Л1 – Структура энергетической системы

Общая энергетика. Введение в энергосистему.

ЛЕКЦИЯ №1 (11.02.15)

ТЕМА: «СТРУКТУРА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ»

Объединенную энергетическую систему(ОЭС) можно разделить на следующие основные подсистемы (рис. 1):

-Подсистема генерации (производства электроэнергии)

-Подсистема передачи (транзита) электроэнергии

-Подсистема распределения электроэнергии

-Подсистема потребления электроэнергии

Рисунок 1 – Упрощенная структура энергетической системы

Подсистема генерации (производства электроэнергии)

Она включает в себя генераторы и трансформаторы.

Генераторы.

Основными элементами энергетических систем являются трехфазные генераторы переменного тока, которые называют синхронными генераторами или альтернаторами. В синхронном генераторе два электромагнитных поля вращающихся синхронно: Одно поле создается ротором, вращающимся с синхронной скоростью, и возбуждается (наводится) постоянным током. Другое поле наводится трехфазным током в обмотках статора. Постоянный ток для обмоток ротора создается системой возбуждения. В генераторах старой конструкции, возбудитель представляет из себя генератор постоянного тока установленный на одном и том же валу, который возбуждает обмотки ротора через контактные кольца. В современных системах переменного тока, в которых используются генераторы переменного тока, используется вращающийся выпрямитель-возбудитель - бесщеточная система возбуждения. Система возбуждения устанавливает и поддерживает напряжение генератора и контролирует выработку реактивной мощности. Поскольку в генераторе переменного тока отсутствует коммутатор, то может вырабатывать большое количество электроэнергии на весьма высоком напряжении, около 30 кВ (киловольт).

Источником механической мощности, первичным двигателем, могут быть гидравлические турбины, паровые турбины, которые получают энергию от сжигаемого угля, газа, ядерного топлива, газовых турбин, или даже от дизельных двигателей внутреннего сгорания.

1

Структура энергетической системы

Роторы паровых турбин вращаются с достаточно высокой скоростью: 3600 об/мин 1800 об/мин. Ротор генератора с которым соединен ротор паровой турбины имеет цилиндрическую форму выполняется с двумя полюсами при скорости вращения ротора 3600 об/мин и с четырьмя полюсами при скорости вращения роторов 1800 об/мин. Гидравлические турбины обычно работают при низких давлениях воды, при этом ротор гидравлической турбины вращается с небольшой скоростью. Поэтому ротор генератора гидротурбины выполняются явнополюсным с большим количеством полюсов. На электрической станции для выработки необходимого количества электроэнергии обычно используют несколько генераторов, которые соединяют параллельно друг другу. Соединяют их в общей точке, которую называют шиной.

В целях защиты окружающей среды и сохранения ископаемого топлива для производства энергии применяют альтернативные источники энергии, использующие нескончаемые ресурсы солнца и земли. Вот только некоторые из этих ресурсов: энергия солнца, геотермальная энергия, ветровая энергия, энергия приливов и энергия биомассы.

Трансформаторы.

Трансформатор с очень высокой эффективностью преобразует мощность от одного уровня напряжения к другому. Мощность преобразованная от одного уровня напряжения к другому, назовем её вторичной мощностью, практически соответствует по значению первичной мощности, при этом вторичная мощность меньше первичной на величину потерь мощности в трансформаторе. Применяя повышающий трансформатор мы уменьшаем потери мощности в линии, при этом становится возможность передачи электрической мощности на дальнее расстояние.

Требования надежной электрической изоляции и другие конструктивные сложности ограничивают напряжение генераторов достаточно малым значением, порядка 30 кВ. Поэтому для передачи мощности применяют повышающий трансформатор. На принимающем конце линии электропередачи устанавливают понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до уровня удобного для распределения и потребления мощности. Электроэнергия в энергетической системе проходит через несколько трансформаторов (чаще всего четыре или пять трансформаторов) прежде чем поступит от генератора к потребителю.

Подсистема передачи (транзита) электроэнергии (Uн = 110 кВ -1150

кВ)

Сети воздушных линий электропередачи передают мощность (электроэнергию) от генерирующих установок в систему распределения, которая полностью обеспечивает нагрузку электрической энергией. Кроме того для экономичного распределения мощности в регионе при нормальных режимах работы линии электропередачи соединяют между собой соседние энергосистемы, а при аварийных ситуациях они передают мощность из одной энергосистемы в другую.

В России государственными стандартами (ГОСТ и РГОСТ) установлены номинальные уровни междуфазного напряжения воздушных линий электропередачи (ВЛ). В стандартах различают ВЛ напряжением до 1 кВ (ВЛ низкого класса напряжения), ВЛ напряжением выше 1 кВ. К ВЛ выше 1 кВ относятся ВЛ 1-35 кВ (ВЛ среднего класса напряжения), ВЛ 110-220 кВ (ВЛ высокого класса напряжения), ВЛ 330-750 кВ (ВЛ

2

Общая энергетика. Введение в энергосистему.

сверхвысокого класса напряжения) и ВЛ выше 750 кВ (ВЛ ультравысокого класса напряжения).

Линии высокого напряжения присоединяются к подстанциям, которые называют высоковольными подстанции или первичными подстанциями. Единственной функцией некоторых подстанций является подключение и отключение электрических сетей от энергосистемы, данные подстанции называются переключательными станциями, блокстанциями или переключательными постами. На высоковольтных подстанциях напряжение понижают до уровня, который будет более удобным для передаче мощности нагрузке. Очень большие промышленные потребители могут питаться напрямую от линий высокого напряжения. Для регулирования уровня напряжения на подстанциях часто устанавливают конденсаторные батареи и реакторы.

Подсистема распределения электроэнергии (Uн = 35 кВ -0,4 кВ)

Система распределения соединяет распределительные подстанции и электроустановки потребителей. Первичные распределительные линии имеют напряжение 35 кВ – 6 кВ и снабжают электроэнергией потребителей на сравнительно небольшой площади. Небольшие промышленные потребители могут питаться непосредственно от питающих фидеров первичных распределительных подстанций.

Вторичные распределительные подстанций понижают напряжение до уровня потребления электроэнергии электроустановками потребителей. Длина отдельной линии отходящей от вторичной подстанции к потребителю не может превышать нескольких километров. Вторичные распределительные подстанции питают потребителей на напряжении 240/120 В (однофазное, трех проводная); 208Y/120 В (трехфазная, четырехпроводная); или 480Y/277 В (трехфазная, четырехпроводная). Для электроснабжения бытовых потребителей напряжение на вторичной распределительной подстанции понижается до 240/120 В, при этом применяется четырехпроволдная линия.

В распределительной системе применяются воздушные и кабельные линии. В городах в основном используются кабельные подземные линии, а в поселках, селах и т.д. распределительные линии имеют воздушное исполнение.

Подсистема потребления электроэнергии

Нагрузка энергетических систем можно разделить на промышленную, коммерческую и бытовую нагрузку. Промышленные нагрузки – это составные нагрузки, основную часть которых составляют индукционные двигатели. Данные составные нагрузки зависят от напряжения и частоты в линиях электропередачи, и составляют основную часть нагрузки энергосистемы. Коммерческая и бытовая нагрузка составляет в основном освещение, обогевательные приборы. Данные нагрузки, в общем случае, не зависят от частоты питающего напряжения и потребляют небольшое количество реактивной мощности.

Величина нагрузки меняется в течении суток, и для нормальной работы нагрузки требуется чтобы энергосистема в любое время могла обеспечить достаточную электрическую мощность. Суммарная кривая суточной нагрузки энергосистемы зависит от состава потребителей подключенных к этой энергосистемы. Наибольшее значение нагрузки в течении суток (24 ч) называется пиковой нагрузкой или максимумом нагрузки. Для оценки эффективности работы электрической станции служит коэффициент загрузки. Коэффициент загрузки определяется как отношение средней нагрузки в определенно периоде времени к пиковой нагрузке в этом периоде времени. Коэффициент нагрузки

3

Структура энергетической системы

можно определить за сутки, месяц или год. Годовое значение коэффициента загрузки является наиболее полезным, поскольку год представляет собой весь период времени функционирования нагрузки.

Суточный коэффициент загрузки определяется следующим образом:

Умножив делимое и делитель в формуле (1.1) на число часов в сутках (24 ч.), мы получим:

В общем случае, между различными типами нагрузки существует некоторый временной разброс в максимальной мощности, что положительно сказывается на суммарном коэффициенте загрузки энергосистемы. Для того чтобы электрическая станция работала в наиболее экономичном режиме суммарный коэффициент загрузки энергосистемы должен иметь как можно большее значение (т.е. приближаться к 1). Обычно коэффициент загрузки энергосистемы колеблется впределах от 0,55 до 0,7. Одним из легавых инструментов обеспечения наибольшего значения коэффициента загрузки энергосистемы является прогнозирование величины нагрузки на всех уровнях эксплуатации, оперативного планирования и проектирования электроэнергетических систем. Для обеспечения условий бесперебойной эксплуатации и защиты энергосистем от аварий применяются специальные устройства защиты. Некоторые устройства защиты непосредственно подключаются к электрическим сетям образующим энергосистему. Данные устройства получили название – коммутационные аппараты. Они включают в себя измерительные трансформаторы, выключатели, разъединители, предохранители и устройства грозозащиты. Эти устройства необходимы для отключения участка участка энергосистемы как в нормальных режимах работы, так и в случае возникновения повреждений элементов энергосистемы. Вспомогательное оборудование контроля и устройства релейной защиты устанавливают в щитах и в ячейках распределительных устройств, которые устанавливают на территории подстанции на некотором отдалении от коммутационных аппаратов.

Для обеспечения надежной и экономически эффективной работы энергетической системы необходимо непрерывно отслеживать состояние всех её элементов, т.е. выполнять мониторинг элементов энергосистемы в реальном времени. Для этой цели созданы, так называемые, энергодиспетчерские пункты. Энергодиспетчерские пункты оборудуются вычислительной техникой (компьютером) который в режиме реального времени получает информацию с помощью системы удаленного сбора данных от датчиков установленных в элементах энергосистемы о их текущем состоянии (электростанций, подстанций, линий электропередачи). Данный компьютер является частью большой иерархической структуры, что позволяет координировать между собой отдельные элементы энергосистемы как в нормальных, так и в аварийных режимах работы. На каждом энергодиспетчерском пункте установлена консоль (панель управления), которая сотоит из устройства визуальной индикации (чаще всего это обычный монитор или несколько мониторов объединенных между собой в одну большую панель), клавиатурой и мышкой. Компьютер предупреждает и подает сигналы тревоги оператору (энергодиспетчеру), когда параметры работы элементов энергосистемы

4

Общая энергетика. Введение в энергосистему.

отклоняются от нормальных значений. Энергодиспетчер на основе анализа полученных данных принимает определенное решение о переключениях в энергосистемы и с помощью манипуляций на компьютере производит изменение параметров работы энергсистемы. Для более эффективной и надежной работы энергосистемы применяются различные программные комплексы и инструменты компьютерного моделирования. Также в дополнение к указанным устройствам применяют систему SCADA (аббр. от англ. supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) —программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления, в данном случае этим объектом является энергосистема.

5