Электроэнергетические системы и электрические сети

Введение

ЛЕКЦИЯ 1

Электрическая энергия является наиболее удобным и универсальным видом энергии. Она легко преобразуется в механическую, тепловую и световую энергию и потому стала основой развития промышленности и транспорта.

Железнодорожный транспорт является одним из основных потребителей электроэнергии, главным образом – электрифицированные дороги.

Электроснабжение железных дорог осуществляется с помощью высоковольтных сетей трехфазного переменного тока от электриче­ских систем, объединяющих мощные электростанции и обеспечи­вающих электрической энергией практически всех потребителей народного хозяйства.

На электровозах в качестве тяговых применяют электродвига­тели постоянного тока, так как они имеют благоприятные электро­механические характеристики и частота их вращения легко регу­лируется в широком диапазоне. Именно поэтому получаемая от энергосистем электроэнергия преобразуется с напряжения пере­менного на напряжение постоянного тока. В некоторых случаях такое преобразование выполняется на подстанциях, осуществляю­щих питание тяговых сетей на постоянном токе напряжением 3 кВ (дороги постоянного тока). С 1956 г. получила распространение система электрификации железных дорог на переменном токе на­пряжением 25 кВ, при этом преобразование переменного тока в постоянный выполняется на электровозах.

Производство электрической энергии в основном сосредоточено на тепловых и гидравлических, а также на атомных электростан­циях (АЭС). Крупные конденсационные электрические станции (КЭС) и гидростанции (ГЭС) располагают возле мест добычи топ­лива или в удобных створах рек, как правило, удаленных от цент­ров потребления энергии. Передача больших мощностей от таких электростанций в районы потребления осуществляется по линиям передачи трехфазного тока высокого напряжения: 110—1150 кВ.

Значительно меньше электрической энергии вырабатывается на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), размещаемых на территории про­мышленных предприятий или в районах городских жилищных ис­сивов, которые являются крупными потребителями тепла. Доля электроэнергии, вырабатываемой мелкими электрическими стан­циями с локомобилями, дизелями или паровыми турбинами малой мощности, в общем количестве энергии, производимой в стране. Очень мала ввиду их крайней неэкономичности. Применяя выраже­ние «производство» или «выработка энергии» для электростанций. Следует иметь в виду, что на электростанциях осуществляется лишь.процесс преобразования энергии сжигаемого топлива или падаю­щей воды в электрическую энергию.

Большинство районных тепловых станций и гидростанций, как и теплоэлектроцентралей, связывают линиями передачи, преду­сматривая повышающие и понижающие подстанции для совмест­ной (параллельной) работы их на общую нагрузку. Совокупность нескольких электрических станций, объединенных под единым хо­зяйственным и техническим руководством с целью совместного непрерывного производства и распределения между потребителями электрической и тепловой энергии, составляет энергетическую си­стему (энергосистему).

Электрическую часть энергосистемы, состоящую из генераторов распределительных устройств электростанций, повышающих и понижающих подстанций, воздушных и кабельных линий передачи различных напряжений и электроприемников разных типов, называют электрической системой.

Устройства для передачи и распределения электрической энер­гии состоят из подстанций и линий передачи и называются электрических сетями. Отсюда видно, что в состав последних входят не только линии различных конструкций и напряжений, но и все электрическое оборудование подстанций — силовые трансформато­ры, выключатели, разъединители, устройства защиты и автомати­и, контрольно-измерительные приборы и т. п. Совокупность повышающей подстанции, линии передачи и по­нижающей подстанции называют электропередачей. В современ­ных условиях такие отдельные электропередачи, не связанные с другими частями электрической системы, практически не встреча­ются.

Электрическая энергия подводится к потребителям с помощью питающих и распределительных сетей различных напряжений. В СССР построены и успешно функционируют мощные электропе­редачи трехфазного тока напряжением до 1150 кВ включительно Намечено сооружение линии постоянного тока 1500 кВ.

Пример схемы электрической системы представлен на рис. 1.1.

Мощная гидроэлектрическая станция 1 расположена далеко от центров потребления энергии. Поэтому энергия вырабатываемая генераторами при напряжении 20 кВ, трансформируется на напря­жение 500 кВ и при этом напряжении передается на подстанцию 2. На подстанции с помощью понижающих автотрансформаторов она преобразуется на напряжение 220 кВ. Одна из линий передачи напряжением 220 кВ передает энергию на мощную районную под­станцию 8, где с помощью автотрансформаторов (или трансформа­торов) напряжение снижается до 110 кВ и подается в замкнутую кольцевую сеть. В эту же сеть энергия поступает еще от районной конденсационной электростанции 6 и теплоэлектроцентрали 5. По питаемой с двух сторон линии передачи 110 кВ энергия подводится к трем тяговым подстанциям 4.

Тяговые подстанции оборудованы трехобмоточными трансфор­маторами 115/38,5/27,5 кВ или 115/27,5/11 кВ. Обмотка 27,5 кВ предназначена для питания тяговых сетей переменного тока 25 кВ, а вторичная обмотка на 38,5 или 11 кВ — для электроснабжения нагрузок, расположенных невдалеке от железной дороги, промыш­ленных предприятий, ремонтных заводов, железнодорожных узлов, предприятий местной промышленности и сельскохозяйственных по­требителей — так называемых нетяговых потребителей. Мелкие железнодорожные линейные потребители, не относящиеся к элек­трической тяге (приборы освещения путевых будок, платформ, разъездов, жилых и культурно-бытовых зданий), обычно получают энергию от специальных линий продольного электроснабжения, прокладываемых на опорах контактной сети. К кольцевой линии 110 кВ присоединены также понижающие трансформаторные под­станции 7, осуществляющие электроснабжение промышленных предприятий и городов, расположенных в районе действия рас­сматриваемой части электрической системы.

Итак, в современной системе прежде, чем электрическая энер­гия достигнет потребителя, осуществляется три, четыре и даже пять ее трансформаций. Часть электроприемников может получать питание непосредственно от шин генераторного напряжения станции.

Электроснабжение электрифицированных железных дорог осу­ществляется от электроэнергетических систем через тяговые под­станции, причем, кроме устройств электрической тяги, от тяговых подстанций получают питание еще и нетяговые железнодорожные потребители: ремонтные заводы и депо, мастерские, подъемно-транспортные механизмы, устройства водоснабжения железнодо­рожных станций, дорожно-путевой инструмент, внутреннее и на­ружное освещение станционных путей, пассажирских зданий и жилищно-бытовых помещений железнодорожных поселков. От тех же источников зачастую электрическая энергия подается на мелкие и средние предприятия местной промышленности, к сельскохозяйст­венным потребителям, в небольшие поселки.

При электрификации железных дорог отпадает необходимость в работе тепловых электростанций малой мощности, имеющих низ­кий к. п. Д., ранее применявшихся для питания электрических на­грузок железнодорожных станций и других нетяговых потребите­лей электрической энергии. Одновременно в связи с прекращением выброса продуктов сгораний топлива улучшаются экологические условия в окружающем районе.

Классификация электрических сетей. Категории электроприемников

Электрические сети можно классифицировать по ряду при­знаков.

По напряжению различают сети до 1000 В и выше 1000 В.

По роду тока их делят на сети постоянного и переменного тока. Последние выполняют либо как трехфазные трех- или четырех- проводные, либо в виде одно- или двухфазных ответвлений от четы­рехпроводных сетей. Тяговые сети электрифицированных железных дорог переменного тока являются однофазными.

По назначению различают сети питающие и распределитель­ные.

Питающие сети связывают отдельные электростанции и район­ные подстанции. В последнем случае такие сети часто называют районными; они содержат линии электропередачи и подстанция напряжением 110 кВ и выше. Сети так называемого сверхвысокого напряжения (330 кВ и выше) чаще всего применяют для обмена энергией между крупными электрическими системами по линиям межсистемных связей.

Распределительные сети предназначены для питания трансфор­маторных подстанций, отдельных электроприемников (двигателей, светильников) или их групп. Участки питающих и распределитель­ных сетей показаны на рис. 1.1. В тех случаях, когда распредели­тельная линия питает отдельную подстанцию и не имеет промежу­точных ответвлений, ее относят к питающей.

Иногда еще применяют термин местные сети. Имея в виду сети, обслуживающие небольшие и средние промышленные предприя­тия, городские, сельскохозяйственные и тяговые нагрузки город­ских железных дорог и метрополитена. Для питания местных сетей используют напряжения, как правило, до 35 кВ. Однако рост мощ­ностей, потребляемых промышленными предприятиями, городами и электрической тягой, привел к необходимости применения глубо­кого ввода (см. с. 100) линий 110 и 220 кВ для питания этих потре­бителей и совмещения их главных понижающих или распредели­тельных подстанций с районными. Поэтому термин «местная сеть» утратил свое значение и применяется редко.

По конфигурации и схеме присоединения потребителей разли чают разомкнутые и замкнутые сети.

К разомкнутым относят сети, получающие питание с одной стороны. Такие сети могут быть радиальными (рис. 1.2, а) и магистральными (рис. 1.2,б). Нетрудно видеть, что на магистральные схемы питания меньше затрачивается цветного металла и комму­тационной аппаратуры и поэтому они дешевле радиальных.

Однако при обычном конструктивном исполнении они менее надежны, по­тому что авария на головном участке выводит из работы все элек­троприемники, получающие питание от данной магистрали, в то время как при повреждении радиальной линии лишается питания лишь один потребитель. Вместе с тем магистральные сети, выпол­ненные шинопроводами, обеспечивают высокую надежность. При меняют как радиальные, так и магистральные сети.

Характерной особенностью замкнутых сетей является то, что питание любого потребителя может быть осуществлено с двух сторон линии, к которой он присоединен (рис. 1.2, в). Их применя­ют в тех случаях, когда одна сеть связывает два или несколько источников питания (районные сети, тяговые сети электрифицированных железных дорог, городские сети). Кольцевые сети также относятся к замкнутым (рис. 1.2, г). Расчет замкнутых сетей более сложен, чем разомкнутых. Для замкнутых сетей требуются более сложная защита и большие денежные затраты.

По конструктивному исполнению различают линии, выполнен­ные проводами и кабелями. Как те, так и другие могут быть проло­жены на открытом воздухе или внутри зданий. В первом случае провода укрепляют на опорах воздушных линий с помощью изоля­торов и линейной арматуры, во втором — прокладывают по стенам внутри зданий или в трубах. В зависимости от назначения кабель­ные линии прокладывают в воздухе (по стенам зданий, в кабель­ных каналах и тоннелях), в земляных траншеях, под водой (по дну каналов, рек и озер).

По требованиям к надежности электроснабжения Правила устройства электроустановок (ПУЭ, § 1.2.27) делят электроприем­ис на три категории.

Первая категория — электроприемники, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для- жизни людей, привести к значительному ущербу для народного хозяйства, к повреждению дорогостоящего основного оборудования, массово­му браку продукции, к расстройству сложного технологического процесса, нарушению функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Такие электроприемники должны получать питание от двух не­зависимых источников, для них перерыв в электроснабжении допу­скается лишь на время автоматического включения резервного пи­тания. В качестве независимых источников питания могут исполь­зоваться разные секции шин районных и тяговых подстанций. По указанным причинам на подстанциях, питающих потребителей пер­вой категории, в том числе и тяговые, следует устанавливать не ме­нее двух трансформаторов и подавать электроэнергию на эти под­станции по двум вводам.

Неправильное функционирование или отказ в работе устройств сигнализации и автоблокировки железнодорожного транспорта мо­ис привести к аварийной ситуации, создать угрозу жизни людей. Согласно ПУЭ эти установки относятся к особой группе первой и­тегории электроприемников и для них необходимо предусматри­вать дополнительный, независимый источник питания.

Вторая категория— электроприемники, перерыв в электроснаб­жении которых приводит к массовому недоотпуску продукции, ис­совым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспор­та, к нарушению нормальной деятельности значительного количест­ва городских и сельских жителей.

Для этой категории потребителей допускается перерыв в элек­троснабжении на время, необходимое для включения резервного питания дежурным персоналом или выездной бригадой. Допускает­ся питание к ним подводить по одноцепной воздушной линии на­пряжением 6 кВ и выше или по одной кабельной линии, но рас­щеплённой на два кабеля, каждый из которых присоединен через отдельный разъединитель. Подстанции, питающие такие потреби­тели, могут быть оборудованы одним трансформатором при усло­вии наличия складского резерва. Потребителями второй категории являются локомотивные и вагонные депо, железнодорожные посел­и, большинство нетяговых потребителей, получающих питание от тяговых подстанций.

Третья категория — менее ответственные электроприемники, не подходящие под первую и вторую категории. Перерыв питания для этой группы установок не должен превышать одних суток.

Степень целесообразного резервирования потребителей второй, а иногда и третьей категории устанавливают технико-экономиче­ским расчетом, сравнивая затраты на резервирование с возможным ущербом от недовыработки продукции или недоотпуска электроэнергии.

Дата добавления: 2014-01-05