ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ПОДСТАНЦИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 35-750 КВ
Согласно ФГОС специальности 13.01.10 «Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования (по отраслям)» осуществляет эксплуатацию оборудования электростанций и сетей, его техническое обслуживание и ремонт (Профстандарт 20.012, утвержден приказом Министерства труда и социальной защиты РФ от 06.07.2015 № 428н).
Производство и распределение электрической энергии. Схемы электроснабжения
Производство электрической энергии и ее потребление — процесс непрерывный и единый во времени. Электрическую энергию нельзя накапливать в больших количествах, не передавая ее потребителям. В каждый момент времени выработка электрической энергии должна соответствовать потреблению. Отдельные электростанции не могут обеспечить бесперебойную подачу электроэнергии. Поэтому электрические станции объединяют в системы, где они работают параллельно на общую нагрузку. Их соединяют между собой линиями электропередачи (ЛЭП).
Совокупность электрических станций, подстанций и потребителей электроэнергии, связанных между собой линиями электропередачи и электрическими сетями при общем централизованном оперативном управлении, носит название электроэнергетической системы.
Объединение электростанций в электроэнергетическую систему имеет важное значение для согласования работы станций различных типов, особенно тепловых и гидростанций. Мощности гидроагрегатов ГЭС в периоды паводков и в зимнее время различны. Весной основную нагрузку системы воспринимают гидростанции, на тепловых же станциях часть агрегатов останавливается, что дает возможность экономить топливо и проводить плановые ремонтные работы. В зимнее время роли тепловых и гидростанций меняются. Таким образом, облегчается возможность создания экономически выгодных режимов для разных типов электростанций.
Создание энергосистем повышает надежность энергоснабжения и улучшает качество электроэнергии, обеспечивает постоянство напряжения и частоты, поскольку колебания нагрузки воспринимаются многими электрическими станциями.
В зависимости от вида используемых энергоресурсов и особенностей основного технологического процесса преобразования энергии электростанции подразделяют на тепловые (ТЭС), атомные (АЭС), гидроэлектростанции (ГЭС). В настоящее время большая часть электроэнергии вырабатывается на этих станциях, причем основу энергетики Российской Федерации составляют тепловые электростанции.
На тепловых электростанциях преобразуется химическая энергия топлива сначала в механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой электростанции могут служить газ, уголь, мазут.
Тепловые электрические станции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящие кроме электрической еще и тепловую энергию в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электростанций (ГРЭС).
Тепловые конденсационные электростанции имеют невысокий КПД (30—40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора. Сооружать ГРЭС (или КЭС) выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этом потребители электроэнергии могут находиться на значительном расстоянии от станции.
Теплоэлектроцентраль отличается от конденсационной станции установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе, а другая, имеющая большую температуру и давление отбирается от промежуточной ступени турбины и используется для теплоснабжения. Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60—70%. Такие станции строят обычно вблизи потребителей — промышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают на привозном топливе.
КЭС, ГРЭС, ТЭЦ по виду основного теплового агрегата — паровой турбины — относятся к паротурбинным станциям. Применяются тепловые станции с газотурбинными (ГТУ), парогазовыми (ПТУ) и дизельными установками. ГТУ широко применяются в районах не-фте- и газодобычи, используя попутный газ для собственной генерации газо- и нефтедобывающих компаний.
Первая в мире атомная электростанция (АЭС), преобразующая энергию расщепления ядер атомов тяжелых элементов в электрическую, была построена в 1954 г. в Советском Союзе — Обнинская АЭС. Основным тепловым агрегатом АЭС, как и ТЭС, является паротурбинная установка. Средой, преобразующей тепловую энергию в механическую, также служит водяной пар. Принципиальное отличие АЭС от ТЭС состоит в том, что теплота, необходимая для выработки пара, получается не при сгорании топлива, а при расщеплении ядер тяжелых элементов в ядерных реакторах. Такими элементами являются природный изотоп урана-235 или получаемые искусственным путем изотопы урана и плутоний. Из 1 кг урана можно получить столько же тепла, сколько при сжигании примерно 3000 т каменного угля.
Гидроэлектростанции (ГЭС) вырабатывает электроэнергию с помощью падающего потока воды, создаваемого разностью уровней верхнего и нижнего водяного пространства (верхнего и нижнего бьефов).
Разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), предназначенные для покрытия «пиковых» нагрузок и заполнения «провалов» в графиках потребления электроэнергии. Работа ГАЭС заключается в смене двух раздельных во времени режимов: накопления энергии и отдачи ее потребителям. Пример ГАЭС — Загорская ГАЭС.
Способность гидротурбинного оборудования ГЭС к быстрому изменению режимов работы позволяет использовать их для покрытия пиковой нагрузки и обеспечения равномерного режима работы тепловых и атомных электростанций.
Вырабатываемая генераторами электроэнергия (обычно напряжением 10 кВ, но могут применяться и другие уровни напряжения 6,3—36,75 кВ в зависимости от типа генератора) подается на повышающие трансформаторные подстанции, на которых напряжение повышается до 110—220 и 500 кВ, и по линиям электропередачи поступает на районную понижающую подстанцию, служащую для связи между двумя станциями. Линии электропередачи образуют кольцевую сеть напряжением 110 кВ. Внутри этого кольца расположены понижающие трансформаторные подстанции с вторичным напряжением 10 кВ, питающие промышленные предприятия и других потребителей электроэнергии. В центре промышленного района расположена ТЭЦ, снабжающая потребителей электроэнергией и теплом. От главной питающей понижающей подстанции (ГПП) электроэнергия подается на распределительный пункт РП, а от него — на понижающие подстанции, расположенные непосредственно возле потребителей. К потребителям электроэнергия передается обычно при напряжении 380/220 В.
Кроме того, существуют другие типы электростанций, использующие возобновляемые источники энергии («зеленой» энергии) — геотермальные электростанции, солнечные электростанции, приливные электростанции, ветроэлектростанции, которые в последние годы находят все более широкое распространение.
Дизельные электростанции в основном служат в качестве резервных источников электроэнергии, а также в удаленных автономных районах, где нет ЛЭП, связанных с Единой энергетической системой (ЕЭС) России.
Часть электроэнергетической системы, предназначенная для передачи и распределения энергии потребителям, называется электрической сетью.
В состав электрической сети входят линии электропередачи различных напряжений, трансформаторные, распределительные и преобразовательные подстанции.
На трансформаторных подстанциях (повышающих и понижающих) устанавливают трансформаторы, служащие для изменения напряжения. Одновременно с трансформацией обычно изменяется и количество линий. Например, подходят одна-две линии высокого напряжения, а отходят несколько линий низкого напряжения.
Различают два типа трансформаторных подстанций: открытые, в которых основное оборудование располагается на открытых площадках, и закрытые, оборудование которых размещено в помещениях.
Если на подстанции трансформация напряжения не производится, а изменяется только количество линий, то она называется распределительной. ЕІреобразовательньїе подстанции используют для выпрямления переменного тока или преобразования постоянного в переменный (инвертирование). На всех подстанциях устанавливают аппараты для переключения электрических цепей и различные контрольно-измерительные приборы.
Электрические сети подразделяют по напряжению на сети низкого до 1 кВ и высокого — более 1 кВ напряжения.
Большинство потребителей электроэнергии, промышленных предприятий, в том числе предприятия строительной индустрии и стройплощадки строящихся объектов питаются электрической энергией от подстанций. На подстанциях устанавливаются два трансформатора и более, через которые энергия от энергосистемы по линиям высокого напряжения (35, ПО или 220 кВ) передается на секционированные рабочие (или резервные) шины при напряжении 6—10 кВ. Иногда связь подстанции со станциями системы осуществляется кабельными линиями 6—10 кВ без трансформации энергии. С шин подстанции электроэнергия распределяется по промышленным предприятиям и другим потребителям.
В последние годы в крупных мегаполисах получают все большее распространение сети 20 кВ, в частности для электроснабжения района Москва-Сити в г. Москве.
Для понижения напряжения на цеховых подстанциях устанавливают понижающие трансформаторы, которые получают питание от шин распределительного устройства РУ и отдают энергию со стороны низшего напряжения цеховым потребителям.
В зависимости от значимости потребителей, их мощности и внешней схемы электроснабжения существуют несколько вариантов питания трансформаторных подстанций [35; 36; 61].
При радиальной схеме питания электроэнергия передается при такой схеме по радиальным линиям, которые не имеют разветвлений от пункта питания до пункта потребления. Достоинством радиальных схем является простота эксплуатации, удобство устройства защиты и автоматизации. Недостаток ее состоит в том, что при выходе из строя питающей линии производственный объект лишается электроэнергии на время, необходимое для определения места повреждения и производства восстановительных работ. Кроме того, на каждой из линий устанавливают комплекты переключающей аппаратуры, что увеличивает капитальные затраты.
Более рациональным является применение магистральных схем питания трансформаторных подстанций.
Магистральной линией (магистралью) называется линия, предназначенная для передачи электроэнергии к нескольким пунктам распределения или электроприемникам, присоединенным к ней в нескольких местах по ее длине.
В тех случаях, когда потребитель получает электроэнергию от двух различных источников питания, целесообразно применять схему магистральной линии с двусторонним питанием. Такая магистральная линия обычно разомкнута. При аварии, например, на одном из головных участков часть магистральной линии отключается выключателем, установленным на РУ. После отыскания и отсоединения разъединителями аварийного участка остальная часть магистрали питается от другого РУ.
Электрические сети выполняются неизолированными и изолированными проводами и кабелями. Способ прокладки проводов может быть воздушным, а кабелей — подземным и подводным. Неизолированные провода воздушных линий большей частью выполняют многожильными витыми из медной, алюминиевой или стальной проволоки.
Кабель представляет собой систему изолированных друг от друга многожильных проводов из меди или алюминия, заключенных в общую герметичную оболочку. От механических повреждений кабель защищен броней из стальной ленты. Вне зданий кабельные линии прокладывают в земляных траншеях, в специальных железобетонных трубах или коллекторах. При этом облегчаются условия замены поврежденных кабелей.
Внутренние проводки выполняют изолированными проводами на изоляторах по стенам и потолкам зданий в трубах или внутри стен и потолков. В цехах промышленных предприятий используют также шины, проложенные на изоляторах и помещенные в магистральные и распределительные шинопроводы.
Сечение проводников цеховых сетей: проводов, кабелей и шин — выбирают по нагреву токами нагрузки. Для этого определяют расчетный ток нагрузки /р приемника и по нему выбирают по соответствующим справочным данным провод с алюминиевыми или медными жилами с различными видами изоляции так, чтобы /р < /пр, где /р — расчетный ток проводника, /пр — длительно допустимый ток нагрузки проводника.
Силовые и осветительные сети цехов промышленных предприятий должны быть защищены от перегрева токами при перегрузке или коротком замыкании.
С развитием централизованных мощностей совершенствуется техника передачи электроэнергии, повышается ее экономическая эффективность. Постоянно растут параметры ЛЭП — их длина, а также пропускная способность. Чтобы увеличить пропускную способность ЛЭП, требуется повышать напряжение. В настоящее время основными межсистемными связями ЕЭС страны являются линии напряжением 500 и 750 кВ. Следующая ступень повышения напряжения — 1150 кВ применялась ранее в нашей стране, но сейчас не используется. В других странах, в частности в Китайской Народной Республике, функционируют линии 1200 кВ переменного тока. В настоящее время в эксплуатации в Китае находятся десять линий электропередач постоянного тока (ЭППТ) напряжением от 1000 до 1600 кВ суммарной передаваемой мощностью 26 ГВт. Введена в эксплуатацию ЭППТ напряжением 2200 кВ [62]!
Потребление электроэнергии потребителя электроэнергии — промышленными предприятиями, транспортом, в быту, в сельскохозяйственном производстве изменяется как в течение суток, так и в течение года. Режим потребления электроэнергии во времени характеризуется графиком нагрузки. В зависимости от времени различают графики суточные (зимние, летние) и годовые.
Характер суточных графиков нагрузки зависит от состава потребителей (бытовая, промышленная, транспортная и др.). График бытовой нагрузки имеет резко выраженный вечерний максимум. Промышленная нагрузка изменяется в течение суток в зависимости от сменности предприятий. В утренние часы, когда начинают работу предприятия, включается освещение в квартирах, приводится в движение городской электрический транспорт, потребление электроэнергии значительно возрастает, наступает утренний максимум нагрузки. Днем нагрузка несколько снижается, а вечером (в 18—20 часов местного времени) снова достигает максимальных значений, так как в это время напряженно работает электрический транспорт, многочисленные бытовые приборы, включается освещение.
На потребление электрической энергии оказывает влияние и время года. Например, в зимнее время электроэнергии на освещение и отопление расходуется больше. Создание Единой энергосистемы позволяет за счет трех--пятичасовой разницы во времени в восточных
и западных районах страны снизить пики суммарного суточного потребления.
По степени обеспечения надежности электроснабжения и бесперебойного питания все потребители электрической энергии делят на три категории, определяющие число источников электроэнергии и схему электроснабжения.
К первой категории относятся потребители, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. Они должны получать электроэнергию не менее чем от двух независимых и взаимно резервирующих источников питания.
Вторую категорию образуют потребители, перерыв электроснабжения которых приводит к недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. Они могут обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников. При нарушении электроснабжения от одного из них допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания дежурным персоналом или выездной оперативной бригадой.
Все остальные виды потребителей электроэнергии относят к третьей группе. Электроснабжение этих потребителей допускается от одного источника.
Электроустановки предприятий строительной индустрии могут быть классифицированы по всем трем категориям.
Нормальная работа любого потребителя электроэнергии требует не только бесперебойного электроснабжения, но и обеспечения определенного качества электрической энергии, к показателям которого относят отклонения напряжения и частоты от заданных номинальных значений, колебания напряжения и частоты, несинусоидальность формы кривой напряжения, несимметрия трехфазной системы напряжения.
Промышленные предприятия, как правило, получают электроэнергию от подстанций районных энергосистем и имеют свои внутренние электрические сети. Внутренние сети делятся на межцеховые и внутрицеховые.
Небольшие предприятия получают питание от ближайших подстанций энергосистем по одной или двум линиям 6—10 кВ и имеют простейшие внутренние сети. Более крупные предприятия обычно питаются от одной или двух крупных подстанций при напряжении 110—220 кВ, а также могут иметь собственную тепловую электростанцию, дающую электроэнергию и тепло для технологических нужд. Схема электроснабжения предприятия определяется характером электрической нагрузки, особенностями данного производства.
К электроснабжению предприятий строительной индустрии предъявляются следующие основные требования: обеспечение подачей необходимого количества электроэнергии и надежности электроснабжения; обеспечение требуемого качества электроэнергии; обеспечение электробезопасности и экономичности электроснабжения.
Передвижные электростанции обычно используются для резервирования, для электроснабжения потребителей в удаленных районах, в начальный период строительства до того, когда будет обеспечено электроснабжение от основного источника, а также при электроснабжении кратковременных работ, не требующих больших мощностей.
Характерными приемниками электрической энергии на предприятиях являются: силовые установки общепромышленного назначения (подъемно-транспортные устройства, компрессоры, вентиляторы, насосы и др.); преобразовательные установки (переменного тока промышленной частоты в постоянный или переменный ток другой частоты); электродвигатели производственных механизмов (экскаваторов, средств гидромеханизации и др.); ручной электроинструмент (электродрели, электротруборезы, гайковерты, электрорубанки, пилы и т.д.); электро-технологические установки (для термической обработки и др.); электросварочные установки (дуговые, контактные, ручные, автоматические и др.); электрическое освещение (общее, местное, комбинированное, рабочее, аварийное и др., которое осуществляется с помощью энергосберегающих, светодиодных ламп, газоразрядных, люминесцентных ламп, в настоящее время — реже ламп накаливания и др.).
Активная мощность характеризует энергию, расходуемую необратимо источником в единицу времени на производство полезной работы потребителем. Активная энергия, потребляемая электроприемниками, преобразуется в другие виды энергии: световую, механическую, тепловую, энергию сжатого воздуха и газа и т.п.
Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями (обменом) энергии между источником и приемником. Реактивная мощность не связана с полезной работой электроприемников и расходуется только на создание переменных электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, аппаратах, линиях и т.д.
Большинство приемников потребляет электрическую энергию переменного тока и создают реактивную нагрузку индуктивного характера. К ним прежде всего относятся асинхронные двигатели и трансформаторы. Мощность таких потребителей при заданных значениях тока и напряжения зависит от коэффициента мощности coscp. Коэффициент мощности показывает, как используется номинальная мощность источника.
Наличие реактивной энергии в линиях и трансформаторах ведет к дополнительным потерям энергии и напряжения, уменьшает пропускную способность линий электропередач. Поэтому по возможности стараются приближать источник реактивной энергии к местам ее потребления.
Источниками реактивной энергии являются так называемые компенсирующие устройства: конденсаторные батареи и синхронные компенсаторы. На промышленных предприятиях для компенсации реактивной мощности чаще применяют конденсаторные батареи.
Большое значение для промышленных предприятий, в целях повышения коэффициента мощности, имеет применение синхронных двигателей, позволяющих посредством изменения тока возбуждения регулировать потребление реактивной энергии.
Помимо применения компенсирующих устройств коэффициент мощности необходимо улучшать путем рационального использования установленных мощностей, ограничения режимов холостого хода двигателей и трансформаторов, замены малонагруженных двигателей двигателями меньшей мощности, упорядочения энергетического режима оборудования [61].
Важнейшей задачей энергетики является повышение энергоэффективности и качества. К мерам по экономии энергетических ресурсов относятся прежде всего экономия энергии в процессе производства, преобразования и передачи энергии, более эффективное использование электрической и тепловой энергии путем внедрения прогрессивных технологических процессов, улучшение организации производства, снижение потерь всех видов продукции, замена дорогих и органических видов топлива более дешевыми и доступными, например, энергией солнца, ветра.
