Электрические сети.

Электрическая сеть представляет собой совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории [20, 36].

Распределительные устройства служат для приема и распределения электроэнергии и содержат коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, вспомогательные устройства, измерительные приборы, а также устройства зашиты и автоматики. Распределительные устройства бывают открытыми (ОРУ) и закрытыми (ЗРУ).

Подстанция представляет собой электроустановку, которая служит для преобразования и распределения электроэнергии и состоит из трансформаторов, распределительных устройств, устройств управления и вспомогательных сооружений.

Распределительный пункт — это распределительное устройство, предназначенное для приема и распределения электроэнергии на одном напряжении (без трансформации), не входящее в состав подстанции.

Электрические сети состоят из передающих элементов — линий электропередачи и преобразующих элементов, силовых трансформаторов и дополнительных устройств, обеспечивающих защиту и регулирование режимов электрических сетей.

Силовые трансформаторы изменяют параметры передаваемой электроэнергии: величины токов и напряжений. На подстанциях, кроме трансформаторов, устанавливают различные коммутационные аппараты (выключатели, разъединители, выключатели нагрузки и др.) для включения и отключения электрооборудования в сети. На рисунке 1.5 показана схема электрической сети [26].

Таким образом, электрические сети со всеми входящими в ее состав устройствами необходимы для передачи электроэнергии от электростанций и распределения ее между потребителями. При этом электроэнергия может передаваться на большие расстояния, многократно преобразовываться и изменяться количественно и качественно.

Значительную роль в электрических сетях играет режим нейтрали. Нейтрали трансформаторов трехфазной сети, представляющие собой общую точку соединенных в звезду обмоток, могут быть либо заземлены непосредственно (режим глухозаземленной нейтрали), либо через индуктивное (режим компенсированной нейтрали) или активное сопротивление (режим резистивно-заземленной нейтрали), или изолированы от земли (режим изолированной нейтрали).

На рисунке 1.6 показана электрическая сеть с изолированной нейтралью трансформатора. Этот режим достаточно широко применяется в России. При таком способе заземления нейтральная точка трансформатора не присоединена к контуру заземления.

При глухом заземлении нейтрали (это сети напряжением 0,4 кВ, а также сети 110 кВ и выше) любое замыкание фазы на землю является коротким замыканием (КЗ) и отключается релейной защитой.

Схема электрической сети

Рис. 1.5. Схема электрической сети:

1УР — 6УР — уровни системы электроснабжения; ГРУ — главное распределительное устройство; РП — распределительный пункт; ЗРУ — закрытое распределительное устройство; ЦРП — центральный распределительный пункт; АТ — автотрансформатор; Л — линии; Т — трансформаторы; ГПП — главная понизительная подстанция; М — магистраль; ШРА — шинопровод распределительный; G — генератор; на первом уровне 1УР в качестве отдельных электроприемников показаны осветительная нагрузка, выпрямительное устройство, двигатель (М), нагревательное устройство, батарея конденсаторов

Схема электрической сети трехфазного тока с изолированной нейтралью (а); та же сеть при замыкании фазы А

Рис. 1.6. Схема электрической сети трехфазного тока с изолированной нейтралью (а); та же сеть при замыкании фазы А

на землю (б):

г. — активное сопротивление цепи; х(. — емкостное сопротивление цепи; стрелками показано направление тока замыкания на землю

При изолированной, компенсированной или заземленной через активное сопротивление нейтрали (это сети напряжением 6, 10, 20, 35 кВ) замыкание фазы на землю не является коротким замыканием и, согласно ПУЭ, в таком случае возможна работа сети в течение пяти суток по шесть часов в сутки до отыскания места замыкания. Режим нейтрали сети напрямую связан с надежностью электроснабжения и безопасностью персонала.

Линии высокого напряжения (ВН) предназначены для передачи электрической энергии в больших количествах и на большие расстояния. Линии низкого напряжения (НН) служат для распределения электроэнергии между потребителями.

Существуют требования, которые предъявляются к электрическим сетям. Они заключаются в следующем:

  • 1) надежном электроснабжении потребителей;
  • 2) обеспечении качественной электроэнергией;
  • 3) экономичном сооружении сети и ее рациональной эксплуатации;
  • 4) обеспечении безопасности персонала;
  • 5) возможности дальнейшего развития сети.

Основными параметрами, определяющими конструктивное выполнение и построение электрической сети, являются:

  • • для линий электропередачи — номинальное напряжение, направление тока (откуда и куда), протяженность, число цепей, сечение провода;
  • • для подстанций — сочетание номинальных напряжений, число и мощность трансформаторов, схема присоединения к сети и компенсация реактивной мощности.

В сети имеются электроприемники, представляющие собой устройства, которые преобразуют электроэнергию в другие виды энергии: тепловую (электротермические установки), световую (осветительные устройства), механическую (электродвигатели) и т.п. Отдельный электроприемник или их группа, объединенная, например, по технологическому принципу, называется потребителем электроэнергии, в качестве которого могут быть предприятие, цех, дом, поселок, электродвигатель и т.д.

Электрические сети классифицируют по различным признакам. В большинстве случаев принято проводить классификацию по назначению (области применения), масштабным признакам (размерам сети) и по роду тока.

По назначению электрические сети бывают следующие:

  • 1) общего назначения (электроснабжение промышленных, сельскохозяйственных, транспортных и бытовых потребителей);
  • 2) автономные (электроснабжение автономных и мобильных объектов: космических аппаратов, автономных станций, транспортных средств, судов, самолетов, роботов и др.);
  • 3) технологических объектов (электроснабжение производственных и других инженерных сетей);
  • 4) контактные (специальные, для передачи электроэнергии на движущиеся вдоль сети транспортные средства: локомотив, метро, трамвай, троллейбус).

По масштабным признакам сети делятся:

  • • на магистральные, связывающие отдельные регионы, страны и их крупнейшие источники и центры потребления; характеризуются высоким и сверхвысоким напряжением и большими потоками мощности (до ГВт);
  • • региональные, масштаба региона (в России — уровня субъектов Федерации); питание от магистральных сетей и собственных источников, обслуживают крупных потребителей (район, город, предприятие, месторождение, транспортный терминал); характеризуются высоким и средним уровнем напряжения и большими потоками мощности (сотни МВт, ГВт);
  • • районные, распределительные; питаются от региональных сетей; собственных источников обычно не имеют, обслуживают средних и мелких потребителей (внутриквартальные и поселковые сети, предприятия, небольшие месторождения, транспортные узлы); характеризуются средним и низким уровнем напряжения и небольшими потоками мощности (МВт);
  • • внутренние, распределяют электроэнергию на небольшом пространстве (в рамках города, села, квартала, завода); часто имеют одну или две точки питания от внешней сети; иногда имеют собственный резервный источник питания; характеризуются низким уровнем напряжения и небольшими потоками мощности (сотни кВт, МВт);
  • • электропроводки, сети самого нижнего уровня (отдельные здания, цехи, помещения); часто рассматриваются совместно с внутренними сетями; характеризуются низким уровнем напряжения и маленькими потоками мощности (десятки и сотни кВт).

По роду используемого тока различают следующие сети, использующие:

  • 1) переменный трехфазный ток (большинство сетей высших, средних и низких классов напряжений, магистральные, региональные и распределительные сети); переменный электрический ток передается по трем проводам, фаза переменного тока в каждом из них смещена относительно других на 120°. Каждый провод при этом называется фазой, а переменный ток в проводе называется фазным; каждая фаза имеет определенное напряжение относительно земли, которая выступает в роли четвертого проводника;
  • 2) переменный однофазный ток (большинство сетей бытовой электропроводки, оконечных сетей потребителей; переменный ток передается к потребителю от распределительного щита или подстанции по двум проводам (фаза-нуль); потенциал «нуля» совпадает с потенциалом земли, однако конструктивно «нуль» отличается от провода заземления;
  • 3) постоянный ток (большинство контактных сетей, некоторые автономные сети, а также ряд специальных сетей сверхвысокого и ультравысокого напряжения, имеющих пока ограниченное распространение); сети постоянного тока сооружаются для питания промышленных предприятий (электрические печи, электролизные цехи и т.д.).

По напряжению электрические сети делятся:

  • • на сети напряжением до 1 кВ;
  • • сети напряжением выше 1 кВ.

Кроме того, по величине номинального напряжения электрические сети условно делят на сети:

  • 1) низкого напряжения — до 1 кВ;
  • 2) среднего напряжения — 3...35 кВ;
  • 3) высокого напряжения — 110...220 кВ;
  • 4) сверхвысокого напряжения — 330...750 кВ;
  • 4) ультравысокого напряжения — выше 1000 кВ.

Необходимо различать номинальные напряжения генераторов, трансформаторов, сетей и электроприемников. Так, номинальное напряжение сети совпадает с номинальным напряжением электроприемников, а номинальное напряжение генератора, по условиям компенсации потерь напряжения в сети, принимается на 5% выше номинального напряжения сети.

Номинальное напряжение силового трансформатора устанавливается для первичной и вторичной его обмоток при холостом ходе. Это связано с тем, что первичная обмотка трансформатора является приемником электроэнергии, для повышающего трансформатора ее номинальное напряжение принимается равным номинальному напряжению генератора, а для понижающего трансформатора — номинальному напряжению сети. Кроме того, напряжение вторичной обмотки силового трансформатора, питающей сеть, при нагрузке должно быть на 5% выше номинального напряжения сети. Так как при нагрузке происходит потеря напряжения в самом трансформаторе, то номинальное напряжение (т.е. напряжение холостого хода) его вторичной обмотки принимается на 10% выше номинального напряжения сети [20].

По конструктивному исполнению электрические сети подразделяют:

  • • на воздушные;
  • • кабельные;
  • • проводки внутри зданий и сооружений;
  • • токопроводы промышленных предприятий.

Передача электроэнергии осуществляется воздушными и кабельными линиями. Воздушные линии выполняют неизолированными и изолированными защитными и самонесущими проводами (СИП). Широкое применение получили сталеалюминевые провода марки АС, сердечник которых выполнен из стальных проволок, а токопроводящая часть — из алюминия. Подвеска проводов и грозозащитных тросов воздушных линий осуществляется с помощью опор, которые подразделяются на деревянные, железобетонные, металлические. Наибольшее распространение имеют железобетонные опоры. Изоляторы (стеклянные, фарфоровые, полимерные) необходимы для крепления проводов к опорам и создания требуемого промежутка между проводами, находящимися под напряжением, и опорой [28].

Кабельные линии состоят из одного или нескольких параллельных кабелей (с соединительными, стопорными и концевыми муфтами) и крепежных деталей. Кабельные линии дороже воздушных линий, но в отличие от воздушных они не подвержены атмосферным воздействиям. Кабель выполняют из одной или нескольких токопроводящих жил (медных или алюминиевых), заключенных в герметичную оболочку, поверх которой при необходимости накладывают защитные покровы. Кабельные линии прокладывают в земле, блоках, каналах, туннелях, галереях и эстакадах.

К параметрами воздушных и кабельных линий относятся сопротивления (активные, индуктивные) и проводимость (емкостная у кабельных и воздушных линий, активная у воздушных линий).

По схеме соединений электрические сети делят на замкнутые и разомкнутые. Замкнутые сети представляют собой замкнутый контур с одним или несколькими источниками питания. Эти сети образуются линиями электропередачи и силовыми трансформаторами.

Разомкнутые сети представляют собой разомкнутый контур с одним или несколькими источниками питания. Разомкнутые сети бывают радиальными, магистральными и радиально-магистральными (смешанными). Магистралью называют линию с промежуточными отборами мощностей вдоль линии. Радиальные линии исходят из одной точки сети, соединяют непосредственно приемник с источником электроэнергии (см. рис. 1.7).

По выполняемым функциям электрические сети подразделяют на системообразующие, питающие и распределительные.

Системообразующие электрические сети (напряжением 330—1150 кВ) формируют объединенные энергосистемы, т.е. объединяют мощные электростанции и обеспечивают их работу как единого объекта. Эти сети осуществляют системные связи, т.е. связи большой длины между энергосистемами. Режимом их работы управляет диспетчер объединенного диспетчерского управления, в которое входят несколько районных энергосистем.

Питающие сети передают электроэнергию от подстанций системообразующей сети и шин напряжением 110—220 кВ электростанций к районным подстанциям. Как правило, питающие сети являются замкнутыми, напряжение их составляет 330—500 кВ.

Распределительные сети предназначены для передачи электроэнергии на небольшие расстояния от шин низшего напряжения районных подстанций к промышленным, городским, сельским потребителям. Обычно они работают в разомкнутом режиме и делятся на сети напряжением до и выше 1 кВ.

По месту расположения и характеру потребителей электрические сети делят:

  • 1) на промышленные;
  • 2) городские;
  • 3) сельские;
  • 4) сети электрифицированных железных дорог;
  • 5) сети магистральных нефте- и газопроводов.

Преимущественное распространение в распределительных сетях

имеет напряжение 10 кВ. Напряжение 6 кВ в этих сетях применяется реже.

Городские сети отличаются большим количеством разнородных потребителей, которые размешены на ограниченной площади. Для этих сетей требуется высокая надежность электроснабжения, так как от городских сетей получают питание промышленные предприятия, электрифицированный транспорт и другие ответственные потребители электроэнергии.

На рисунке 1.7 приведен фрагмент схемы питания административного здания. От однотрансформаторной подстанции ТП по питающей линии 1, защищенной плавкими предохранителями, через вводно-распределительное устройство (ВРУ) осуществляется электроснабжение общественного здания.

Принципиальная схема электроснабжения общественного здания

Рис. 1.7. Принципиальная схема электроснабжения общественного здания:

1 — питающая линия к ВРУ; 2 — питающие линии к РП; 3 — РП силовых электроприемников; 2,4,6— радиальные линии; 5 — групповые щитки рабочего освещения; 7— щиток эвакуационного освещения; ТП — трансформаторная подстанция; ВРУ — вводно-распределительное устройство

В настоящее время осуществляется перевод городских электрических сетей с напряжения 10 кВ на напряжение 20 кВ с целью уменьшения потерь электроэнергии в этих сетях. Для электроснабжения крупных городов и промышленных предприятий (металлургических, нефтеперерабатывающих, химических и др.) используется напряжение 110 кВ и выше (глубокий ввод), строятся подстанции с первичным напряжением 110—500 кВ.

Сети сельскохозяйственного назначения выполняют в основном на напряжении 0,4—110 кВ. Они предназначены для электроснабжения сельскохозяйственных предприятий, совхозов, небольших населенных пунктов и др. От них могут питаться также малые и средние промышленные предприятия. Для этих сетей характерна большая протяженность и малая плотность нагрузки.

Промышленные сети могут получать питание от энергосистемы, собственной ТЭЦ и от других источников, поэтому диапазон используемых напряжений здесь велик. Схемы электроснабжения промышленных предприятий принято делить на схемы внешнего и внутреннего электроснабжения. Крупные промышленные предприятия могут иметь несколько главных понизительных подстанций на разные системы напряжений; распределительные же сети промышленных предприятий выполняют обычно на напряжении 10 кВ.

Электрические сети железных дорог отличаются высокими требованиями к надежности электроснабжения, большой протяженностью и равномерным расположением тяговых подстанций. Эти сети делятся на тяговые и внешние. Первые выполняют на переменном токе частотой 50 Гц и напряжением 25 кВ или на постоянном токе напряжением 3,3 кВ. Схемы внешнего питания тяговых подстанций выполняют по линиям электропередачи напряжением 110—220 кВ.

К электрическим сетям магистральных нефте- и газопроводов, так же как и к сетям железных дорог, предъявляют высокие требования к выполнению систем электроснабжения. Сети отличаются протяженностью, равномерным расположением нефтеперекачивающих и компрессорных станций газопроводов. Схемы внешнего питания выполняют, как правило, на напряжении 110—330 кВ, они должны обеспечивать потребителей всех категорий. При этом необходимо учитывать температурные условия работы станций.

Основным назначением электрических сетей является электроснабжение потребителей. Электрические сети служат для присоединения электроприемников (потребителей) к источникам питания, что является достаточно сложной задачей в связи с большим количеством электроприемников и значительной территорией, на которой они расположены.

Кроме того, назначением электрических сетей является передача электроэнергии от места ее производства к месту потребления. Часто передавать электроэнергию необходимо на большие расстояния, причем делать это можно различными способами: перевозить топливо по железным дорогам или передавать его, например, по газопроводам и нефтепроводам. Таким образом, электрическая сеть является одним из возможных путей передачи электроэнергии.

Крупным источником электроэнергии являются электростанции, на которых электроэнергия вырабатывается генераторами переменного тока. От генераторов электроэнергия поступает на силовые трансформаторы, повышающие напряжение для последующей передачи электроэнергии по воздушным линиям электропередачи потребителям. Это повышение напряжения необходимо для того, чтобы уменьшить потери электроэнергии при ее передаче.

Известно, что передаваемая мощность пропорциональна произведению тока на напряжение. Следовательно, при передаче постоянной по величине мощности при увеличении в сети напряжения ток уменьшается. А так как потери активной мощности в сети пропорциональны квадрату тока, то, следовательно, ее потери также уменьшаются.

Электрические сети могут иметь сложную структуру, зависящую от территориального расположения потребителей, источников, требований надежности и других показателей. Обычно в сети выделяют линии электропередачи, которые соединяют подстанции; эти линии могут быть одинарными и двойными (двухцепными), иметь ответвления (отпайки). Как правило, к подстанциям подходит несколько линий. Внутри подстанции происходит преобразование напряжения и распределение потоков электроэнергии между подходящими линиями. Для соединения линий и электрооборудования внутри подстанций используются коммутационные аппараты (выключатели, разъединители и др.).

Для наглядного представления структуры электрической сети используются так называемые однолинейные схемы, в которых три фазы сети представляются в виде одной линии. На такой схеме показывают, кроме линий, шин, секционированных высоковольтными или автоматическими выключателями (автоматами), силовые трансформаторы, коммутационные аппараты (высоковольтные выключатели, автоматы, выключатели нагрузки), а также устройства релейной защиты и противоаварийной автоматики. Электрические сети являются основой для создания более крупных электрических систем.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >