Основные сведения о системах электроснабжения объектов, Контент-платформа

Основные сведения о системах электроснабжения объектов

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ

1.1. Общие сведения

В настоящее время нельзя представить себе жизнь и деятельность современного человека без применения электричества. Электриче­ство уже давно и прочно вошло во все отрасли народного хозяй­ства и в быт людей. Основное достоинство электрической энергии относительная простота производства, передачи, дробления и пре­образования.

В системе электроснабжения объектов можно выделить три вида электроустановок:

по производству электроэнергии — электрические станции;

по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии электрические сети и подстанции;

по потреблению электроэнергии в производственных и бытовых нуждах — приемники электроэнергии.

Электрической станцией называется предприятие, на котором вырабатывается электрическая энергия. На этих станциях различ­ные виды энергии (энергия топлива, падающей воды, ветра, атом­ная и др.) с помощью электрических машин, называемых генерато­рами, преобразуются в электрическую энергию.

В зависимости от используемого вида первичной энергии все су­ществующие электрические станции разделяются на следующие ос­новные группы: тепловые, гидравлические, атомные, ветряные и др.

Приемником электроэнергии (электроприемником, токоприемни­ком) называется электрическая часть производственной установки, получающая электроэнергию от источника и преобразующая ее в механическую, тепловую, химическую, световую энергию, в энер­гию электростатического и электромагнитного поля.

По технологическому назначению приемники электроэнергии классифицируются в зависимости от вида энергии, в который дан­ный приемник преобразует электрическую энергию: электродвига­тели приводов машин и механизмов; электротермические установки; электрохимические установки; установки электроосвещения; установки электростатического и электромагнитного поля, элект­рофильтры; устройства искровой обработки, устройства контроля и испытания изделий (рентгеновские аппараты, установки ультра­звука и т. д.). Электроприемники характеризуются номинальными параметрами: напряжением, током, мощностью и др.

Совокупность электроприемников производственных установок цеха, корпуса, предприятия, присоединенных с помощью электри­ческих сетей к общему пункту электропитания, называется элект­ропотребителем.

Совокупность электрических станций, линий электропередачи, подстанций, тепловых сетей и приемников, объединенных общим и непрерывным процессом выработки, преобразования, распреде­ления тепловой и электрической энергии, называется энергетичес­кой системой.

Единая энергетическая система (ЕЭС) объединяет энергетичес­кие системы отдельных районов, соединяя их линиями электропе­редачи (ЛЭП).

Часть энергетической системы, состоящая из генераторов, рас­пределительных устройств, повышающих и понижающих подстан­ций, линий электрической сети и приемников электроэнергии, на­зывают электроэнергетической системой.

Электрической сетью называется совокупность электроустано­вок для передачи и распределения электроэнергии, состоящая из подстанций и распределительных устройств, соединенных линия­ми электропередачи, и работающая на определенной территории.

Электрическая сеть объекта электроснабжения, называемая сис­темой электроснабжения объекта, является продолжением элект­рической системы. Система электроснабжения объекта объединяет понижающие и преобразовательные подстанции, распределитель­ные пункты, электроприемники и ЛЭП.

Прием, преобразование и распределение электроэнергии проис­ходят на подстанции — электроустановке, состоящей из трансфор­маторов или иных преобразователей электроэнергии, распредели­тельных устройств, устройств управления, защиты, измерения и вспомогательных устройств.

Распределение поступающей электроэнергии без ее преобразо­вания или трансформации выполняется на распределительных под­станциях (РП).

Электрические сети подразделяют по следующим признакам. 1. Напряжение сети. Сети могут быть напряжением до 1 кВ – низковольтными, или высокого напряжения (ВН).

2. Род тока. Сети могут быть постоянного и переменного тока. Электрические сети выполняются в основном по системе трехфазного переменного тока, что является наиболее целесообразным, поскольку при этом может производиться трансформация электроэнергии. При большом числе однофазных приемников от трехфазных сетей осуществляются однофазные ответвления. Принятая частота переменного тока в ЕЭС России равна 50 Гц.

3. Назначение. По характеру потребителей и от назначения территории, на которой они находятся, различают: сети в городах, сети промышленных предприятий, сети электрического транспорта. сети в сельской местности. Кроме того, имеются районные сети, предназначенные для соединения крупных электрических станций и подстанций на напряжение выше 35 кВ; сети межсистемных связей, предназначенные для соединения крупных электроэнергетических систем на напряжении 330, 500 и 750 кВ. Кроме того, применяют понятия: питающие и распределительные сети.

4. Конструктивное выполнение сетей. Линии мо­гут быть воздушными, кабельными и токопроводами. Подстанции могут быть открытыми и закрытыми.

Для графического изображения электроэнергетических систем, а также отдельных элементов и связи между элементами используют об­щепринятые условные обозначения. На рис. 1.1 показаны условные обозначения основных элементов электроэнергетической системы.

Примерная схема относительно простой электроэнергетической системы приведена на рис. 1.2. Здесь электрическая энергия, выра­батываемая на двух электростанциях различных типов: тепловой электростанции (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), — подводит­ся к потребителям, удаленным друг от друга. Для того чтобы пере­дать электроэнергию на расстояние, ее предварительно преобразо­вывают, повышая напряжение трансформаторами. У мест потреб­ления электроэнергии напряжение понижают до нужной величины. Из схемы можно понять, что электроэнергия передается по воздуш­ным линиям. Схема, приведенная на рис. 1.2, представлена в одно­линейном изображении. В действительности элементы системы, ра­ботающие на переменном токе, имеют трехфазное исполнение. Од­нако для выявления структуры системы и анализа ее работы нет необходимости в ее трехфазном изображении, вполне достаточно воспользоваться ее однолинейным изображением.

1.2. Электрические параметры электроэнергетических

При анализе работы сети различают параметры элементов сети и параметры ее режимов. Параметрами элементов электрической сети являются сопротивления и проводимости, коэффициенты трансфор­мации. К параметрам сети также относят электродвижущую силу (э. д.с.) источников и задающие токи (мощности) нагрузок. К параметрам ре­жима относятся: значения частоты, токов в ветвях, напряжений в уз­лах, фазовых углов, полной, активной и реактивной мощностей элек­тропередачи, а также значения, характеризующие не симметрию трехфазной системы напряжений или токов и не синусоидальность из­менения напряжения и токов в течение периода основной частоты. Под режимом сети понимается ее электрическое состояние.

Рассмотрим возможные режимы работы электрических систем.

При работе в нормальном установившемся режиме значения основных параметров (частоты и напряжения) равны но­минальным или находятся в пределах допустимых отклонений от них, значения токов не превышают допустимых по условиям нагревания величин. Нагрузки изменяются медленно, что обеспечивает возмож­ность плавного регулирования работы электростанций и сетей и удер­жание основных параметров в пределах допустимых норм. Отметим, что нормальным считается режим и при включении и отключении мощных линий или трансформаторов, а также для резко переменных (ударных) нагрузок. В этих случаях после завершения переходного процесса, который продолжается доли секунды, вновь наступает ус­тановившийся нормальный режим, когда значения параметров в контрольных точках системы оказываются в допустимых пределах.

В переходном неустановившемся режиме переходит из установившегося нормального состояния в другое ус­тановившееся с резко изменившимися параметрами. Этот режим счи­тается аварийным и наступает при внезапных изменениях в системе и резких изменениях генераторных и потребляемых мощностей. В частности, это имеет место при авариях на станциях или сетях, например при коротких замыканиях и последующем отключении повреж­денных элементов сети, резком падении давления пара или напоров воды и т. д. Во время аварийного переходного режима параметры режима системы в некоторых ее контрольных точках могут резко отклоняться от нормированных значений.

Послеаварийный установившийся режим наступа­ет после локализации аварии в системе. Этот режим чаще всего отличается от нормального, так как в результате аварии один или не­сколько элементов системы (генератор, трансформатор, линия) будут выведены из работы. При послеаварийных режимах может возник­нуть так называемый дефицит мощности, когда мощность генерато­ров в оставшейся в работе части системы меньше мощности потре­бителей Параметры послеаварийного (форсированного) режима могут в той или иной степени отличаться от допустимых значении. Если значения этих параметров во всех контрольных точках систе­мы являются допустимыми, то исход аварии считается благополуч­ным. В противном случае исход аварии неблагополучен и диспет­черская служба системы принимает немедленные меры к тому, чтобы привести параметры послеаварийного режима в соответствие с до­пустимыми.

1.3. Напряжения электрических сетей

Электрическое оборудование, применяемое в электрических си­стемах, характеризуется номинальным напряжением. При номи­нальном напряжении электроустановки работают в нормальном и экономичном режимах.

Номинальное напряжение сети совпадает с номинальным напряжением ее приемников.

Первичные обмотки трансформаторов (независимо от того, по­вышающие они или понижающие) играют роль потребителей элект­роэнергии, поэтому их номинальное напряжение принимают равным номинальному напряжению электроприемников.

Генераторы электрических станций и вторичные обмотки транс форматоров находятся в начале питаемой ими сети, поэтому их напряжения должны быть выше номинального напряжения приемников на величину потерь напряжения в сети. Обычно принимают номиналь­ное напряжение вторичных обмоток трансформатора на 5 или 10% выше номинального для электроприемников и сети.

ЛЭП, предназначенные для распределения электроэнергии меж­ду отдельными потребителями в некотором районе и для связи энер­госистем, могут выполняться как на большие, так и на малые рассто­яния и предназначаться для передачи мощностей различных величин. Для дальних передач большое значение имеет пропускная способ­ность, т. е. та наибольшая мощность, которую можно передавать по ЛЭП с учетом всех ограничивающих факторов.

Для воздушных ЛЭП переменного тока можно приближенно счи­тать, что та максимальная мощность, которую они могут передать, примерно пропорциональна квадрату напряжения и обратно про­порциональна длине передачи. Стоимость сооружения можно при­нять пропорциональной величине напряжения. Поэтому в разви­тии передач электроэнергии на расстояние наблюдается тенденция к увеличению напряжения как к главному средству увеличения про­пускной способности. Со времени создания первых ЛЭП напряже­ние повышалось в 1,5. 2 раза примерно каждыелет. Рост напряжения давал возможность увеличивать протяженности ЛЭП и передаваемые мощности.

В табл. 1.1 приведены номинальные междуфазные (линейные) на­пряжения для трехфазных приемников электрической энергии, гене­раторов и трансформаторов.

Номинальные напряжения электрических систем

Номинальные напря­жения приемников и сети, кВ

Примечания: 1. Напряжения, указанные в скобках, для вновь проектируемых се­тей не рекомендуются.

2. Знаком * отмечены напряжения трансформаторов, присоединяемых непос­редственно к шинам генераторного напряжения электрических станций или к выво­дам генераторов.

1.4. Управление электроэнергетическими системами

Особенностью работы электроэнергетических систем является то, что электростанции должны вырабатывать столько мощности, сколь­ко ее требуется в данный момент для покрытия нагрузки потребите­лей, собственных нужд станций и потерь в сетях. Поэтому оборудова­ние станций и сетей должно быть готово ко всякому периодическому изменению нагрузки потребителей в течение суток или года. Для того чтобы наиболее экономично эксплуатировать электрическую станцию, персоналу диспетчерских служб энергосистемы необходимо заранее знать, как изменяется спрос на электрическую энергию. Зная эти изме­нения, персонал может подготовить остановку необходимого числа генераторов при снижении нагрузки и, наоборот, подготовить к пуску резервные генераторы при увеличении потребления энергии.

Следует также учитывать, что от энергосистем питается ряд по­требителей, нарушение электроснабжения которых недопустимо, так как это может привести к авариям и человеческим жертвам, вызвать простои и недовыпуск продукции предприятиями и т. д. Поэтому к работе энергосистем предъявляются следующие основ­ные требования:

выполнение плана выработки и распределения электроэнергии с покрытием максимумов нагрузки;

бесперебойная работа электрооборудования и надежная работа систем электроснабжения;

обеспечение необходимого качества отпускаемой потребителям электроэнергии по напряжению и частоте.

Для обеспечения указанных требований энергосистемы обору­дуются специальными диспетчерскими пунктами, которые оснаща­ются средствами контроля, управления, связью, четкой мнемони­ческой схемой расположения электростанций, ЛЭП и понижающих подстанций.

Отличительной особенностью диспетчерской службы является полная ответственность диспетчера за работу электростанций, электросетей и электроснабжение потребителей. Распоряжение диспет­чера является законом и должно безоговорочно выполняться всеми звеньями энергосистемы.

Основной целью управления энергосистемой является оптими­зация ее построения, работы и эксплуатации. Для этого необходи­мо знать:

свойства и характеристики системы;

данные о состоянии технологического процесса на электростан­циях (о расходе воды и топлива, параметрах пара, скорости враще­ния турбин и т. д.);

сведения об электрических параметрах режима (частоте, напря­жениях, токах, активных и реактивных мощностях и т. д.);

положение схемы системы, — какие элементы в данный момент находятся в работе, а какие отключены.

Вся эта обширная информация о работе энергосистемы должна перерабатываться и использоваться для оптимизации режима ра­боты.

В системе управления электроэнергетикой большое значение имеют электронные цифровые вычислительные машины.

При аварии дежурный инженер должен найти пути и средства восстановления нормального режима, произвести требуемые пере­ключения в схеме электрических соединений. При аварийных ре­жимах в энергосистеме часто требуется выдать управляющий сигнал не более чем через 0,05 с. Человека здесь выручают автоматические устройства, обладающие при переработке информации большим, чем он, быстродействием.

1.5. Структура потребителей и понятие о графикахих электрических нагрузок

В зависимости от выполняемых функций, возможностей обеспе­чения схемы питания от энергосистемы, величины и режимов по­требления электроэнергии и мощности, особенностей правил пользования электроэнергией потребителей электроэнергии приня­то делить на следующие основные группы:

промышленные и приравненные к ним;

общественно-коммунальные (учреждения, организации, пред­приятия торговли и общественного питания и др.).

К промышленным потребителям приравнены следующие пред­приятия: строительные, транспорта, шахты, рудники, карьеры, не­фтяные, газовые и другие промыслы, связи, коммунального хозяй­ства и бытового обслуживания.

Промышленные потребители являются наиболее энергоемкой группой потребителей электрической энергии.

Каждая из групп потребителей име­ет определенный режим работы. Так, например, электрическая нагрузка от коммунально-бытовых потребителей с преимущественно осветительной на­грузкой отличается большой неравно­мерностью в различное время суток. Днем нагрузка небольшая, к вечеру она возрастает до максимума, ночью она резко падает и к утру вновь возраста­ет. Электрическая нагрузка промыш­ленных предприятий более равномер­на в течение дня и зависит от вида производства, режима рабочего дня и числа смен.

Наглядное представление о характере изменения электрических нагрузок во времени дают графики нагрузок. По продолжительно­сти они могут быть суточными и годовыми. Если откладывать по оси абсцисс часы суток, а по оси ординат потребляемую в каждый момент времени мощность в процентах от максимальной мощности, то получим суточный график нагрузки. На рис. 1.3 изображены суточные графики осветительной нагрузки города для зимнего (ок­тябрь — март) и летнего (апрель — сентябрь) периодов. Максималь­ная нагрузка для зимних суток наступает между 17 и 20 ч (кривая а), а для летних суток — между 22 и 23 ч (кривая б). Таким образом, летний максимум (мощность в часы пик) наступает позднее и зна­чительно меньше по величине, чем зимой. Дневной минимум также

На рис. 1.4 изображены характерные суточные графики актив­ной мощности (в процентах от максимальной мощности) крупного города с учетом нагрузок освещения, а также силового оборудова­ния коммунальных предприятий, электрифицированного транспор­та и др.

1.6. Преимущества объединения электроэнергетических систем

На первой стадии развития электроэнергетика представляла со­бой совокупность отдельных электростанций, не связанных между собой. Каждая из электростанций через собственную сеть переда­вала электроэнергию потребителям. В дальнейшем стали создавать­ся электрические системы, в которых электрические станции соеди­нялись электрическими сетями и включались на параллельную работу. Отдельные территориальные энергосистемы в свою очередь также объединялись, образуя более крупные энергосистемы. Тен­денция к образованию по возможности более крупных энергети­ческих объединений проявляется практически во всех странах.

Общее стремление к объединению энергетических систем вызвано огромными преимуществами по сравнению с отдельными станциями.

При создании объединенных энергетических систем можно уменьшить суммарную установленную мощность электростанций.

Большая совокупность потребителей электрической энергии ха­рактеризуется графиком нагрузки (см. рис. 1.4). Максимум суммар­ной нагрузки системы меньше, чем сумма максимумов нагрузок от­дельных потребителей. Это объясняется несовпадением отдельных максимумов из-за различных условий работы потребителей. В энер­гетических системах, охватывающих обширные географические рай­оны, несовпадение максимумов вызвано расположением потреби­телей в разных часовых поясах. Например, объединение потреби­телей, размещенных в европейской и сибирской частях страны, позволит получить более равномерный суммарный график по срав­нению с графиком нагрузки отдельных потребителей (рис. 1.5). Ус­тановленная мощность электростанций в системе должна быть до­статочной для покрытия максимальных нагрузок потребителей. Кроме того, исходя из требований, предъявляемых к надежности работы систем, должна предус­матриваться резервная мощ­ность генераторов. При парал­лельной работе электрических станций резервная мощность может быть уменьшена. Пока­жем это на простом примере. Пусть две электростанции, каж­дая из которых имеет по четыре генератора, работают изолиро­ванно. Тогда одна станция мо­жет вырабатывать электричес­кую энергию, используя 75% ус­тановленной мощности, так как один генератор должен нахо­диться в резерве. При соединении двух станций общей сетью в резерве находится один генератор из восьми, т. е. может быть использовано 7/8 (87,5%) установлен­ной мощности.

При объединении разных типов электростанций можно более полно использовать гидроэнергетические ресурсы.

Расход воды в реке колеблется в больших пределах. Для надеж­ного снабжения электроэнергией потребителей мощность гидро­электростанции (ГЭС) при изолированной ее работе нужно выби­рать исходя из обеспеченного расхода воды. В случае больших расходов часть воды пришлось бы сбрасывать мимо турбин.

Рассмотрим преимущества объединения ТЭС и ГЭС на приме­ре. Пусть мощности каждой станции равны 100 МВт. Каждая стан­ция вырабатывает энергию для своего района, причем станции ра­ботают изолированно. Мощности нагрузок в каждом районе равны по 100 МВт. Потребности электроэнергии за сутки в каждом райо­не по 1600 МВт-ч. Далее предположим, что по расходу воды ГЭС за сутки может выработать только 1200 МВт-ч. Следовательно, де­фицит электроэнергии в районе с ГЭС составит 400 МВт-ч. ТЭС за сутки может выработать 2400 МВт-ч, т. е. в районе с ТЭС могут быть дополнительно использованы 800 МВт-ч. При объединении на параллельную работу ТЭС и ГЭС можно, заставив ТЭС вырабо­тать 2400 МВт-ч электроэнергии, полностью удовлетворить спрос всех потребителей двух районов.

Объединение нескольких электростанций разных видов позво­ляет повысить экономичность выработки электроэнергии.

Энергетические системы дают возможность согласованно рабо­тать тепловым и гидроэлектростанциям. В самом деле, в период не­достатка воды на ГЭС (зимой) выработка электроэнергии на них снижается, и потребители обеспечиваются электроэнергией в боль­шей мере от ТЭС. Наоборот, летом при большом притоке воды ГЭС работают на полную мощность, а выработка электроэнергии ТЭС на суточ­ном графике нагрузок в целом энер­госистемы и доли в его покрытии раз­личных видов электрических станций (рис. 1.6).

Из суточного графика энергосисте­мы видно, что в основном нагрузки по­крывают тепловые конденсационные электростанции — государственные районные электростанции (ГРЭС). Доля ТЭЦ в покрытии нагрузок энергосистемы определяется их тепловыми графиками. Нагрузка ГЭС оп­ределяется стоком реки. Электростанции, подключаемые к системе в часы наибольших (пиковых) нагрузок, называют пиковыми. В боль­шинстве случаев пиковыми станциями являются гидростанции (ГЭС и ГАЭС — гидроаккумулирующие электростанции), не обеспеченные водой для длительной работы не в полную мощность в некоторые периоды, и станции, оборудованные газовыми турбинами.

Объединение энергосистем позволяет увеличить единичные мощ­ности агрегатов.

С возрастанием мощностей агрегатов улучшаются их техничес­кие характеристики, и снижается удельная стоимость выработки электроэнергии.

Создание объединенных энергосистем позволяет повысить на­дежность электроснабжения потребителей.

Отдельные элементы системы (генераторы, трансформаторы, ЛЭП и др.) в результате аварий могут выходить из строя. В этих случаях часть потребителей может потерять питание. В схеме, по­казанной на рис. 1.7, при возникновении трехфазного короткого замыкания на ЛЭП полностью прекращается подача электроэнер­гии потребителям. Применение устройств релейной защиты и ав­томатики является эффективным средством повышения надежнос­ти. Релейной защитой называется система устройств, которые производят отключение поврежденных элементов или частей сис­темы и локализуют аварию. К автоматическим устройствам отно­сятся устройства автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического ввода (включения) резерва (АВР). Устройства АПВ (рис. 1.8) предназначены для ликвидации «переходящих» повреж­дений, например коротких замыканий. При появлении дугового ко­роткого замыкания на воздушной линии (например, при попада­нии молнии) она отключается под действием релейной защиты, дуга гаснет и восстанавливаются диэлектрические свойства воздушного промежутка. Затем под действием АПВ автоматически включается напряжение на линии электропередачи, которая может продолжить успешную работу.

Принцип работы АВР поясняет рис. 1.9. При повреждении од­ного из трансформаторов автоматически под действием релейной защиты происходит его отключение, а оставшиеся без напряжения потребители после срабатывания АВР подключаются к исправно­му трансформатору.

1.7. Организация взаимоотношений междуэнергосистемой и потребителями

Взаимоотношения между энергосистемой и потребителями рег­ламентированы Правилами пользования электрической энергией. Их в определенной мере можно разделить на юридически-право­вые, технико-экономические и оперативно-диспетчерские.

К юридически-правовым вопросам относятся следующие:

регламентация порядка присоединения электроустановок потре­бителей к энергосистеме. Различные по составу и присоединяемой мощности потребители ставят перед энергосистемой задачи разной сложности присоединения;

разграничения балансовой принадлежности оборудования и се­тей и эксплуатационной ответственности между потребителем и энергосистемой;

выбор соответствующих тарифов и системы расчета за электро­энергию;

определение условий электроснабжения потребителей в период возникновения в энергосистеме временных дефицитов мощности или энергии в целях сохранения устойчивости режима системы и ее разгрузки за счет отключения части потребителей;

определение порядка допуска персонала энергосистемы в элект­роустановки потребителей для оперативных переключений и для контроля над режимом электропотребления;

регламентация ответственности энергосистемы и потребителей за электроснабжение, качество электроэнергии и соблюдение пра­вил пользования электроэнергией.

Технико-экономические вопросы взаимоотношений между энергосистемой и потребителем связаны с разработкой и вы­полнением:

технических условий на присоединение электроустановок потре­бителей к энергосистеме;

схем размещения приборов контроля качества электроэнергии;

схем размещения приборов учета;

нормативов по компенсации реактивной мощности и оптималь­ных режимов работы компенсирующих устройств;

правил и норм по надежной и экономичной эксплуатации элект­роустановок потребителей.

Оперативно-диспетчерские взаимоотношения опреде­ляются необходимостью обеспечения:

электроснабжения потребителей в соответствии с выбранным уровнем надежности схемы их внешнего электроснабжения;

нормальных условий эксплуатации и ремонта оборудования, сетей и приборов энергосистемы и потребителей;

установленных стандартом норм качества электроэнергии;

разгрузки энергосистемы для сохранения устойчивости ее ре­жима при возникновении временных аварийных дефицитов мощ­ности.

Единство электрической схемы энергосистемы и потребителей обуславливает необходимость строгой регламентации взаимоотно­шений между оперативно-диспетчерским персоналом.

Координация взаимоотношений между энергосистемой и потре­бителем возложена на Энергосбыт.