- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. ЭНЕРГОСИСТЕМЫ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, ИХ ЭЛЕМЕНТЫ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ
- •1.1. Определение энергетической и электрической систем
- •1.2. Элементы энергосистем и их характеристика
- •1.3. Технологические особенности энергосистем
- •1.4. Преимущества объединения электростанций в энергосистему
- •1.5. Электроустановки. Номинальные данные установок
- •1.5.1. Номинальные напряжения
- •1.5.2. Номинальные мощности
- •1.5.3. Номинальный коэффициент мощности
- •1.6. Классификация электрических сетей энергосистем
- •Контрольные вопросы
- •2. СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (ЛЭП)
- •2.1. Параметры схемы замещения воздушной ЛЭП
- •2.2. Схемы замещения воздушной линии
- •2.3. Схемы замещения и параметры кабельных ЛЭП
- •Контрольные вопросы
- •3. СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ
- •3.1. Типы трансформаторов
- •3.2. Параметры и схема замещения двухобмоточного трансформатора
- •3.3. Параметры и схемы замещения трехобмоточных трансформаторов
- •3.4. Схема замещения и параметры автотрансформатора. Особенности автотрансформатора
- •Контрольные вопросы
- •4. ГРАФИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
- •4.1. Основные понятия о графиках нагрузок
- •4.2. Суточный график и его характеристики
- •4.3. Годовые графики и их характеристики
- •4.4. Назначение графиков нагрузки
- •4.5. Определение показателей суммарных нагрузок
- •4.6. Проблема покрытия суточного графика объединенной энергосистемы
- •Контрольные вопросы
- •5. ПОТЕРИ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
- •5.1. Потери мощности в участке сети
- •5.3. Потери мощности в трансформаторах
- •5.4. Потери энергии в элементах электрических сетей
- •5.5. Определение потерь электроэнергии по времени максимальных потерь
- •5.6. Особенности расчета потерь энергии в линиях электропередачи
- •5.7. Особенности определения потерь энергии в трансформаторах
- •5.8. Примеры решения задач по определению потерь электроэнергии
- •Контрольные вопросы
- •6. РАСЧЕТ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАЗОМКНУТЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
- •6.1. Векторные диаграммы токов и напряжений участка сети
- •6.2. Векторная диаграмма токов и напряжений разветвленной сети
- •6.3. Расчет установившегося режима разомкнутой электрической сети
- •Контрольные вопросы
- •7. ПРИМЕР РАСЧЕТА РАЗВЕТВЛЕННОЙ РАЗОМКНУТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
- •8. СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И ИСТОЧНИКОВ ПРИ РАСЧЕТАХ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ
- •8.1. Статические характеристики нагрузок
- •8.2. Представление нагрузок в расчетных схемах электрических сетей
- •8.3. Расчет режима электрической сети при задании нагрузок постоянными сопротивлениями
- •8.4. Особенности расчета режима сети при задании нагрузок статическими характеристиками
- •8.5. Представление источников питания при расчетах установившихся режимов
- •8.6. Пример выполнения расчета электрического режима разомкнутой электрической сети с учетом статических характеристик нагрузок
- •Контрольные вопросы
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •Оглавление
С. С. Ананичева А. Л. Мызин
СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ И УСТАНОВИВШИЕСЯ РЕЖИМЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
0
Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
С. С. Ананичева А. Л. Мызин
СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ И УСТАНОВИВШИЕСЯ РЕЖИМЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Допущено Учебно-методическим объединением в области энергетического и электротехнического образования в качестве учебного пособия
для студентов вузов по направлению
140200 — «Электроэнергетика»
Научный редактор доц., канд. техн. наук С.Н. Шелюг
Екатеринбург
УрФУ
2012
1
УДК 621.311 ББК 31.27 С 44
Рецензенты: кафедра АСЭС Свердловского инженерно-педагогического института; канд. техн. наук Л. И. Мардер (Институт теплофизики УрО АН СССР)
Авторы: С. С. Ананичева, А. Л. Мызин
С 44 Схемы замещения и установившиеся режимы электрических сетей:
учебное пособие / С. С. Ананичева, А. Л. Мызин; 6-е изд., испр. Екатеринбург: УрФУ. 2012. 80 с.
ISBN 5 321 00740 3
Рассмотрены основные вопросы, относящиеся к первой части дисциплины «Электрические системы и сети». Даны схемы замещения основных электрических сетей: линий электропередачи и трансформаторов и показано определение их параметров. Приведены способы представления графиков электрических нагрузок и определения потерь мощности и энергии в электрических сетях. Показаны методы расчета электрического режима разомкнутых электрических сетей. Все разделы снабжены контрольными вопросами и иллюстрациями. Приведены примеры расчетов.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по программе 140400.62 бака-
лавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника».
Библиогр. 5 назв. |
Рис. 55. |
Табл. 4. |
|
|
УДК 621.311 |
|
|
ББК 31.27 |
ISBN 5 321 00740 3 |
|
Уральский политехнический |
|
|
институт им. С.М.Кирова, 1990 |
|
|
Уральский государственный |
|
|
технический университет, 1998 |
|
|
Уральский государственный |
|
|
технический университет, 2000 |
|
|
Уральский государственный |
|
|
технический университет, 2001 |
|
|
Уральский государственный |
|
|
технический университет, 2009 |
|
|
УрФУ, 2012 |
2
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее пособие разработано авторами с учетом многолетнего опыта преподавания дисциплины «Электрические системы и сети» в УГТУ на кафедре «Автоматизированные электрические системы» и посвящено вопросам, изучаемым в первой части дисциплины.
Перестройка учебного процесса в сторону усиления роли самостоятельной работы требует разработки учебных пособий, включающих численные примеры, позволяющие детально разобраться в изучаемом материале самостоятельно,
иконтрольные вопросы для самопроверки. Пособие отвечает перечисленным требованиям и поэтому может быть использовано студентами как дневного, так
изаочного обучения.
Для хорошего освоения материала данного пособия требуются знания разделов ранее изучаемых дисциплин: теоретические основы электротехники, электрические машины, высшая математика, физика. В процессе изучения дисциплины студенты должны получить практику в решении задач и выполнить цикл лабораторных работ.
1.ЭНЕРГОСИСТЕМЫ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, ИХ ЭЛЕМЕНТЫ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ
1.1. Определение энергетической и электрической систем
Согласно ПУЭ, I.2 2, «энергетической системой называется совокупность электростанций, линий электропередачи, подстанций и тепловых сетей, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии» .
Согласно ПУЭ, I.2 3, «электрической системой называется часть энергосистемы, состоящая из генераторов, распределительных устройств, сетей ... и электроприемников»**.
Полный технологический цикл энергосистемы (рис. 1.1) включает добычу, транспортировку на склад и приготовление топлива, сжигание его в котле — преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию пара. Пар вращает турбину, тепловая энергия переходит в механическую, которая приводит в движение генератор. В статорной обмотке генератора возникает электрический ток за счет вращающегося магнитного поля ротора. После генератора электрическая мощность поступает в трансформатор, где происходит преобразование ее параметров.
Все элементы технологической схемы производства электроэнергии являются элементами энергосистемы. Элементы технологической схемы делятся на два вида: передающие — транспортер, паропровод, вал, линия электропередачи; преобразующие — котел, турбина, генератор, трансформатор.
Правила устройства электроустановок, 9-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1997.
**Внимательно прочитать I.1 3, I.2 1—I.2-11, II.5 2, IV.2 4 — IV.2 11 ПУЭ, содержащие определения основных элементов энергосистем.
3
Электроэнергетическая
система
Топливная |
|
Котел |
|
Турбина |
|
Генератор |
|
Трансфор- |
база |
|
|
|
|
матор |
|||
|
|
|
|
|
|
|
ЛЭП ЛЭП
Потреби- |
|
Трансфор- |
|
|
|
тели тепла |
|
матор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Потребители
Рис. 1.1. Технологическая схема производства и распределения электроэнергии
1.2. Элементы энергосистем и их характеристика
Электростанция — элемент энергосистемы, предназначенный для преобразования химической энергии топлива в тепловую и электрическую, состоит из топливного склада, котельного и турбинного агрегатов, генератора и распределительных устройств. На электростанции имеется большое хозяйство собственных нужд, служащее для обеспечения нормального технологического цикла.
По особенностям технологического процесса производства электроэнергии и используемым видам топлива электростанции подразделяются на конденсационные (КЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), атомные (АЭС), гидростанции (ГЭС), гидроаккумулирующие (ГАЭС), газотурбинные (ГТС).
К КЭС обычно относятся электростанции, потребляющие органическое топливо (уголь, газ, мазут, торф, сланец), турбины которых работают по конденсационному циклу, когда практически весь пар, вырабатываемый парогенератором, конденсируется и его энергия преобразуется в механическую энергию вала турбины, а затем и в электрическую.
На ТЭЦ значительная часть тепловой энергии передается по трубам потребителям и используется непосредственно в технологических процессах. И лишь часть тепловой энергии преобразуется в электрическую. На ТЭЦ для этого устанавливают турбоагрегаты двух типов: теплофикационные и противодавления.
АЭС используют энергию ядерного горючего, также преобразующегося в тепловую энергию пара. АЭС могут использоваться как КЭС и как ТЭЦ, соответственно они обозначаются АКЭС и АТЭЦ.
ГАЭС предназначены для выравнивания графика нагрузки энергосистемы (рис. 1.2). По принципу работы они являются такими ГЭС, которые днем, в часы максимального электропотребления системы, генерируют электрическую энергию за счет сработки воды в водохранилище, а ночью, в часы минимума электропотребления, работают как потребители электрической энергии — насо-
4
сы, закачивающие воду обратно в водохра- |
p |
1 |
|
нилище. За счет этого снижается величина |
|
|
|
|
|
|
|
необходимой установленной генерирующей |
|
|
|
мощности в ЭЭС, а также улучшаются ус- |
|
2 |
|
ловия использования других электростан- |
|
|
|
ций, особенно АЭС, не допускающих рез- |
|
|
|
ких изменений своей загрузки. |
|
|
|
ГТС с помощью газовых турбин непо- |
|
|
t,ч |
средственно преобразуют энергию сгорания |
|
0 |
24 |
газообразного топлива в механическую и |
Рис. 1.2. График нагрузки энергосистемы |
||
затем электрическую энергию. Изготавли- |
|
без ГАЭС (1) и с ГАЭС (2) |
|
ваются также парогазовые установки (ПГУ), |
|
|
|
работающие по смешанному циклу. |
|
|
|
Разнообразны так называемые нетрадиционные типы электрогенерирую- |
|||
щих станций. К ним относятся электростанции с магнитогидродинамическими |
|||
(МГД) генераторами, приливные электростанции (ПЭС), ветровые, гелиоуста- |
|||
новки и т. д. Как в настоящее время, так и в обозримом будущем эти типы элек- |
|||
тростанций не будут иметь существенной роли в энергобалансе страны. |
|
||
Подстанция (ПУЭ, IV.2 5) — электроустановка, служащая для преобразо- |
|||
вания и распределения электроэнергии и состоящая из трансформаторов, рас- |
|||
пределительных устройств, аккумуляторных батарей, устройств управления и |
|||
собственных нужд. |
|
|
|
Распределительным пунктом называется (ПУЭ, IV.2 11) устройство, предназначенное для распределения электроэнергии на одном напряжении без преобразования и трансформации.
Воздушной линией электропередачи (ЛЭП) называется устройство для передачи и распределения электроэнергии на большие расстояния по проводам, расположенным на открытом воздухе.
Объединение элементов в единую схему, работающую синхронно в общем режиме, образует энергосистему.
1.3. Технологические особенности энергосистем
Основные особенности энергосистем следующие.
Электроэнергия практически не аккумулируется. Производство, преобразование, распределение и потребление происходят одновременно и практически мгновенно. Поэтому все элементы энергосистемы взаимосвязаны единством режима. В энергосистеме в каждый момент времени установившегося режима сохраняется баланс по активной и реактивной мощности. Невозможно произвести электроэнергию не имея потребителя –– сколько выработано электроэнергии в данный момент, столько ее и отдано потребителю за вычетом потерь. Ремонты, аварии и т. д. приводят к снижению количества электроэнергии, выдаваемой потребителю (при отсутствии резерва), и, как следствие, к недоиспользованию установленного оборудования энергосистемы.
Относительная быстрота протекания процессов (переходных): волновые процессы — (10–3–10–6) с, отключения и включения — 10–1 с, короткие замыка-
5