Глава 1. Электроснабжение

1. Общие сведения о системах электроснабжения [1]

В федеральных сетях электроэнергия передается по высоковольтным линиям в виде трехфазных систем переменного тока с частотой 50 Гц (в Европе). Высокое напряжение применяется с целью минимизации потерь при передаче. В зависимости от используемого оборудования, при входе на объект потребителя или вблизи конкретной установки осуществляется понижение напряжения. Как правило, напряжение для промышленных потребителей понижается до 400 В, а для домохозяйств, офисов и т.п. – 220 В.

Качество электроснабжения и условия использования энергии зависят от различных факторов, включая сопротивление электрических сетей, а также влияние некоторых видов оборудования на характеристики энергоснабжения. В энергетических системах крайне желательны стабильность напряжения, а также отсутствие искажений формы волн.

Жилые районы городов и промышленные предприятия обеспечиваются электроэнергией от систем электроснабжения, включающих в себя электрические станции, преобразовательные подстанции, питающие и связывающие их линии электропередачи. В качестве источников электрической энергии обычно используются электрические станции, вырабатывающие переменный трехфазный ток. Выработка электроэнергии в виде трехфазного переменного тока позволяет экономить электротехнические материалы трансформаторов и соединительных проводов. С помощью электрических сетей, включающих в себя пункты преобразования и распределения, подводится электроэнергия к потребителям через воздушные и кабельные линии электропередачи. Обязательной особенностью электроэнергетических систем является необходимость поддерживать постоянный баланс выработки и потребления электрической энергии. Со стороны потребителя основным требованием к электрическим системам является обеспечение потребной мощности, техническая надежность и высокая эффективность энергообеспечения при выполнении нормативов качества электрической энергии.

Современные энергетические системы в СССР были построены на основании следующих предпосылок.

Одиночные электростанции не могут обеспечить непрерывную и бесперебойную подачу электроэнергии потребителям. Объединение электрических станций, покрывающих нагрузку, в энергосистемы способствует обеспечению устойчивости электроснабжения, поддержанию постоянства напряжения и частоты переменного тока при изменении потребления мощности и общего числа потребителей. Надежность электроснабжения потребителей обеспечивается благодаря созданию электрических схем, в которых электрические нагрузки могут покрываться от различных источников.

В условиях плановой экономики такие энергосистемы себя в основном оправдывали. Но в условиях рыночных отношений этот принцип не обеспечивает необходимую надежность. Пример тому масштабные сбои электроснабжения в Подмосковье в 2010 году.

Потребители электроэнергии — это предприятия, организации, территориально обособленные цеха, строительные площадки, квартиры, у которых приемники электроэнергии подключены к электрической сети. Приемником электроэнергии (электроприемником) называют устройство, в котором происходит преобразование электрической энергии в другой вид энергии в целях ее использования [2].

Потребители электроэнергии по надежности их электрообеспечения делятся на три категории. К первой категории относятся потребители, которые допускают перерывы в питании в пределах долей секунды. Ими являются потребители, от непрерывной работы которых зависит жизнь людей: лечебные учреждения; телефонные станции; устройства противопожарной, охранной сигнализации; системы аварийного освещения крупных магазинов, зрелищных и спортивных учреждений; лифты общественных зданий; водопроводные и канализационные системы; городской электрический транспорт; сети уличного освещения с суммарной нагрузкой до 10000 кВ∙А. К этой же категории потребителей следует отнести предприятия с непрерывным производственным процессом, остановка которых может привести к опасной для жизни людей ситуации, экологически неблагоприятным последствиям, существенным экономическим убыткам, повреждению дорогостоящего оборудования, нарушению функционирования особо важных объектов коммунального хозяйства. Время перерывов в электроснабжении определяется временем включения другого независимого источника энергии с помощью систем аварийного включения резерва.

Потребители второй категории допускают перерывы в электропитании на время, необходимое для включения резервных линий дежурным персоналом. К этой категории потребителей относятся электроприемники, перерыв в электроснабжении которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению жизнедеятельности городских и сельских жителей. В эту же категорию входят жилые дома, общежития, где установлены электроплиты, административно-общественные здания, детские учреждения, предприятия общественного питания, коммунальные предприятия (химчистки, прачечные, бани и т.п.), магазины.

К третьей категории относятся потребители, которые не входят в первую и вторую категории.

В электроэнергетической системе распределение и передача энергии от источников к потребителям осуществляется с помощью электрических сетей. Они включают в себя трансформаторные и преобразовательные подстанции, распределительные устройства и воздушные или кабельные линии электропередачи (ЛЭП). Передачу энергии обычно осуществляют с повышением напряжения ЛЭП и его последующим понижением у потребителя с помощью трансформаторов.

Простейшие системы передачи электрической энергии представлены на рис. 1.1 [3]. В случае системы с повышением и понижением напряжения (рис.1.1, б) от генератора Г электрическая энергия напряжением U₁ подается на повышающий трансформатор Т₁. Транспортировка электрической энергии осуществляется по линии электропередачи с активным сопротивлением R при напряжении U₂. Трансформатор Т₂ понижает напряжение до уровня U₃, необходимого потребителю с нагрузкой R_н.

Рис. 1.1. Системы передачи электроэнергии:

а — без повышения напряжения;

б — с повышением и понижением напряжения на трансформаторах [3]

Для этой системы полезная нагрузка Р_пол = U /R_н, обусловленная сопротивлением потребителя R_н, остается постоянной. Покажем эффективность передачи электрической энергии при напряжениях U₁. и U₂.

Полезная мощность, передаваемая источником потребителю в схемах, представленных на рис. 1.1, а и б, составляет Р_пол = U₁ I₁ = U₂I₂. Потери энергии при напряжениях U₁. и U₂. различаются и составляют: ΔР₁ = IR и ΔР₂ = IR. Отношение потерь будет определяться как

ΔР1/ ΔР2 = IR/IR = I/ I

(1.1)

или с учетом закона Ома

ΔР1/ ΔР2 = U/U.

(1.2)

Таким образом, отношение потерь при передаче электроэнергии с увеличением напряжения от U₁ до U₂ уменьшается пропорционально отношению напряжений во второй степени при соблюдении постоянного значения R.

Принято, что рациональное и надежное энергообеспечение можно реализовать путем формирования электрических сетей с возможностью резервирования. Уменьшения потерь и реализации высокой пропускной способности линий связи с электростанциями добиваются использованием глубоких вводов высокого напряжения и формированием в пределах города или в непосредственной близости от него кольцевых сетей высокого напряжения. Глубоким вводом называют систему электроснабжения, включающую в себя питающую линию высокого напряжения и понижающую подстанцию. Эта система обеспечивает передачу значительной мощности вглубь территории крупного города или крупного промышленного предприятия.

Электрические сети высокого напряжения кольцевой конфигурации выполняют роль сборных шин для приема электроэнергии от удаленных электростанций и для присоединения городских источников электроэнергии и понижающих подстанций города. В этом случае для глубоких вводов характерно напряжение 110—500 кВ, для распределительных пунктов используются воздушные и кабельные линии напряжением 35—220 кВ. На территории предприятий подводы к крупным потребителям выполняют в виде кабельных или воздушных распределительных линий напряжением 0,4 и 10 (6) кВ. У потребителей применяют электрические линии внутренних сетей напряжением 0,4 кВ.

На рис. 1.2 приведена обобщенная схема электроснабжения города.

Рис. 1.2. Обобщенная схема электроснабжения города:

КЛ — кабельная линия; ЛЭП — линия электропередачи; КЭС — конденсационная электростанция; ТЭЦ — теплоэлектроцентраль; АЭС — атомная электростанция; ЕЭС — единая энергетическая система; РП — распределительный пункт; ГП — городская подстанция; Т_пв — повышающий трансформатор; Т_пн — понижающий трансформатор

Городские электрические сети включают в себя подстанции и распределительные устройства, схемы которых представлены на рис. 1.3, 1.4. Обеспечение потребителей электроэнергией происходит с резервированием, т.е. электротехническое оборудование дублируется в целях сохранения электропитания в аварийных ситуациях и при проведении ремонтных работ. Резервирование по питанию от линий электропередачи Л₁, Л₂ (рис. 1.3) осуществляется с помощью использования разъединителей Р₃, Р₄, выключателей В₃, В₄ и двух понижающих трансформаторов Т₁, Т₂. Потребители могут быть подключены к разным системам шин через выключатели и разъединители.

Электроснабжение отдельных районов города обычно осуществляется с помощью разветвленных распределительных сетей напряжением 6 или 10 кВ. Эти сети высокого напряжения обеспечивают, в основном, гибкость и надежность электроснабжения в городе. Отдельные потребители получают электроэнергию через распределительные пункты, где также предусмотрена возможность их подключения к различным источникам (рис. 1.4). Комбинацией выключателей В и разъединителей Р добиваются надежного обеспечения электроэнергией потребителей со стороны выключателей В₁—В₂. Выключатели В₅—В₇ обеспечивают переключение систем шин А и Б и создают возможность срабатывания устройств автоматического включения резерва, подключая вводы 1 и 2 к потребителям электроэнергии.

Рис. 1.3. Однолинейная электрическая схема понижающей подстанции

Рис. 1.4. Однолинейная схема распределительного устройства РУ 10 (6) кВ

Схема автоматизированной распределительной подстанции с резервированием линий и трансформаторов при подключении потребителей сетей напряжением 0,4 кВ представлена на рис. 1.5. На двухтрансформаторных подстанциях с автоматическим включением резерва на стороне 0,4 кВ обеспечивается надежное питание потребителей при повреждении линий электропередачи или трансформаторов, а также при проведении плановых ремонтов оборудования.

Но все эти схемы электроснабжения создавались, когда не было существующего сегодня уровня использования самых разнообразных электронных устройств и систем, которые следует относить к потребителям электроэнергии первой категории.

Вызвано это тем, что отключение питания этого оборудования приводит к большим потерям, сбоям в работе самых различных устройств. Кроме того, электронные устройства (компьютеры и др.) способствуют искажению синусоидальной формы волн напряжения и/или тока.

Рис. 1.5. Автоматизированная распределительная подстанция 10 (6)/0,4 кВ:

Р — разъединители. В — выключатели; П — предохранители; Л — линии электропередачи; АВР — устройства автоматического включения резерва; Т — трансформаторы