Электрические системы.

Электрическая система представляет собой часть энергосистемы, включающей в себя электростанции, электрические сети (кабельные и воздушные линии электропередачи и преобразовательные подстанции) и установки потребителей электрической энергии. Сети электрических систем предназначены для межсистемных и системных связей на территориях больших районов страны. Они имеют большой радиус охвата, значительные нагрузки, высокие и сверхвысокие напряжения и выполняются по сложнозамкнутым многоконтурным схемам с несколькими источниками питания [20J. Кроме того, в электрической системе источники питания часто бывают значительно удалены от электроприемников, и поэтому электроэнергию приходится передавать на большие расстояния.

Важнейшими элементами электрических и энергетических систем, объединяющих ряд электростанций с целью лучшего использования их мощности, являются передающие электрические сети, распределительные устройства и подстанции.

Пример. Электроэнергия производится синхронными генераторами при напряжении 10 кВ, затем она трансформируется повышающими трансформаторами до напряжения 330 кВ (чем выше напряжение при передаче электроэнергии, тем меньше ее потери) и при таком напряжении передается по воздушным линиям электропередачи на расстояние 120 км до пункта ее приема (например, до главной понизительной подстанции — ГПП промышленного предприятия). На ГПП электроэнергия с помощью силового понижающего трансформатора трансформируется с понижением напряжения до 10 кВ, затем распределяется по территории и цеховым подстанциям предприятия.

Энергосистема относится к классу больших, высокоавтоматизированных систем, оснащенных средствами технологической и системной автоматики, и по сравнению с электрической системой является более крупной системой. Она включает в себя совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, а также установок потребителей электроэнергии и тепла, связанных общностью режимов производства, распределения и потребления электрической энергии и тепла [12].

По назначению сети электрических систем подразделяют на местные и районные. Местные сети (коммунальные, сельские, фабрично-заводские и др.) охватывают небольшие площади, и максимально используемое напряжение в них составляет 35 кВ, реже 110 кВ. Районные сети электрических систем охватывают большие районы и используют напряжение ПО кВ и выше. По ним электроэнергия передается от электростанций и распределяется между крупными подстанциями, которые питают местные сети. Главные сети электрических систем связывают электростанции системы между собой и с районными подстанциями.

В электрических сетях имеют место два основных режима работы нейтралей: заземленный и изолированный. Вид связи нулевых точек нейтралей машин и трансформаторов с землей в значительной степени определяет уровень изоляции электрооборудования и выбор коммутационной аппаратуры, значение перенапряжений и способы их ограничения, значения токов при замыканиях на землю (коротких и просто замыканий), условия работы релейной защиты и безопасности в электрических сетях, электромагнитное влияние на линии связи и т.д.

Режим работы нейтралей определяет значение тока замыкания на землю. Сети, в которых ток однофазного замыкания на землю составляет менее 500 А, называют сетями с малыми токами замыкания на землю (в основном это сети с изолированной нейтралью). Токи более 500 А соответствуют сетям с большими токами замыкания на землю (в основном это сети с глухозаземленной нейтралью). Разновидностью сетей с изолированной нейтралью являются сети с компенсированной нейтралью.

Электрические сети напряжением ниже 1 кВ (четырехпрводные сети, здесь режим нейтрали определяется условиями безопасности), а также сети напряжением 110 кВ и выше работают, как правило, с глухозаземленной нейтралью (в них обеспечивается металлическая связь корпусов электрооборудования с нейтралью). В этих случаях замыкание любой одной фазы на землю приводит к однофазному короткому замыканию, которое отключается высоковольтным выключателем при срабатывании релейной защиты или высоковольтным предохранителем (сети ПО кВ и выше); автоматическим выключателем или низковольтным плавким предохранителем (сети 0,4 кВ).

Электрические сети напряжением выше 1 кВ (6, 10, 20, 35 кВ) относятся к сетям с малыми токами замыкания на землю и работают с изолированной или компенсированной нейтралью. В этих сетях при замыкании одной фазы на землю напряжение этой фазы становится равным нулю, а напряжения двух других фаз увеличиваются до линейного, т.е. становятся равными 1,73 ?/ф. Поэтому изоляция проводов в этих сетях должна быть рассчитана на линейное напряжение. Через место замыкания на землю протекает суммарный емкостной ток /с трех фаз. Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ), если:

  • • при U= 6—10 кВ /с более 30 А;
  • • при U= 20 кВ /с более 15 А;
  • • при U= 35 кВ / более 10 А,

то эти сети выполняют с компенсированной нейтралью, т.е. заземляют нейтраль трансформатора через индуктивную регулируемую катушку, называемую дугогасящим реактором (ДГР). Индуктивный ток ДГР компенсирует суммарный емкостной ток однофазного замыкания на землю, благодаря чему не возникает перемежающаяся дуга, отрицательно влияющая на состояние изоляции замкнувшейся фазы (перемежающаяся дуга то гаснет, то появляется вновь).

Правила устройства электроустановок допускают работу сетей с изолированной нейтралью при замыкании одной фазы на землю в течение пяти дней по шесть часов в день для отыскания места замыкания. Однако в целом ряде случаев (например, при повышенных требованиях к системе электроснабжения) при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью срабатывает релейная защита на отключение замыкания. В сетях с изолированной нейтралью необходимо осуществлять контроль состояния изоляции, что связано со следующими причинами:

  • 1) при однофазном замыкании одной из фаз на землю имеет место повышение напряжения до линейного на двух других фазах (напряжение замкнувшейся фазы станет равным нулю);
  • 2) режим однофазного замыкания на землю может иметь место особенно часто в электрических сетях, проработавших много лет и, следовательно, имеющих ослабленную изоляцию.

Указанные причины могут привести к дальнейшему ухудшению состояния сети, сопровождающемуся междуфазным коротким замыканием, а также двойным замыканием на землю. Контроль состояния изоляции в сетях с изолированной нейтралью можно выполнить с помощью трех одинаковых вольтметров, соединенных в «звезду», нейтраль которой соединяется с «землей».

При отсутствии повреждения изоляции показания всех трех вольтметров будут равны между собой и равны фазному напряжению сети. При однофазном замыкании на «землю» показание вольтметра, подключенного к поврежденной фазе, снизится до нуля, а показания двух других вольтметров увеличатся в 1,73 раза, т.е. покажут линейное напряжение.

Об однофазном замыкании на землю оперативный персонал подстанции может узнать и по возникшему сигналу. В качестве сигнального устройства используется реле контроля изоляции Н, подключаемое к выводам дополнительной вторичной обмотки трансформатора напряжения типа НТМИ, соединенной по схеме разомкнутого треугольника. При замыкании на землю на зажимах этой обмотки появляется напряжение нулевой последовательности 3 UQ, реле Н срабатывает и подает сигнал.

Описанное сигнальное устройство не может указать место замыкания фазы на землю. Поэтому для определения электрической цепи с замыканием на землю применяются специальные методы отыскания места замыкания и устройства сигнализации серии УСЗ, содержащие фильтр высших гармоник и стрелочный прибор. Само устройство устанавливают на щите управления подстанции и к нему подводят цепи трансформаторов тока нулевой последовательности кабельных линий.

Защиты, реагирующие на высокочастотные составляющие в токе нулевой последовательности, возникающие естественным путем, можно разделить на две группы устройств:

  • • абсолютного замера (например, устройства УСЗ-2/2, микропроцессорные устройства «Сириус», SPAC 801-013 и др.);
  • • относительного замера (устройство УСЗ-ЗМ, которое обслуживается вручную и поочередно подключается к трансформаторам тока всех присоединений секции или системы сборных шин и др.). Наибольшее распространение получили устройства УСЗ-ЗМ (рис. 1.8).
Схема включения устройства типа УСЗ-ЗМ

Рис. 1.8. Схема включения устройства типа УСЗ-ЗМ.

Кнопки переключения без разрыва цепи:

ТН — измерительный трансформатор напряжения; ТТНП — трансформатор тока нулевой последовательности; Т — силовой трансформатор; ДГР — регулируемый дугогасящий реактор; 033 — однофазное замыкание на землю;

УСЗ — устройство сигнализации замыканий на землю

При появлении в сети устойчивого замыкания на землю оперативный персонал подстанции последовательно измеряет по всем присоединениям токи высших гармоник и выделяет присоединение с наибольшим током.

Разработан и внедряется более совершенный комплект сигнализации замыканий на землю типа КДЗС, применение которого позволяет значительно сократить время поиска поврежденного участка сети и тем самым снизить вероятность развития повреждения.

Источником активной мощности в электрической системе служат генераторы электростанций. В основном это трехфазные синхронные генераторы, вращаемые первичными двигателями (паровыми, газовыми и гидравлическими турбинами, дизельными двигателями). В зависимости от рода первичного двигателя синхронные генераторы делятся на турбогенераторы (первичный двигатель — паровая или газовая турбина), гидрогенераторы (первичный двигатель — гидравлическая турбина) и дизельные генераторы.

К основным техническим характеристикам синхронных генераторов относятся номинальное напряжение (кВ), номинальная активная мощность (МВт), номинальный коэффициент мощности (для большинства типов генераторов он равен 0,9), номинальная реактивная мощность (Мвар), КПД.

Реактивная мощность генерируется синхронными генераторами при их перевозбуждении, а также конденсаторами и другими элементами. Источники реактивной мощности подразделяют на системные (синхронные генераторы электростанций, синхронные компенсаторы, батареи конденсаторов, статические тиристорные компенсаторы) и потребительские (конденсаторные установки и синхронные двигатели).

Регулирование выдаваемой реактивной мощности генераторов производится при соответствующем изменении тока возбуждения. При перевозбуждении генератор становится источником реактивной мощности, а при недовозбуждении — потребляет ее из сети.

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу. Поэтому он может генерировать или потреблять из сети реактивную мощность. Батареи конденсаторов только генерируют реактивную мощность в систему. Причем реактивная мощность синхронного компенсатора изменяется плавно, а реактивная мощность батареи конденсаторов — ступенчато.

В батареях конденсаторов генерируемая мощность квадратично зависит от напряжения и частоты, что является основным недостатком батарей конденсаторов. В то же время батареи конденсаторов имеют незначительные удельные потери активной мощности (порядка 0,2—0,3%). Выпускаются различные серии комплектных конденсаторных установок напряжением 0,38; 6; 10 кВ. На напряжение 0,4 кВ выпускают самовосстанавливающиеся конденсаторы, т.е. эти конденсаторы, благодаря специальной технологии, после пробоя восстанавливают реактивную емкостную мощность до 90—95% от своей номинальной мощности Qc ном

Синхронные электродвигатели широко используются в электрических сетях промышленных предприятий и выпускаются на напряжения 0,38; 6; 10 кВ. Они работают с опережающим коэффициентом мощности cos ф, что дает возможность применять их для выработки реактивной мощности в сети.

В настоящее время распространение получили статические компенсаторы реактивной мощности, которые могут работать как в режиме генерации, так и в режиме потребления реактивной мощности. Они отличаются исключительным быстродействием, осуществляют плавное регулирование реактивной мощности и выполняют свои функции в электрических системах независимо от качества электроэнергии.

Оперативное управление электрической системой осуществляют диспетчерские службы и специальные управления, которые устанавливают на основании соответствующих расчетов оптимальный режим работы электростанций и сетей в нормальных и аварийных условиях.

Основными требованиями, предъявляемыми к электрическим системам, являются следующие:

  • • обеспечение надежности электроснабжения, которая должна соответствовать экономически оправданным требованиям потребителей. Под надежностью работы электростанций, сетей и систем понимают их свойство функционировать с заданными эксплуатационными параметрами режима, обеспечивая бесперебойное электроснабжение потребителей. Другими словами, это вероятность безотказной их работы на протяжении заданного времени при требуемом качестве электроэнергии. Надежность работы электростанций, сетей и систем характеризуется безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью и сохраняемостью входящих в них элементов;
  • • обеспечение безопасной эксплуатации и возможности перспективного развития;
  • • рабочая мощность электростанций (текущее значение) должна соответствовать спросу потребителей электроэнергии (включая потери в сетях и расход на собственные нужды), изменяющемуся непрерывно в течение суток и года;
  • • обеспечение требуемого качества поставляемой электроэнергии, которое должно соответствовать установленным нормам (ГОСТу на качество электроэнергии);
  • • себестоимость электроэнергии, выработанной и доставленной потребителям, должна быть более низкой; это возможно при выполнении технических требований, направленных на использование более совершенных технических решений, а также на наиболее полное и рациональное использование электрооборудования.

Основными видами потребителей электроэнергии являются:

  • 1) промышленные предприятия;
  • 2) строительство;
  • 3) железнодорожный электрифицированный транспорт;
  • 4) коммунально-бытовые потребители городов и рабочих поселков;
  • 5) сельское хозяйство.

К приемникам электроэнергии относятся синхронные и асинхронные электродвигатели, электрические печи, электротермические, электролизные и сварочные установки, осветительные и бытовые приборы, кондиционные и холодильные установки, радио- и телеустановки, медицинские и другие специальные установки.

Режим потребления электроэнергии различными электроприемниками, как правило, неодинаков, что объясняется многими причинами (разное число смен, изменение режима работы в летнее время, праздничные дни, изменение нагрузки светильников и др.). Режим потребления электроэнергии обычно представляют графиком нагрузки, т.е. зависимостью активной, реактивной мощности, тока от времени. Могут быть и другие параметры, зависимые от времени.

Различают суточные, месячные, квартальные, годовые, а также летние и зимние графики нагрузок. Каждое предприятие или группа предприятий имеет характерный график нагрузки. Чем равномернее графики нагрузки потребителей, тем равномернее и графики нагрузки электрической системы в целом, тем легче обеспечить экономичную работу электростанций.

Работа электрических сетей и систем характеризуется режимом, т.е. совокупностью процессов, определяющих в любой момент времени значения мощностей, напряжений, токов, частоты и других величин, меняющихся в процессе работы. Различают установившийся и переходный режимы работы сетей и систем.

При установившемся режиме мощность, напряжения, токи и другие величины практически не изменяются. При переходном режиме они меняются либо в результате целенаправленного воздействия персонала или автоматических устройств (нормальные переходные процессы), либо под действием случайных возмущений, которые нарушают режим (аварийные переходные процессы). Послеаварийный режим — это состояние сети или системы после устранения аварийных условий.

Качество работы электрической системы зависит во многом от надежности электроснабжения и качества электроэнергии. Надежность в целом определяется устойчивостью электрической системы и ее способностью противостоять развитию аварий (живучестью системы).

Надежная работа электрической системы при авариях в большей степени обеспечивается противоаварийной автоматикой и релейной защитой. Качество электроэнергии, если оно не соответствует нормативным документам, отрицательно влияет на надежность и экономичность электроснабжения (сокращается срок службы электрооборудования, увеличиваются потери электроэнергии в сети и т.д.).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >