Электроэнергетические системы и сети

ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева Кафедра «Электроснабжение и электротехника им. И.А. Будзко» Электроэнергетические системы и сети Виноградов Александр Владимирович, д.т.н., доцент E-mail: [email protected] Тел. 89202879024 Москва-2021 ВВЕДЕНИЕ: Развитие человечества выражается в увеличении количества людей и в увеличении продолжительности их жизни. За последние сто лет срок жизни в энергетически обеспеченных странах вырос более чем в 2,5 раза. Соотношение числа жителей и потребления энергии Цели и задачи энергетики, систем электроснабжения Выше всего продолжительность жизни в Японии (82,15) и Европе (Андорра, 82,75). Самая низкая – в Африке (Свазиленд, 32,2). Взгляд из космоса. Лекции 1-2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ИХ ПАРАМЕТРЫ Основные определения Электроустановка – совокупность аппаратов, машин, оборудования и сооружений, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения или потребления ЭЭ. Электроустановки (ЭУ) разделяют по величине напряжения до 1000 В (низковольтные ЭУ) и выше 1000 В (высоковольтные ЭУ). Электростанция – электроустановка, служащая для производства (генерации) электрической энергии в результате преобразования энергии, заключённой в природных энергоносителях (уголь, газ, вода и др.) при помощи турбо- и гидрогенераторов. Костромская ГРЭС 3 600 МВт Саяно-Шушенская ГЭС 6400 МВт Виды электростанций: тепловые электростанции (ТЭС: ГРЭС, КЭС, ТЭЦ, ГТТЭЦ, ПТС), использующие природное топливо; •гидроэлектростанции (ГЭС), использующие энергию падающей воды запруженных рек; •атомные электростанции (АЭС), использующие ядерную энергию; •нетрадиционные (иные) электростанции, использующие ветровую, солнечную, геотермальную и другие виды энергий. •Гидроаккумулирующие станции ГАЭС. Подстанция – электроустановка, предназначенная для приёма, преобразования (трансформации) и распределения электроэнергии, состоящая из трансформаторов (автотрансформаторов) и других преобразователей ЭЭ, распределительных и вспомогательных устройств. В зависимости от назначения подстанции выполняются трансформаторными или преобразовательными – выпрямительными, двигатель-генераторными и др. Подстанция может быть повышающей (повысительной), если преобразование величины напряжения переменного тока осуществляется с низшего напряжения на высшее (подстанции электростанций), и понижающей (понизительной) – в случае трансформации высшего напряжения на низшее (подстанции предприятий, городов и др.). Центр, источник электропитания – источник ЭЭ, на сборных шинах (зажимах) которого осуществляется автоматическое регулирование режима напряжения. Наряду с электростанциями это шины подстанции с трансформаторами, оснащёнными регуляторами напряжения под нагрузкой (РПН), регулируемыми источниками реактивной мощности, линейными регуляторами и др. Распределительное устройство (РУ) – электроустановка, входящая в состав любой подстанции; предназначена для приёма и распределения электроэнергии на одном напряжении (до 1000 В и более). РУ содержат коммутационные аппараты, устройства управления, защиты, измерения и вспомогательные сооружения. Наряду с подстанциями электрическая энергия может распределяться на распределительных пунктах – устройствах, предназначенных для приёма и распределения ЭЭ на одном напряжении (без трансформации) и не входящих в состав подстанции. Линия электропередачи (ЛЭП) – электроустановка, предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние с возможным промежуточным отбором. Линии выполняют воздушными, кабельными, а также в виде токопроводов на промышленных предприятиях и электростанциях и внутренних проводок в зданиях и сооружениях. Электроприёмник (ЭП) – аппарат, агрегат, механизм (электродвигатель, преобразователь, светильник и др.), потребляющий или преобразующий ЭЭ в другие виды энергии. Потребитель ЭЭ – физическое, или юридическое лицо, с которым заключён договор на электроснабжение. С позиции структурной иерархии системы передачи и распределения ЭЭ к потребителям может быть отнесена совокупность электрических нагрузок (ЭН) (дом, посёлок, завод и т. д.), получающих электропитание с шин подстанций того или иного напряжения. В ряде случаев в качестве потребителей рассматривают подстанции, от которых осуществляется электроснабжение жилого района, промышленного предприятия и др. объектов. ОРУ 750кВ Элементами системы передачи и распределения ЭЭ являются: линии электропередачи различных конструкций и напряжений (W), устройства продольной и поперечной компенсации (КУ) параметров ЛЭП (установки продольной компенсации и шунтирующие реакторы); трансформаторные подстанции (силовые трансформаторы (Т) и автотрансформаторы, выключатели, разъединители, контрольно-измерительные приборы и т. п.); источники реактивной мощности (ИРМ) (конденсаторные батареи, синхронные и статические тиристорные компенсаторы); устройства защиты и автоматики, т. е. автоматические регуляторы (АР), устройства релейной защиты (РЗ) и противоаварийной автоматики (ПА), средства диспетчерского и технологического управления (СДТУ). Электропередача – это линия с повышающей и понижающей подстанциями, служащая для транзитной передачи электроэнергии от станции к концентрированному потребителю, получающему электроэнергию от шин низшего напряжения понижающей подстанции. Под пропускной способностью электропередачи понимается наибольшая активная мощность трех фаз электропередачи, которую можно передать в длительном установившемся режиме с учетом режимно-технических ограничений. Электрическая сеть – объединение преобразующих подстанций, распределительных устройств, переключательных пунктов и соединяющих их линий электропередачи, предназначенных для передачи ЭЭ от электростанции к местам потребления и распределения её между потребителями. Электрическая сеть эквивалентна развитой сети электропередачи. Отдельная электропередача в узком смысле представляет собой электрическую сеть. Развитая электрическая сеть, как по составу электроустановок, так и по функциональному назначению, образует систему передачи и распределения электроэнергии. Электроэнергетическая (электрическая) система (ЭЭС) – совокупность электрической части электростанций, электрических сетей (сетей электропередачи) и потребителей электроэнергии (электроприёмников), а также устройств управления, регулирования и защиты, объединенных общностью режима и непрерывностью (одновременностью) процессов производства, передачи и потребления электрической энергии. Энергетическая система (энергосистема) – объединение электростанций, электрических и тепловых сетей (ТС) и ряда установок и устройств для производства, передачи, распределения и потребления электрической и тепловой энергии. Установки и устройства: источники энергии – паровые котлы (ПК) или гидротехнические сооружения (ГТС), турбины (Т), генераторы (Г); нагрузки – потребители электрические (ЭН) и тепловые (ПТ) и др. Более широким, чем электрическая сеть, является понятие «система электроснабжения». Она объединяет все электроустановки, предназначенные для обеспечения потребителей электрической энергией. Система электроснабжения эквивалентна (с учетом ЭП) электрической части энергетической системы – электроэнергетической системе. Энергосистемы, расположенные в различных экономических районах, связываются между собой линиями электропередачи высокого напряжения. Объединяются в объединённые энергосистемы. Это обеспечивает взаимный обмен мощностями и дает следующие преимущества:  снижение суммарного максимума и выравнивание нагрузки;  уменьшение суммарного резерва мощности (12 – 20% от суммарной мощности);  повышается надежность электроснабжения и качество электроэнергии;  повышается экономичность использования энергоресурсов;  улучшается использование мощности ЭС (можно строить мощные агрегаты);  облегчается работа систем при сезонных изменениях нагрузки, при ремонтах и авариях. Но в объединенных системах усложняется релейная защита, автоматика и управление режимами. Единая энергетическая система России (ЕЭС России) состоит из 71 региональной энергосистемы, которые, в свою очередь, образуют 7 объединенных энергетических систем: Центра, Средней Волги, Урала, Северо-Запада, Юга, Сибири и Востока. Все энергосистемы соединены межсистемными высоковольтными линиями электропередачи напряжением 220-500 кВ и выше и работают в синхронном режиме (параллельно). В электроэнергетический комплекс ЕЭС России входит 880 электростанций мощностью свыше 5 МВт каждая. Установленная мощность электростанций ЕЭС России на 01.01.2022 составила 246 590,9 МВт. За отчетный год установленная мощность электростанций ЕЭС России увеличилась на 1 277,65 МВт. Изменение установленной мощности электростанций обусловлено: вводом нового оборудования – 2 716,07 МВт; увеличением установленной мощности действующего генерирующего оборудования за счёт его перемаркировки – 265,05 МВт; выводом из эксплуатации генерирующих мощностей – 1 896,8 МВт; снижением установленной мощности действующего оборудования в связи с его перемаркировкой – 33,68 МВт. учётом в установленной мощности ЕЭС России генерирующих мощностей действующих электростанций потребителей, работающих на розничном рынке – 227,0 МВт. Сетевое хозяйство ЕЭС России насчитывает более 13 000 линий электропередачи класса Управление электроэнергетичес кими режимами 7 энергообъединений и энергосистем, расположенных на территории 81 субъекта Российской Федерации осущест вляют филиалы АО «СО ЕЭС» — объединенные и региональные диспе тчерские управления соответственно. Выработка электроэнергии электростанциями ЕЭС России в 2021 году составила 1 114,55 млрд кВт∙ч. Потребление электроэнергии в 2021 году составило 1 090,44 млрд кВт∙ч. Годовой максимум потребления мощности ЕЭС России зафиксирован в 11:00 (мск) 24.12.2021 при частоте электрического тока 50,02 Гц и составил 161 418 МВт. При этом нагрузка электростанций ЕЭС России составила 165 640 МВт. В 2021 году в ЕЭС России, 4-х ОЭС и 15-ти территориальных энергосистемах были установлены новые значения исторического максимума потребления мощности. Структура выработки электроэнергии в ОЭС в 2021 году по типам электростанций Динамика изменения потребления электроэнергии и мощности по ЕЭС России Число часов использования установленной мощности электростанций в целом по ЕЭС России в 2021 году составило 4 514 часов или 51,53% календарного времени (коэффициент использования установленной мощности). При этом число часов использования установленной мощности без учета электростанций промышленных предприятий составляет: - тепловых электростанций – 4 034 часа (46,05 % календарного времени); - атомных электростанций – 7 349 часов (83,89 % календарного времени); гидроэлектростанций– 4 195 часов (47,89 % календарного времени); ветровых электростанций – 2 480 часов (28,31 % календарного времени); солнечных электростанций – 1 261 час (14,40 % календарного Структура установленной мощности ТЭС ЕЭС России W1=Pфакт*tгод=Pфакт*8760 – «показания счётчика», фактический объём выработанной электроэнергии W1=Pуст*tу tу=W1/Pуст Число часов использования установленной мощности P Pуст Pфакт tу Ку=tу/tгод - коэффициент использования установленной мощности tгод (8760ч) t, ч Динамика потребления электроэнергии в ЕЭС России по месяцам 2019-2021 годов На динамику электропотребления в ЕЭС России влияло частичное сохранение ограничений в нефтяной отрасли в связи с продолжением действия соглашения ОПЕК+. Фактором роста потребления электроэнергии начиная с II квартала 2021 года относительно прошлого года является отсутствие заметного влияния карантинных мер в 2021 году на фоне масштабного их ввода в аналогичном периоде 2020 года. Начиная с II квартала частичное снятие ограничений в нефтяной отрасли также отразилось на росте электропотребления. Потребление электроэнергии на транзит нефти по нефтепроводам в 2021 году было на 0,8 млрд кВтч выше показателя 2020 года. Суммарно в 2021 году рост электропотребления газоперекачивающими станциями составил 0,7 млрд кВтч к показателям предыдущего года. Кроме того, в 2021 году наблюдался рост потребления электроэнергии на крупных предприятиях металлургии, машиностроения, химической и деревообрабатывающей промышленности, а также на электрифицированном железнодорожном Рост объемов производства электроэнергии на электростанциях ЕЭС России отразился на объемах электропотребления на собственные, производственные и хозяйственные нужды электростанций, которые относительно прошлого года выросли на 4,6 млрд кВт∙ч. В 2021 году рост годового объема потребления электроэнергии в ЕЭС России за счет влияния температурного фактора оценивается величиной 11,4 млрд. кВт∙ч (+1,1%) за счет понижения среднегодовой температуры в энергосистеме на 1,5°С относительно прошлого года. Наиболее значительное влияние температуры на изменение динамики электропотребления наблюдалось в I квартале 2021 года, когда отклонения среднемесячных температур достигали максимальных значений. В 2021 году параллельно с ЕЭС России работали энергосистемы Эстонии, Латвии, Литвы, Беларуси, Украины, Грузии, Азербайджана, Казахстана и Монголии, а также энергосистемы Центральной Азии – Узбекистана и Киргизии (через энергосистему Казахстана) и Молдавии (через энергосистему Украины). По линиям электропередачи переменного тока осуществлялась передача электроэнергии в энергосистему Южной Осетии и энергосистему Абхазии. Совместно с ЕЭС России через преобразовательные устройства постоянного тока работали энергосистемы Финляндии и Китая. Кроме этого, параллельно с энергосистемой Финляндии работали отдельные генераторы Северо-Западной ТЭЦ и ГЭС энергосистем г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области и Мурманской области, с энергосистемой Норвегии – отдельные генераторы ГЭС энергосистемы Мурманской области. По линиям электропередачи переменного тока осуществлялась передача электроэнергии в Китай в «островном» режиме. АО «СО ЕЭС», являясь координатором параллельной работы энергосистем, обеспечивает регулирование частоты в энергообъединении стран – участниц синхронной зоны. Электрические сети классифицируются: по роду тока; по номинальному напряжению; по конструктивному исполнению; по конфигурации; по характеру потребителей; по назначению в схеме электроснабжения. По роду тока различают сети переменного и постоянного тока. Основное распространение получили сети трехфазного переменного тока. Сети постоянного тока используются в промышленности (электрические печи, электролизные цеха) и для питания городского электротранспорта. Постоянный ток используется для передачи энергии на большие расстояния. Но, на постоянном токе работает только ЛЭП: в вначале и конце ЛЭП строятся преобразовательные подстанции, на которых происходит преобразование переменного тока в постоянный и обратно. Использование постоянного тока обеспечивает устойчивую параллельную работу генераторов ЭС. Постоянный ток используется для организации связи электроэнергетических систем. При этом отклонение частоты в каждой системе практически не отражается на передаваемой мощности. Существуют передачи пульсирующего тока. В них электроэнергия передается по общей линии одновременно переменным и постоянным токами. У такой передачи увеличивается пропускная способность по отношению к ЛЭП переменного тока и облегчается отбор мощности по сравнению с ЛЭП постоянного тока. В настоящее время для электрических сетей стандартизованы (ГОСТ 29322-2014) 4 напряжения менее 1000 В (42, 230, 400 и 690 В) и 12 напряжений выше 1000 В (3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ). Все перечисленные цифры соответствуют линейным (междуфазным) значениям напряжений трехфазной системы переменного тока. Признак Значение номинального напряжения Охват территории Номинальные напряжения, кВ <1 3-35 110-220 330 – 750 НН СН ВН СВН Местные Районные 1150 УВН Региональные Назначение Распределительные Системообразующие, межсистемные Характер потребителей Городские, промышленные сельскохозяйственные — Для нормальной работы электропотребителей (электроприёмников) должно выполняться условие: Как правило, напряжение в начале линии больше напряжения в конце и отличается на величину потерь напряжения: Вторичные обмотки как понижающих, так и повышающих трансформаторов являются источниками по отношению к питаемой ими сети. Номинальные напряжения вторичных обмоток U2ном имеют значения на 5–10 % больше номинального напряжения этой сети: 2 По конструктивному исполнению различают: - воздушные линии электропередачи; - кабельные линии электропередачи; - электропроводки; - токопроводы; - сверхпроводящие линии. Токопровод – это установка для передачи и распределения электроэнергии. Состоит из неизолированных или изолированных проводников, изоляторов, защитных оболочек и опорных конструкций. Электропроводки предназначены для выполнения сетей в зданиях. Воздушная линия электропередачи (ВЛ) — устройство, предназначенное для передачи или распределения электрической энергии по проводам, находящимся на открытом воздухе и прикреплённым с помощью траверс (кронштейнов), изоляторов и арматуры к опорам или другим сооружениям (мостам, путепроводам). ВЛи — воздушная линия, выполненная изолированными проводами (СИП). Состав ВЛ: провода, Траверсы, Изоляторы, Арматура, Опоры, Грозозащитные тросы, Разрядники, Заземление , Секционирующие устройства, Волоконно-оптические линии связи (в виде отдельных самонесущих кабелей, либо встроенные в грозозащитный трос, силовой провод), Вспомогательное оборудование для нужд эксплуатации (аппаратура высокочастотной связи, ёмкостного отбора мощности и др.) Элементы маркировки высоковольтных проводов и опор ЛЭП для обеспечения безопасности полётов воздушных судов. Опоры маркируются сочетанием красок определённых цветов, провода — авиационными шарами для обозначения в дневное время. Для обозначения в дневное и ночное время суток применяются огни светового ограждения. По режиму работы нейтралей в электроустановках: •Трёхфазные сети с незаземлёнными (изолированными) нейтралями (нейтраль не присоединена к заземляющему устройству или присоединена к нему через аппараты с больши́м сопротивлением). В СНГ такой режим нейтрали используется в сетях напряжением 3—35 кВ с малыми токами однофазных замыканий на землю. •Трёхфазные сети с резонансно-заземлёнными (компенсированными) нейтралями (нейтральная шина присоединена к заземлению через индуктивность). В СНГ используется в сетях напряжением 335 кВ с малыми токами однофазных замыканий на землю. •Трёхфазные сети с эффективно заземлёнными нейтралями (сети высокого и сверхвысокого напряжения, нейтрали которых соединены с землёй непосредственно или через небольшое активное сопротивление). В России это сети напряжением 110, 150 и частично 220 кВ, в которых применяются трансформаторы (автотрансформаторы требуют обязательного глухого заземления нейтрали). •Сети с глухозаземлённой нейтралью (нейтраль трансформатора или генератора присоединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление). К ним относятся сети напряжением менее 1 кВ, а также сети напряжением 220 кВ и выше. По режиму работы в зависимости от механического состояния • ВЛ нормального режима работы (провода и тросы не оборваны). • ВЛ аварийного режима работы (при полном или частичном обрыве проводов и тросов). • ВЛ монтажного режима работы (во время монтажа опор, проводов и тросов). Основные элементы ВЛ •Трасса — положение оси ВЛ на земной поверхности. •Пикеты (ПК) — отрезки, на которые разбита трасса, длина ПК зависит от номинального напряжения ВЛ и типа местности. •Нулевой пикетный знак обозначает начало трассы. •Центровой знак на трассе строящейся ВЛ обозначает центр расположения опоры. •Производственный пикетаж — установка пикетных и центровых знаков на трассе в соответствии с ведомостью расстановки опор. •Фундамент опоры — конструкция, заделанная в грунт или опирающаяся на него и передающая ему нагрузку от опоры, изоляторов, проводов (тросов) и от внешних воздействий (гололёда, ветра). •Основание фундамента — грунт нижней части котлована, воспринимающий нагрузку. •Пролёт (длина пролёта) — расстояние между центрами двух опор, на которых подвешены провода. Различают промежуточный пролёт (между двумя соседними промежуточными опорами) и анкерный пролёт (между анкерными опорами). Переходный пролёт — пролёт, пересекающий какоелибо сооружение или естественное препятствие (реку, овраг). •Угол поворота линии — угол α между направлениями трассы ВЛ в смежных пролётах (до и после поворота). •Стрела провеса — вертикальное расстояние между низшей точкой провода в пролёте и прямой, соединяющей точки его крепления на опорах. •Габарит провода — вертикальное расстояние от провода в пролёте до пересекаемых трассой инженерных сооружений, поверхности земли или воды. •Шлейф (петля) — отрезок провода, соединяющий на анкерной опоре натянутые провода соседних анкерных пролётов. Кабельная линия электропередачи (КЛ) — линия для передачи электроэнергии или отдельных её импульсов, состоящая из одного или нескольких параллельных кабелей с соединительными, стопорными и концевыми муфтами (заделками) и крепёжными деталями, а для маслонаполненных линий, кроме того — с подпитывающими аппаратами и системой сигнализации давления масла. Классификация Кабельные линии классифицируют аналогично воздушным линиям. Кроме того, кабельные линии делят: •по условиям прохождения: • подземные; • по сооружениям; • подводные. •по типу изоляции: • жидкостная (пропитанная кабельным нефтяным маслом, или другими жидкостями); • изоляция газообразными веществами; • твёрдая: • бумажно-масляная; • поливинилхлоридная (ПВХ); • резино-бумажная (RIP); • сшитый полиэтилен (XLPE); • этилен-пропиленовая резина (EPR); • другие виды твёрдой изоляции. К кабельным сооружениям относятся: Кабельный тоннель — закрытое сооружение (коридор) с расположенными в нём опорными конструкциями для размещения на них кабелей и кабельных муфт, со свободным проходом по всей длине, позволяющим производить прокладку кабелей, ремонт и осмотр кабельных линий. Кабельный канал — непроходное сооружение, закрытое и частично или полностью заглублённое в грунт, пол, перекрытие и т. п. и предназначенное для размещения в нём кабелей, укладку, осмотр и ремонт которых возможно производить лишь при снятом перекрытии. Кабельная шахта — вертикальное кабельное сооружение (как правило, прямоугольного сечения), у которого высота в несколько раз больше стороны сечения, снабжённое скобами или лестницей для передвижения вдоль него людей (проходные шахты) или съёмной полностью или частично стенкой (непроходные шахты). Кабельный этаж — часть здания, ограниченная полом и перекрытием или покрытием, с расстоянием между полом и выступающими частями перекрытия или покрытия не менее 1,8 м. Двойной пол — полость, ограниченная стенами помещения, междуэтажным перекрытием и полом помещения со съёмными плитами (на всей или части площади). Кабельный блок — кабельное сооружение с трубами (каналами) для прокладки в них кабелей с относящимися к нему колодцами. Кабельная камера — подземное кабельное сооружение, закрываемое глухой съёмной бетонной плитой, предназначенное для укладки кабельных муфт или для протяжки кабелей в блоки. Камера, имеющая люк для входа в неё, называется кабельным колодцем. Кабельная эстакада — надземное или наземное открытое горизонтальное или наклонное протяжённое кабельное сооружение. Кабельная эстакада может быть проходной или непроходной. Кабельная галерея — надземное или наземное закрытое (полностью или частично, например, без боковых стен) горизонтальное или наклонное протяжённое проходное кабельное сооружение. Режимы нейтралей электрических сетей Нулевая точка (нейтраль) трехфазных электрических сетей может быть заземлена наглухо (а), заземлена через высокоомное сопротивление (б) или же изолирована от земли (в). Режим нейтрали в электрических сетях до 1000 В определяется безопасностью обслуживания сетей, а в сетях выше 1000 В – бесперебойностью электроснабжения, экономичностью и надежностью работы электроустановок. Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) работа электроустановок напряжением до 1000 В допускается как с глухозаземленной, так и с изолированной нейтралью. Электрические сети напряжением выше 1000В по режиму нейтрали делятся на сети с малым током замыкания на землю (≤500 А и 3-35 кВ) и сети с большим током замыкания на землю (>500 А и U ≥ 110 кВ). Сети с малым током замыкания на землю работают с изолированной или компенсированной нейтралью. Виды систем искусственного заземления Основным документом, регламентирующим использование различных систем заземления в России, является ПУЭ, разработанный в соответствии с принципами, классификацией и способами устройства заземляющих систем, утвержденных специальным протоколом Международной электротехнической комиссии (МЭК). Сокращенные названия систем заземления принято обозначать сочетанием первых букв французских слов: «Terre» — земля, «Neuter» — нейтраль, «Isole» — изолировать, а также английских: «combined» и «separated» - комбинированный и раздельный. •T — заземление. •N — подключение к нейтрали. •I — изолирование. •C — объединение функций, соединение функционального и защитного нулевых проводов. •S — раздельное использование во всей сети функционального и защитного нулевых проводов. Высоковольтные сети с изолированной нейтралью: Потребитель включен на линейное напряжение, нейтраль и земля в симметричном режиме совпадают. Напряжение, которое должна выдерживать изоляция, – это напряжение между фазой и землей. Произошло замыкание фазы С на землю. Ток от места замыкания потечет в емкости неповрежденных фаз А и В, а затем по линиям через нейтраль к месту повреждения. Напряжение потребителя не изменилось, оно осталось линейным. Напряжение фаз увеличилось в 1,73 раз ( 1,73Uф). Емкостный ток на землю поврежденной фазы равен нулю, а емкостный ток каждой из двух неповрежденных увеличивается в 1,73 раз (пропорционально увеличению напряжения). В этом случае Суммарный ток замыкания на землю равен сумме токов неповрежденных фаз и будет протекать через место повреждения фазы на землю, замыкаясь через источник питания. Необходимо принять меры для устранения замыкания на землю, чтобы оно не перешло в двухфазное КЗ. Замыкание фазы на землю приводит к возникновению перемежающейся дуги (то есть дуга непроизвольно гаснет и возникает), что приводит к перенапряжениям в неповрежденных фазах. Амплитуда дуговых перенапряжений может достигать (2,5-3,2)Uф. Это разрушает изоляцию фаз. С целью снижения дуговых перенапряжений применяется компенсация емкостного тока. Высоковольтные сети с компенсированной нейтралью: Эти сети также относят к сетям с малым током замыкания на землю. Так как потенциал нейтрали и земли в симметричной системе одинаков, ток в катушку в нормальном режиме не потечет. Дугогасящая катушка устанавливается в нейтрали для компенсации емкостных токов. При замыкании на землю фазы С, как и в сети с изолированной нейтралью, напряжение фаз А и В увеличивается в 1,73 раза (до линейного значения), а напряжение между нейтралью и землей становится равным фазному напряжению. Под действием этой разницы напряжений от места повреждения потечет ток в катушку (IL) и одновременно в емкости фаз А и В (IС). Ток в месте замыкания на землю равен сумме токов IL + IС. Сопротивление катушки подбирают таким образом, чтобы индуктивный ток IL, проходящий через катушку, был равен по величине суммарному емкостному току 3IС, проходящему через фазовые емкости сети. Так как индуктивный ток и емкостный направлены противоположно, то они будут компенсировать друг друга, и дуга погаснет. Такая настройка катушки называется резонансной. Практически добиться полной компенсации сложно, и поэтому в месте повреждения всегда имеется остаточный ток (из-за наличия активного сопротивления катушки и сети и неточности настройки катушки). При таком токе дуга не возникает и нет перенапряжения. В сетях с компенсированной нейтралью вероятность перенапряжений меньше, чем в сетях с изолированной нейтралью. Распределение токов в сети с компенсированной нейтралью при замыкании фазы на землю Основной недостаток – требуется усиление изоляции и установка дугогасящей катушки. Преимущества – как и в сети с изолированной нейтралью: при замыкании на землю одной из фаз потребитель не отключается. Высоковольтные сети с глухозаземлённой нейтралью: К таким сетям относятся сети с номинальным напряжением 110 кВ и выше и большим током замыкания на землю (Iз > 500 А). Нейтральная точка трансформаторов соединяется с заземляющим устройством через незначительное (< 1 Ом) сопротивление. В нормальном режиме в сети, кроме рабочих, протекают емкостные токи IС. При симметрии трехфазной системы ∑IС = 0 ток в нейтраль не течет. Ёмкостный ток IС мал по сравнению с индуктивным IL. Глухозаземленная нейтраль наряду с компенсированной является одним из эффективных способов снижения перенапряжений. Это позволяет уменьшить требуемую изоляцию, а значит, и капитальные вложения в сеть. Недостатки: • отключение КЗ приводит к перерыву в электроснабжении; • требуются капитальные вложения в сложную систему металлоемких заземляющих устройств для приема больших токов КЗ; • в ряде случаев ток однофазного КЗ превышает ток трехфазного КЗ, и часть нейтралей трансформаторов разземляют. Разземляют, как правило, трансформаторы в сетях 110 кВ и повышающие трансформаторы на 220 кВ, если такой режим работы оговорен изготовителем. Автотрансформаторная связь может существовать только в сетях с глухозаземленной нейтралью. Конфигурация электрической сети – это характеристика электрической сети по взаимному расположению на схеме и в пространстве входящих в её состав электроустановок, электрооборудования, а также по соотношению между собой их технических характеристик. Управление конфигурацией электрических сетей – это процесс целенаправленного воздействия оперативного персонала, обслуживающего электрическую сеть, средств релейной защиты и автоматики, средств дистанционного управления на оборудование электрической сети для достижения требуемых параметров конфигурации электрической сети. Параметры конфигурации – схема электрической сети, пространственное расположение элементов электрической сети, технические характеристики электрооборудования электрической сети, параметры режимов работы электрической сети. Топология электрической сети – это характеристика электрической сети по взаимному расположению на схеме и в пространстве входящих в её состав электроустановок, электрооборудования. По конфигурации сети делятся на: - разомкнутые; - замкнутые. Разомкнутые сети питаются от одного источника питания и передают электроэнергию к потребителям только в одном направлении. В замкнутых сетях электроприемники получают по меньшей мере с двух сторон. Различают простые замкнутые сети и сложнозамкнутые сети. Простые замкнутые сети имеют один замкнутый контур, сложнозамкнутые – несколько. К простым замкнутым сетям относятся кольцевая сеть и сеть с двухсторонним питанием. При магистральной конфигурации сети затрачивается меньше проводников и коммутационной аппаратуры, чем при радиальном её исполнении. Кроме того, по причине меньшей суммарной протяжённости ВЛ уменьшается расход опор, изоляторов, линейной арматуры и др. Поэтому магистральные сети дешевле радиальных. Однако они менее надёжны, потому что отключение головного участка выводит из работы все электроприёмники, получающие питание по данной магистрали. Распределительные сети СН 110–220 кВ снабжают электроэнергией большие районы электропотребления, поэтому выполняются преимущественно резервированными, например, в виде радиально – магистральных схем с одним центром питания (рис. 1.3). Двойная радиальномагистральная сеть за счёт дублирования линии (на одних или разных опорах) обеспечивает резервирование питания потребителей (рис. 1.3). Эта схема характеризуется равномерной загрузкой обеих линий, что соответствует минимуму потерь, не вызывает увеличения токов короткого замыкания в смежных участках сети, позволяет осуществлять чёткое ведение режима работы. Две радиальные нерезервированные сети (рис 1.4), питающиеся от одного центра, при развитии за счёт подключения новых участков, удлиняющих магистрали (показано пунктиром), могут быть преобразованы в замкнутую сеть кольцевой конфигурации (петлевая схема) или в сеть с двумя источниками питания (рис 1.5, а), что позволяет резервировать питание потребителей. рис 1.5, а сеть с двумя источниками питания Сис 1.5, а - Одинарная сеть с двумя источниками питания Рис. 5 б – Двойная сеть с двумя источниками питания Широкое применение находят замкнутая одинарная или двойная сеть, опирающаяся на два ЦП (сеть с двусторонним питанием), что позволяет охватить значительную территорию между двумя источниками (рис. 1.5, б). Одинарная сеть от двух ЦП может быть образована в результате развития (показано пунктиром) магистральных участков, подключенных к разным источникам (рис. 1.5, а). Данная конфигурация применяется в сетях 110 кВ для электрификации сельской местности, а также в распределительных сетях 220 кВ, обеспечивая с наименьшими затратами максимальный охват территории. Возможности данной конфигурации ограничиваются пропускной способностью головных участков, т. е. при отключении одного из них необходимо обеспечить электроснабжение всех подстанций сети; в зависимости от мощности трансформаторов ограничено количество подстанций. Двойная конфигурация (рис. 1.5, б) обладает большей пропускной способностью, применяется в сетях 110 кВ систем электроснабжения городов, а также в сетях 110– 220 кВ для электроснабжения протяжённых потребителей – электрифицируемых железных дорог и трубопроводов Присоединение новых подстанций в ближайших пунктах с целью снижения суммарной длины линии по сравнению с присоединением по кратчайшему к источнику пути приводит к созданию сложно-замкнутых (многоконтурных) конфигураций, обладающих высокой надёжностью электроснабжения (рис 1.6). Расчёт, анализ режимов, защита замкнутых сетей, управление ими – задачи более сложные, чем для разомкнутых сетей. Сложнозамкнутые сети дороже радиальномагистральных; их использование выгодно только при большой стоимости перерывов электроснабжения, например, в системах электроснабжения больших городов. Распределительные сети НН 0,38–35 кВ выполняют преимущественно разомкнутыми радиальной и магистральной конфигурации, получающими питание от одного (рис. 1.2, рис. 1.3, рис. 1.4) или двух центров (рис. 1.5, рис. 1.6). В отдельных случаях эти сети сооружаются как замкнутые (рис. 1.4, рис. 1.5, а), но эксплуатируемые в разомкнутом режиме (например, в городских сетях). Главная особенность распределительных сетей НН – их массовость. Количество трансформаторных пунктов, участков сетей достигает в пределах сетевого предприятия несколько сотен. Поэтому в этих сетях для изменения, улучшения режима напряжения используют простые недорогие устройства: трансформаторы без автоматического регулирования и преимущественно нерегулируемые конденсаторные батареи. Распределительные сети НН и особенно сети 0,38–10 кВ сильно разветвлённые, характеризуются большой суммарной протяжённостью. Средством повышения надёжности сети НН является применение средств их секционирования и резервирования – пунктов секционирования (СП, СПАВР) и мультиконтактных коммутационных систем (МКС) разных типов). Схемное построение и функционирование распределительных сетей определяется требуемой надёжностью электроснабжения, отраслевой принадлежностью, характером потребителей. Применение СП и МКС повышает и защищённость ЛЭП 0,4 кВ I кз1  Зона КГ1: Зона КГ2: Uф ZT  Z пфN 3 , Зона АВ: Максимальный ток по условию чувствительности ЗКА: I усл .чув. max  Uф ZT  L  R02ф  2  R0ф  R0 N  R02N  4 X 02пфN 3 . Устройства секционирования электрических сетей 0,4 кВ Индикация Вводной напряжения рубильник Счётчик Вакуумн. контактор Эксплуатация в посёлках Мезенка, Старцево, Овсянниково Результаты внедрения (на примере пос. Мезенка) Длина ЛЭП с отпайками составляет 1850 м, (магистраль 625 м). Потребляемая мощность на вводе 26 кВт, в точке установки СП – 8 кВт. Годовое потребление всей ЛЭП 227800 кВт·ч, Участок за СП – 63070 кВт·ч; На одно отключение СП: экономический эффект более 2400 руб. Годовой эффект 13850 руб. Выводной рубильник Блок реле управления и защиты Патент 2731874 Пос. Мезенка Коттеджи Экспериментальная теплица Насосная станция Коттеджи Жилые дома График нагрузки в точке установки СП Объединение системообразующей (передающих) и распределительных частей данной системы электроснабжения выполняется на приёмной подстанции ПС3 с напряжениями 330/110/35 кВ, имеющей межсистемную связь с соседней ЭЭС через двухцепную ЛЭП 330кВ. Электроснабжение потребителей, расположенных в районе ТЭЦ, выполнено по кабельным и воздушным линиям 6,10 кВ на генераторном напряжении. Большая часть ЭЭ, вырабатываемая на ТЭЦ, через повышающие трансформаторы подстанций ПС5–ПС7 поступает на шины высшего напряжения, передаётся и распределяется по ВЛ напряжением 110 кВ. Шины генераторного напряжения ТЭЦ и вторичных напряжений подстанций ПС3–ПС10 являются центрами питания распределительных сетей среднего и низшего напряжения 6–110 кВ, а также низковольтных сетей 0,38 кВ (через потребительские подстанции ТП1−ТП3), осуществляющих электроснабжение предприятий и отдельных электропотребителей, расположенных в данном промрайоне. Таким образом, в данной системе электроснабжения можно выделить элементы, формирующие систему передачи электроэнергии: совокупность электропередач выдачи мощности ГЭС и линий межсистемной передачи 330 кВ, и элементы, образующие систему распределения электроэнергии: сложно-замкнутая сеть СН 110 кВ и разветвлённые разомкнутые сети НН 0,38–35 кВ. ПРИНЦИПЫ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Воздушные линии электропередачи Воздушными называются линии, предназначенные для передачи и распределения ЭЭ по проводам, расположенным на открытом воздухе и поддерживаемым с помощью опор и изоляторов. ВЛ должны сооружаться с учетом: - атмосферных явлений, загрязнения воздуха; - условий прокладки (слабозаселенная местность, территория города, предприятия) и др. Из анализа условий ВЛ следует, что материалы и конструкции линий должны удовлетворять ряду требований: - экономически приемлемой стоимостью, - хорошей электропроводностью и достаточной механической прочностью материалов проводов и тросов, стойкостью их к коррозии, химическим воздействиям; - линии должны быть электрически и экологически безопасны, занимать минимальную территорию. Основными конструктивными элементами ВЛ являются опоры, провода, грозозащитные тросы, изоляторы и линейная арматура. По конструктивному исполнению опор наиболее распространены одно и двухцепные ВЛ. На трассе линии могут сооружаться до четырех цепей. Трасса линии – полоса земли, на которой сооружается линия. Одна цепь высоковольтной ВЛ объединяет три провода (комплекта проводов) трехфазной линии, в низковольтной – от трех до пяти проводов. 1 – фазные провода; 2 – изоляторы; 3 – одноцепная металлическая опора; 4 – грозозащитный трос; 5 – траверсы; 6 – тросостойка; 7 – фундамент. В целом конструктивная часть ВЛ характеризуется типом опор, длинами пролетов, габаритными размерами, конструкцией фаз, количеством изоляторов L - длина пролетов ВЛ; H - высота опор; H - допустимый габарит линии. Габарит линии – наименьшее расстояние от нижней точки провода до земли (воды, полотна дороги) должно быть таким, чтобы обеспечить безопасность движения людей и транспорта под линией. Это расстояние зависит от номинального напряжения линии и условий местности (населенная, ненаселенная). Расстояние между соседними фазами линии зависит главным образом от ее номинального напряжения. Конструкция фазы ВЛ в основном определяется количеством проводов в фазе. Если фаза выполнена несколькими проводами, она называется расщепленной. Расщепленными выполняют фазы ВЛ высокого и сверхвысокого напряжения. При этом в одной фазе используют два провода при 330 (220) кВ, три – при 500 кВ, четыре-пять – при 750 кВ, восемь, одиннадцать – при 1150 кВ. Опоры ВЛ – конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой, или каким-то инженерным сооружением. Промежуточные опоры наиболее простые, служат для поддерживания проводов на прямых участках линии. Они встречаются наиболее часто; доля их в среднем составляет 80–90 % общего числа опор ВЛ. Провода к ним крепят с помощью поддерживающих (подвесных) гирлянд изоляторов или штыревых изоляторов. Промежуточные опоры в нормальном режиме испытывают нагрузку в основном от собственного веса проводов, тросов и изоляторов, подвесные гирлянды изоляторов свисают вертикально. Анкерные опоры устанавливают в местах жесткого крепления проводов; они делятся на концевые, угловые, промежуточные и специальные. Анкерные опоры, рассчитанные на продольные и поперечные составляющие тяжения проводов (натяжные гирлянды изоляторов расположены горизонтально), испытывают наибольшие нагрузки, поэтому они значительно сложнее и дороже промежуточных; число их на каждой линии должно быть минимальным. Специальные опоры бывают следующих типов: переходные – для больших пролетов пересечения рек, ущелий; ответвительные – для выполнения ответвлений от основной линии; транспозиционные – для изменения порядка расположения проводов на опоре. Наряду с назначением (типом) конструкция опоры определяется количеством цепей ВЛ и взаимным расположением проводов (фаз). Опоры (и линии) выполняются в одно- или двухцепном варианте, при этом провода на опорах могут размещаться треугольником, горизонтально, обратной «елкой» и шестиугольником или «бочкой». Расположение проводов и тросов на опорах: а, б – треугольное; в – горизонтальное; г – обратной ёлкой; д – шестиугольное «бочкой» Несимметричное расположение фазных проводов по отношению друг к другу обусловливает неодинаковость индуктивностей и емкостей разных фаз. Для обеспечения симметрии трехфазной системы и выравнивания по фазам реактивных параметров на длинных линиях (более 100 км) напряжением 110 кВ и выше осуществляют перестановку (транспозицию) проводов в цепи с помощью соответствующих опор. Деревянные опоры изготавливают из сосны или лиственницы и применяют на линиях напряжением до 110 кВ в лесных районах, в настоящее время все меньше. Опоры просты в изготовлении, дешевы, удобны в транспортировке. Основной их недостаток – недолговечность из-за гниения древесины, несмотря на ее обработку антисептиком. Применение железобетонных пасынков (приставок) увеличивает срок службы опор до 20–25 лет. 1 - пасынки (приставки), 2 - стойки, 3 - траверсы, 4 – раскосы, 5 – ригели, 6 - подтраверсные брусья. а – промежуточная 0,38–10 кВ; б – промежуточная на 0,38–35 кВ; в – угловая промежуточная на 6–35 кВ; г – промежуточная на 35 кВ; д – промежуточная свободностоящая на 35–220 кВ. Железобетонные опоры применяются на линиях напряжением до 750 кВ. Железобетонные опоры долговечнее деревянных, просты в эксплуатации, дешевле металлических. Стойки выполняются методами вибрирования (СВ) и центрифугирования (СК, СЦ). а – промежуточная 6–10 кВ; б – угловая промежуточная на 6–35 кВ; в – анкерно-угловая одноцепная на оттяжках на 35–220 кВ; г – промежуточная двухцепная на 110– 220 кВ; д – промежуточная одноцепная портальная на 330–500 кВ Металлические (стальные) опоры применяют на линиях напряжением 35 кВ и выше. К основным элементам относятся стойки 1, траверсы 2, тросостойки 3, оттяжки 4 и фундамент 5. Они прочны и надежны, но достаточно металлоемкие, занимают большую площадь, требуют для установки сооружения специальных железобетонных фундаментов и в процессе эксплуатации должны окрашиваться для предохранения от коррозии. а – промежуточная одноцепная башенного типа на 35–330 кВ; б – промежуточная двухцепная башенного типа на 35–330 кВ; в – промежуточная одноцепная на оттяжках на 110–330 кВ; г – промежуточная портальная на оттяжках на 330–500 кВ; д – промежуточная свободностоящая (типа «рюмка») на 500–750 кВ; е – промежуточная на оттяжках типа «набла» на 750 кВ. Многогранная опора - опора со стойкой (стойками), выполненными в виде полых усечённых пирамид из стального листа с поперечным сечением в виде правильного многогранника. Провода воздушных линий. Провода предназначены для передачи электроэнергии. Наряду с хорошей электропроводностью (возможно меньшим электрическим сопротивлением), достаточной механической прочностью и устойчивостью против коррозии должны удовлетворять условиям экономичности. С этой целью применяют провода из наиболее дешевых металлов – алюминия, стали, специальных сплавов алюминия. Хотя медь обладает наибольшей проводимостью, медные провода из-за значительной стоимости и потребности для других целей в новых линиях не используются. Их использование допускается в контактных сетях, в сетях горных предприятий. На ВЛ высокого напряжения применяются преимущественно неизолированные (голые) провода. По конструктивному исполнению провода могут быть одно- и многопроволочными, полыми. Однопроволочные, преимущественно стальные провода, используются ограниченно в низковольтных сетях (в настоящее время практически не используются). Для придания гибкости и большей механической прочности провода изготавливают многопроволочными из одного металла (алюминия или стали) и из двух металлов (комбинированные) – алюминия и стали. Сталь в проводе увеличивает механическую прочность. Исходя из условий механической прочности, алюминиевые провода марок А и АКП применяют на ВЛ напряжением до 35 кВ. Воздушные линии 6–35 кВ могут также выполняться сталеалюминиевыми проводами, а выше 35 кВ линии монтируются исключительно сталеалюминиевыми проводами. Сталеалюминиевые провода имеют вокруг стального сердечника повивы из алюминиевых проволок. Площадь сечения стальной части обычно в 4–8 раз меньше алюминиевой, но сталь воспринимает около 30–40 % всей механической нагрузки; такие провода используются на линиях с длинными пролетами и на территориях с более тяжелыми климатическими условиями (с большей толщиной стенки гололеда). В марке сталеалюминиевых проводов указывается сечение алюминиевой и стальной части, например, АС 70/11, а также данные об антикоррозийной защите, например, АСКС, АСКП – такие же провода, как и АС, но с заполнителем сердечника (С) или всего провода (П) антикоррозийной смазкой; АСК – такой же провод, как и АС, но с сердечником, покрытым полиэтиленовой плёнкой. Провода с антикоррозийной защитой применяются в районах, где воздух загрязнен примесями, действующими разрушающе на алюминий и сталь. Площади сечения проводов нормированы Государственным стандартом. Повышение диаметров проводов при неизменности расходования проводникового материала может осуществляться применением проводов с наполнителем из диэлектрика и полых проводов. Такое использование снижает потери на коронирование. Полые провода используются главным образом для ошиновки распределительных устройств 220 кВ и выше. Провода из сплавов алюминия (АН – нетермообработанные, АЖ –термообработанные) имеют большую по сравнению с алюминиевыми механическую прочность и практически такую же электрическую проводимость. Они используются на ВЛ напряжением выше 1 кВ в районах с толщиной стенки гололеда до 20 мм. Нестандартные формы проволок токопроводящей части провода Неизолированные провода описываются ГОСТ 839-80. • М — провод, состоящий из одной или скрученный из нескольких медных проволок. • А — провод, состоящий из одной или скрученный из нескольких алюминиевых проволок • АС — провод, состоящий из сердечника, сплетённого из оцинкованных стальных проволок, и намотки алюминиевых проволок. Получил наибольшее распространение. Также встречается устаревшее обозначение, обозначающее провод марки АС с отношением алюминий/сталь — около 6, например — АС400=АС400/64. • ПСО и ПС — провода, изготовленные из стали, соответственно однопроволочный и многопроволочный. Провод ПСО — это проволока телеграфная ГОСТ 1668-73. • АСКС — провод марки АС, но межпроволочное пространство стального сердечника, включая его наружную поверхность, заполнено нейтральной смазкой повышенной нагревостойкости. • АСКП — провод марки АС, но межпроволочное пространство всего провода, за исключением наружной поверхности, заполнено нейтральной смазкой повышенной нагревостойкости. • АСУ — сталеалюминиевые провода с усиленным стальным сердечником (устаревшее, провод марки АС с отношением алюминий/сталь — около 4, например — АСУ400=АС400/93). • АСО — сталеалюминиевые провода с облегчённым стальным сердечником (устаревшее, провод марки АС с отношением алюминий/сталь — около 8, например — АСО400=АС400/51). • АСУС — сталеалюминиевые провода с особо усиленным стальным сердечником (устаревшее, провод марки АС с отношением алюминий/сталь — меньше 3, например АС70/72, АС95/141). •Изолированные провода (самонесущий изолированный провод, СИП) — провода для воздушных линий электропередачи, содержащие изолированные жилы и несущий элемент, предназначенный для крепления или подвески провода. •Защищённые провода — провода для воздушных линий электропередачи, поверх токопроводящей жилы которых наложена экструдированная полимерная защитная изоляция, исключающая короткое замыкание между проводами при схлёстывании и снижающая вероятность замыкания на землю. По ГОСТ 31946-2012 — «ПРОВОДА САМОНЕСУЩИЕ ИЗОЛИРОВАННЫЕ И ЗАЩИЩЕННЫЕ ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ»: Изоляция — из термопластичного светостабилизированного полиэтилена; Несущая жила — из алюминиевого сплава; СИП-1 — с неизолированной нулевой несущей жилой (в настоящее время практически не применяется; СИП-3 — с защитной изоляцией (6-35 кВ); СИП-2 — с изолированной нулевой несущей жилой (0,4 кВ); СИП-4 — без нулевой несущей жилы (только 16 и 25 мм2) Классификация проводов ВЛ по конструктивным признакам Обозначения марок проводов ВЛ и их расшифровка