансформаторов принимаются на 5 % выше номинальных напряжений электроприемников.

Таблица 1. Номинальные напряжения (до 1000 В) электрических сетей и присоединяемых к ним источников и приемников энергии

Напряжение при постоянном токе, В		Напряжение при переменном токе, В
источников и преобразователей	сетей и приемников	однофазном	трехфазном	однофазном	трехфазном
		источников и преобразователей		сетей и приемников

Примечание. Номинальное напряжение (свыше 1000 В) электрических сетей и приемников, генераторов и синхронных компенсаторов, а также наибольшее рабочее напряжение электрооборудования приведены в ГОСТ 23366-78.

Правила устройства электроустановок определяют уровни напряжения и порядок его регулирования. Отклонение напряжения на зажимах электродвигателей от номинального, как правило, допускается не более ± 15 %. Снижение напряжения у наиболее удаленных ламп внутреннего рабочего освещения промышленных предприятий и общественных зданий может быть не более 2,5 %, а увеличение не более 5 % от номинального.

Контрольные вопросы
1. Перечислите названия электростанций по видам используемых них энергоносителей.
2. Каковы технические и экономические преимущества сооружения ТЭЦ, ГЭС и АЭС?
3. Из каких элементов состоит энергосистема?
4 Что входит в состав электрической сети?
5. Что называется РУ, ТП, РП?
6. Что называется глубоким вводом?
7. В каких элементах электрической сети имеются наибольшие потери электрической энергии?
8. На какие категории делятся потребители электрической энергии?

Передача и распределение электрической энергии осуществляются электрическими сетями - внутренними (цеховыми) и наружными. Наружные сети часто называют межцеховыми (питание 3УР, 2УР и отдельные РП-10 кВ) или магистральными (питание по туннелям и блокам от 6УР, 5УР до 4УР). Наруж­ные сети до 1 кВ на промышленных предприятиях имеют ограниченное рас­пространение (главным образом, это сети наружного освещения).

Прокладка производится изолированными и неизолированными (голыми) про­водами (преимущественно воздушные ЛЭП). Изолированные провода выполняются защищенными - поверх электрической изоляции накладывается металлическая или иная оболочка, предохраняющая изоляцию от механических повреждений. Изолированные проводники: провода, кабели и шнуры. Неизолированные провода: алюминиевые, медные, стальные шины, токопроводы, троллеи и голые провода.

Для сетей используют твердотянутую медь, покрытую тонкой оксидной пленкой, обеспечивающей хорошее противостояние влиянию атмосферных условий и воздействию химических соединений, содержащихся в промышленных выбросах. Твердотянутый алюминий, применяемый для этих целей, также покрыт пленкой, но подвергается коррозии вблизи моря и ряда производств, связанных с получением или использованием кислот. Большее электрическое сопротивление, худшие монтажные и эксплуатационные свойства, но меньшая стоимость по сравнению с медью определяют область его применения. Стальные проводники требуется подвергать оцинкованию (присадки до 0,4 % меди), их применяют из-за дешевизны, для малых нагрузок (в сельских сетях). Предпочтительнее использовать биметаллические, в которых стальные проволоки, несущие механическую нагрузку, снаружи покрыты слоем электролитической меди или алюминия.

Транспорт электроэнергии в системах электроснабжения осуществляется:

1) воздушными линиями - устройствами для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам, стойкам на зданиях и инженерных сооружениях (мостах, путепроводах, эстакадах и т. п.);

2) кабельными линиями - устройствами для передачи электроэнергии, состоящими из одного или нескольких параллельных кабелей с соединительными, стопорными и концевыми муфтами (заделками) и крепежными деталями;

3) токопроводами - устройствами для передачи и распределения электроэнергии, состоящими из неизолированных или изолированных проводников и относящихся к ним изоляторов, защитных оболочек, осветительных устройств, поддерживающих или опорных конструкций;

4) электропроводками - совокупностью проводов и кабелей с относящимися к ним креплениями, поддерживающими защитными конструкциями и деталями.

Сечения проводников устройств канализации электроэнергии выбираются: а) по нагреву (с учетом нормальных, послеаварийных, ремонтных режимов) максимальным током в течение получаса; б) по экономической плотности тока; в) по условиям динамического действия и нагрева при коротком замыкании.

Нормированное значение по нагреву и по экономической плотности тока j эк определяется ПУЭ. По экономической плотности тока не выбирают: сети промышленных предприятий и сооружений до 1 кВ при Т max до 4000-5000; ответвления к отдельным электроприемникам и пускорегулирующим элементам напряжением до 1 кВ; осветительные сети промышленных предприятий, жилых и общественных зданий; сборные шины и ошиновка ОРУ и 3РУ всех напряжений; сети временных сооружений, а также устройств со сроком службы 3-5 лет.

В электроустановках выше 1 кВ по режиму КЗ следует проверять: а) кабе­ли и другие проводники, токопроводы, а также опорные и несущие конструк­ции для них; б) воздушные линии при ударном токе КЗ, равном 50 кА и более, для предупреждения схлестывания проводов при динамическом действии токов КЗ, в электроустановках ниже 1 кВ - только токопроводы, распределительные щиты и силовые шкафы. Стойкими при токах КЗ являются те элементы транспорта электроэнергии, которые при расчетных условиях выдерживают воздействия этих токов, не подвергаясь электрическим и механическим разрушениям или деформациям.

По режиму КЗ при напряжении выше 1 кВ не проверяют элементы:

защищенные плавкими предохранителями со вставками (по электроди­намической стойкости - на номинальный ток вставок до 60 А и независимо от него - по термической стойкости),

в цепях к индивидуальным приемникам, в том числе к цеховым транс­форматорам общей мощностью до 2,5 МВА и с высшим напряжением до 20 кВ [если соблюдены одновременно следующие условия: а) в электрической или технологической части предусмотрена необходимая степень резервирова­ния, выполненного так, что отключение указанных приемников не вызывает расстройства технологического процесса, б) повреждение проводника при КЗ не может вызвать взрыва или пожара, в) возможна замена проводника без значительных затруднений];

проводники неответственных индивидуальных приемников,

провода ВЛ;

трансформаторы тока и напряжения при определенных условиях

Температура нагрева проводников при КЗ не должна превышать следующих предельно допустимых значений, °С

медные 300

алюминиевые 200

Кабели с изоляцией:

бумажной на напряжение до 10 кВ 200

поливинилхлоридной резиновой 150

полиэтиленовой 120