Электроэнергетические системы

Современное электроснабжение промышленных, коммунальных и любых иных потребителей электроэнергии производится от тепловых и гидравлических электростанций, вырабатывающих электроэнергию. Электростанции могут находиться вблизи потребителей и, наоборот, могут быть удалены от них на значительные расстояния. И в том, и в другом случае передача электроэнергии от электростанции к потребителю осуществляется по электрическим линиям. Однако, когда потребители удалены от электростанции, передачу электроэнергии приходится осуществлять при повышенном напряжении. Тогда между электростанцией и потребителями необходимо сооружать повышающие и понижающие подстанции.

Часто источники энергии (бассейны топлива, водные бассейны) расположены на значительном расстоянии от крупных заводов, населенных пунктов и других центров потребления. Передача топлива может быть произведена по газопроводам и нефтепроводам, перевозка высококачественных углей — по железным дорогам. Передача тепловой энергии возможна по специальным трубопроводам. Но во многих случаях перевозка топлива, например угля, может быть нерентабельной; более выгодными оказываются сооружение электростанций вблизи бассейна топлива и передача электроэнергии по линиям сети. Это особенно существенно в условиях России, где большая часть наиболее экономичных топливно-энергетических ресурсов находится в азиатской части страны, а основная часть потребителей электроэнергии в настоящее время сосредоточена в центральной части, на юге, западе и Урале. В связи с этим возникает необходимость переброски на большие расстояния значительных потоков электроэнергии. Это требует строительства мощных линий электропередачи высокого напряжения.

В этом отношении исключение могут представлять лишь отдельные промышленные электростанции небольшой мощности либо теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Последние располагаются вблизи потребителей, так как передача пара и горячей воды может быть осуществлена на расстояние не более нескольких километров.

Электростанции при помощи электрических линий (через подстанции) связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку. Такая совокупность электростанций, подстанций и приемников электро­энергии, связанных между собой линиями электропередачи, называется энергетической системой.

При этом получаются существенные технико-экономические преимущества:

· 1. Возможность увеличения единичной мощности генераторов и электростанции. Это снижает стоимость 1 кВт установленной мощности, позволяет резко повысить производительность электромашиностроительных заводов при тех же производственных площадях и трудозатратах.

· 2. Значительное повышение надежности электроснабжения потребителей.

· 3. Повышение экономичности работы различных типов электростанций, при этом обеспечиваются наиболее эффективное использование мощности ГЭС и более экономичные режимы работы ТЭС;

· 4. Снижение необходимой резервной мощности на электростанциях.

В соответствии с действующими «Правилами устройства электроустановок»:

· энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом;

· электроэнергетической системой (ЭЭС) называется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электроэнергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии.

Преимущества электроэнергетических систем столь велики, что в 1974 г. лишь менее 3 % всего количества электроэнергии было выработано отдельно работавшими электростанциями. Мощность электроэнергетических систем непрерывно возрастает. Из районных электроэнергетических систем создаются мощные объединенные энергосистемы.

Энергетическое производство, и в особенности производство электроэнергии, обладает рядом особенностей, резко отличающих энергетическое производство от других отраслей промышленности. Первая и важнейшая особенность электроэнергетической системы заключается в том, что производство электроэнергии, ее распределение и преобразование в другие виды энергии осуществляются практически в один и тот же момент времени. Другими словами, электроэнергия нигде не аккумулируется. Именно эта особенность превращает всю сложную электроэнергетическую систему, отдельные звенья которой могут быть географически удалены на многие сотни километров, в единый механизм, и приводит к тому, что все элементы системы взаимно связаны и взаимодействуют. Энергия, произведенная в системе, равна энергии, потребленной в ней. Это равенство справедливо для любого короткого промежутка времени, т.е. между мощностями энергосистемы имеется точный баланс.

Таким образом, одновременность процессов производства, распределения и преобразования электроэнергии превращает электроэнергетическую систему в единое целое.

Вторая особенность электроэнергетической системы — это относительная быстрота протекания переходных процессов в ней. Волновые процессы совершаются в тысячные или даже миллионные доли секунды; процессы, связанные с короткими замыканиями, включениями и отключениями, качаниями, нарушениями устойчивости, совершаются в течение долей секунды или нескольких секунд.

Третья особенность электроэнергетической системы заключается в том, что она тесно связана со всеми отраслями промышленности, связью, транспортом и т. п. Эта связь осуществляется гигантской совокупностью разнообразнейших приемников электрической системы, получающей питание электроэнергией от современной энергетической системы. Эта особенность энергетической системы резко повышает актуальность обеспечения надежности работы энергосистемы и требует создания в энергетических системах достаточного резерва мощности во всех ее элементах.

Все указанные выше моменты особенно характерны для электроэнергетической системы, т.е. для системы, производящей, распределяющей и преобразующей электроэнергию.

Если обратиться к процессам производства, распределения и потребления тепловой энергии, то указанные выше особенности в известной мере будут иметь меньшее значение.

В тепловых установках имеется, хотя и очень небольшая, способность аккумуляции (паровые котлы, бойлеры, отопительные приборы и т. п.), имеются даже специальные тепловые аккумуляторы. Следовательно, процессы в отдельных звеньях тепловой энергетической системы (котлы, бойлеры, теплопередачи, приемники тепловой энергии) не так жестко взаимосвязаны, как в электроэнергетической системе. Так, например, прекращение подачи пара в бойлеры теплофикационных станций не вызовет мгновенного изменения режима работы отопительных приборов в тепловой сети. Все же аккумулирующая способность элементов тепло­энергетической системы невелика, и взаимосвязь отдельных элементов играет существенную роль.

Большинство переходных процессов совершается в тепловых системах значительно медленнее, чем в электрических, хотя гидравлические переходные процессы могут все же быть достаточно быстрыми.

Наконец, тепловая энергосистема имеет более ограниченную связь с отраслями народного хозяйства по сравнению с электрической системой.

Так как в современных энергетических системах производство тепловой энергии, как правило, комбинируется с производством электроэнергии, то все сказанное об особенностях электроэнергетической системы применимо вообще к любой энергетической системе.

Остановимся на некоторых важных обстоятельствах, вытекающих из указанных выше особенностей энергетических систем.

Первая особенность. Одновременность процессов производства, распределения и потребления электроэнергии приводит к тому, что нельзя произвести электроэнергию, не имея потребителей для нее, т.е. выработка электроэнергии жестко определяется ее потреблением. Заметим, что преобразование и передача энергии происходят во всех элементах системы с потерями энергии и, следовательно, потребление энергии должно учитывать не только полезное потребление, но и потери энергии в элементах преобразования и передачи. Отсюда вытекает следующее:

· а) снижение выработки энергии на электростанциях против требуемого уровня из-за ремонтов оборудования, аварий и других причин при отсутствии резерва в системе требует снижения количества энергии, отпускаемой потребителю;

· б) временное снижение потребления энергии потребителями из-за ремонта их оборудования, аварий и других причин при отсутствии в системе так называемых потребителей-регуляторов не дает возможности полностью использовать оборудование электростанции в этот период;

· в) небаланс между мощностью электростанций и мощностью, потребляемой в системе, не может существовать. При снижении мощности электростанций одновременно автоматически снижается потребляемая мощность, и наоборот.

Ничего похожего нет ни в одной отрасли промышленности, где имеется возможность запасать продукт производства. Так, например, кратковременное снижение производства текстильных товаров совсем не требует немедленного снижения потребления этих товаров населением и, наоборот, снижение потребления текстильных товаров не может понизить производительность текстильных предприятий.

Вторая особенность. Быстрота протекания переходных процессов в электрической системе требует обязательного применения специальных автоматических устройств. Эти устройства, часто весьма быстродействующие, должны обеспечить надлежащую корректировку переходных процессов в системе. Правильный выбор и настройка всех этих автоматических устройств, к которым относятся аппараты защиты от перенапряжений, установки релейной защиты, автоматические регуляторы, автоматические выключатели и т. п., немыслимы без учета работы всей системы как единого целого. Все это способствует широчайшему внедрению автоматики в энергетических системах и полной автоматизации отдельных электростанций, подстанций и т. п.

Третья особенность. Связь работы энергосистем со всеми отраслями народного хозяйства предопределяет необходимость своевременного их развития. Рост энергетических систем должен обязательно опережать рост потребления энергии, иначе создание резервов в энергосистемах невозможно. С другой стороны, рост энергетических систем должен быть гармоничным: все элементы системы должны развиваться без каких-либо диспропорций в развитии отдельных элементов.

По мере развития энергосистем и сближения границ их электрических сетей увеличивается целесообразность их объединения.

Соединение энергосистем между собой осуществляется с помощью межсистемной электрической связи, состоящей из одной или нескольких цепей электропередачи.

Основные доводы в пользу объединения энергосистем таковы:

· а) уменьшение суммарного резерва мощности;

· б) улучшение использования мощности и энергии гидроэлектростанций одной или обеих систем;

· в) уменьшение суммарного максимума нагрузки объединяемых энергосистем;

· г) взаимопомощь систем в случае неодинаковых сезонных изменений мощности электростанций и, в частности, гидроэлектростанций;

· д) взаимопомощь систем в случае неодинаковых сезонных изменений нагрузки;

· е) взаимопомощь систем в проведении ремонтов. Остановимся на некоторых из этих доводов.

Уменьшение суммарного резерва мощности дает в большинстве случаев наиболее существенные преимущества. Совершенно очевидно, что при соединении равновеликих по мощности систем оно дает пользу обеим системам. При соединении двух резко различных по мощности систем польза для мощной системы и для всего объединения в целом значительно меньше. Мощность межсистемной связи должна быть такой, чтобы в необходимых случаях резерв одной из систем мог быть передан в другую.

Рассмотрим случай объединения двух энергосистем. Уменьшение суммарного совмещенного максимума нагрузки обеих энергосистем обусловлено:

· а) различием в моментах появления пика нагрузки обеих энергосистем; это различие может сильно изменяться в различные периоды года;

· б) различием в моментах появления недельного, месячного или годового максимума.

Очень важно заметить, что первое различие дает тем более существенный эффект, чем большие пики имеют графики нагрузки вблизи периода максимума. Поэтому в системах с относительно ровным характером графика вблизи максимума этот эффект незначителен. Эффект, достигаемый за счет второго различия, зависит на протяжении недели от распределения выходных дней в промышленности, в каждой из энергосистем, на протяжении месяца — от характера промышленности в обеих энергосистемах, а на протяжении года является в известной мере случайным.

При окончательной оценке технико-экономического эффекта, достигаемого объединением энергосистем, необходимо учесть:

· а) стоимость межсистемной связи;

· б) наличие потерь энергии в связи;

· в) усложнение регулирования частоты в связи с необходимостью во многих случаях автоматического регулирования или ограничения обменного потока мощности.

Объединенная энергосистема так же, как и отдельная энергосистема, является единым производственным комплексом. Однако наличие относительно слабой связи накладывает особый отпечаток на объединение энергосистем. Различие сказывается в том, что:

· а) резкие изменения режима и даже аварии в одной системе редко отражаются на второй, если мощность связи невелика по сравнению с мощностью объединяемых систем;

· б) при резких изменениях режима слабая связь может легко нарушиться и системы могут разделиться;

· в) последнее обстоятельство требует автоматического ограничения перетоков мощности;

· г) автоматическое регулирование частоты в объединении во многих случаях требует обязательного автоматического регулирования обменного потока мощности.

Электрические сети

Электрическая сеть как часть электроэнергетической системы обеспечивает возможность выдачи мощности электростанций, ее передачу на расстояние, преобразование параметров электроэнергии (напряжения, тока) на подстанциях и ее распределение по некоторой территории вплоть до непосредственных электроприемников.

Электрические сети современных энергосистем характеризуются многоступенчатостью, т.е. большим числом трансформаций на пути от источников электроэнергии к ее потребителям. Топологическая структура отдельных звеньев этой многоступенчатой сети достаточно сложна, она насчитывает десятки, а подчас и сотни узлов, ветвей и замкнутых контуров. Наряду со сложностью конфигурации характерной особенностью электрических сетей является их многорежимностъ. Под этим понимается не только разнообразие загрузки элементов сети в суточном и годовом разрезе при нормальном функционировании системы, вызываемое естественным изменением во времени нагрузки потребителей, но и обилие режимов, возникающих при выводе различных элементов сети в плановый ремонт и при их аварийных отключениях.

Примечание. Сети напряжением до 1 кВ называются сетями низкого напряжения (НН). Сети напряжением выше 1 кВ, в свою очередь, делятся на сети среднего (СН), высокого (ВН), сверхвысокого (СВН) и ультравысокого (УВН) напряжения.

Все электроприемники, генераторы, трансформаторы и прочие элементы электроэнергетических систем проектируются для работы в длительном нормальном режиме при определенном напряжении, при котором эти элементы обладают наиболее целесообразными технико-экономическими показателями. Эти напряжения называются номинальными, и их значения всегда устанавливаются Государственным стандартом. В настоящее время для электрических сетей стандартизованы 4 напряжения менее 1 кВ (40, 220, 380 и 660 В) и 12 напряжений выше 1 кВ (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.

Как уже упоминалось, сети современных энергосистем характеризуются весьма сложной структурой и конфигурацией. В этих условиях невозможно классифицировать их по какому-либо одному признаку, который мог бы считаться определяющим. Однако ряд признаков в той или иной мере связан со значением номинального напряжения сети U_ном . К числу таких признаков можно условно отнести охват территории, назначение сети и частично характер ее потребителей. В табл. 2.1 приводятся элементы классификации по указанным выше признакам.

По размерам территории, охватываемой сетью, могут быть выделены так называемые местные (U_ном ≤ 35 кВ), районные (110—220 кВ) и региональные сети (U_ном ≥ 330 кВ). Линии электропередачи СВН, являющиеся основой последней категории сетей, служат как для связи отдельных районов и относительно небольших энергосистем в региональных ОЭС, так и для связи между собой крупных объединений.

По назначению различают системообразующие и распределительные сети. Первые осуществляют функции формирования районных энергосистем (РЭС) путем объединения их электростанций на параллельную работу, а также объединение РЭС и ОЭС между собой. Кроме того, они осуществляют передачу электроэнергии к системным подстанциям, выполняющим роль источников питания распределительных сетей. Распределительной линией считается линия, питающая ряд трансформаторных подстанций или вводы к электроустановкам потребителей. Такие линии и являются основой распределительной сети. Распределительные линии в принципе могут быть выделены в сетях различных номинальных напряжений. В связи с этим не следует отождествлять понятия местных и распределительных сетей, как это делалось ранее. В настоящее время по мере развития сетей СВН верхняя граница этого диапазона в ряде ОЭС сдвинулась в сторону более высоких напряжений, и современные сети 110—220 и даже 330 кВ постепенно приобретают характер распределительных. Так, по мере наложения вновь создаваемой сети 750 кВ на сеть 330 кВ в тех районах, где ранее последняя выполняла функции системообразующей, сети 330 кВ постепенно переходят в разряд распределительных. В будущем аналогичный процесс будет наблюдаться в тех частях ЕЭС России, где линии напряжением 1150 кВ возьмут на себя роль основных связей между ОЭС, в которых сейчас основными являются сети 500 кВ.

Наконец, местные и распределительные сети, согласно табл. 2.1, могут различаться по характеру подключаемых к ним потребителей. При этом определенную специфику имеют сети, осуществляющие электроснабжение промышленных предприятий, городов и сельскохозяйственных районов и называемые соответственно промышленными, городскими и сельскими. Так, сельские электрические сети характеризуются значительной протяженностью. Они охватывают территории со сравнительно невысокой плотностью нагрузки, годовое число часов использования максимума которой также относительно невелико. Напротив, чисто промышленные сети, будучи относительно короткими, снабжают территории с большой плотностью нагрузки, причем, как правило, графики нагрузки промышленных предприятий характеризуются высокой степенью заполненности. В какой-то степени промежуточное положение занимают в этом плане городские сети. Сочетание коммунально-бытовых и промышленных потребителей на городских территориях обусловливает значительную неравномерность графиков нагрузок узлов городской сети. Эта неравномерность в ряде случаев (когда основными источниками питания города являются ТЭЦ, работающие по тепловому графику) вызывает необходимость привлечения дополнительных маневренных мощностей, позволяющих системе своевременно и быстро реагировать на резкие спады и подъемы нагрузки.

Помимо признаков, косвенно связанных со значением номинального напряжения сети, существуют и другие. Так, например, классифицируют сети по роду тока, по конфигурации, по отношению к помещению и по конструктивному выполнению.

В соответствии с родом тока различают сети переменного и постоянного тока. О первой группе речь шла выше. В дополнение следует упомянуть, что в России сети трехфазного переменного тока напряжением НО кВ и выше выполняются с глухим заземлением нейтрали, а сети более низких напряжений — с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью.

Сети постоянного тока используются для обеспечения некоторых электротехнологических процессов в промышленности, например в электролизных цехах алюминиевых заводов. На постоянном токе осуществляется электропривод ряда механизмов и частично электрификация транспорта. Протяженные электропередачи постоянного тока используются чаще всего в качестве межсистемных связей.

С точки зрения конфигурации различают разомкнутые и замкнутые сети. К разомкнутым относятся сети, образованные радиальными или радиально-магистральными линиями, осуществляющие электроснабжение потребителей от одного источника питания, причем каждый потребитель получает питание с одного направления. К числу замкнутых относятся сети, которые обеспечивают питание потребителей не менее чем с двух сторон. Наиболее простой формой замкнутой сети является одноконтурная (кольцевая) сеть. Питающие сети, как правило, являются сложно-замкнутыми, т.е. имеют большое число контуров.

По отношению к помещению иногда различают внутренние и наружные сети. И, наконец, по конструктивному выполнени сети делятся на внутренние проводки (до 1 кВ), кабельные (до 500 кВ) и воздушные (до 750—1150 кВ) сети. Сети внутри промышленных предприятий иногда частично выполняются закрытыми комплектными токопроводами, прокладываемыми вдоль колонн и стен цехов на высоте, допустимой по условиям производства. Кабельные сети 6—20 кВ в настоящее время являются основой городских и промышленных распределительных сетей. Воздушные сети характерны для электроснабжения сельских потребителей, а также для районных и системообразующих сетей.

Контрольные вопросы

1.Какие элементы входят в состав энергетической системы?

2.Чем отличаются понятия «энергетическая система» и «электроэнергетическая сис­
тема»?

3.Каковы основные особенности электроэнергетической системы?

4.Какие электроустановки входят в состав электрической сети?

5.Каковы особенности сетей современных энергосистем?

6.Каковы номинальные напряжения электрических сетей трехфазного переменного тока?

7.Как различаются электрические сети по значению номинального напряжения?

8.Какова классификация электрических сетей по размерам территории, по назначению,
по характеру потребителей, по роду тока, по конструктивному выполнению?

Литература для самостоятельного изучения

2.1.ЭлектрификацияСССР. М.: Энергия, 1970.

2.2.Историяэлектротехники / под ред. И.А. Глебова. М.: Издательство МЭИ, 1999.

2.3.Новаяэнергетическая политика России. М.: Энергоатомиздат, 1995.

2.4.Справочникпо проектированию энергетических систем / под ред. С.С. Рокотяна
и И.М. Шапиро. М.: Энергоатомиздат, 1985.

2.5.Маркович И.М. Режимы энергетических систем. М.: Энергия, 1969.

2.6.80 лет развития энергетики. От плана ГОЭЛРО к реструктуризации РАО «ЕЭС Рос­
сии» / под ред. А.Б. Чубайса. М: АО «Информэнерго», 2000.

Глава третья