Распределение электроэнергии: подстанции, необходимое оборудование, условия распределения, применение, правила учета и контроля

Электроэнергией является свойство магнитного поля преобразоваться в иные виды энергии. Такими видами энергии могут быть: механическая, химическая, паровая, лазерная. Число потребителей и источников потребления постоянно растет. Поэтому вопрос о способах передачи электроэнергии на большие расстояния, с сохранением мощности и ее распределением, остается открытым. Статья опишет основные и актуальные способы передачи, а также современные разработки в области беспроводных технологий.

Общее описание процесса

Как говорилось ранее, начальным объектом, откуда начинается распределение электроэнергии, на сегодняшний день является электрическая станция. В наше время существует три основных типа станции, которые могут снабжать потребителей электричеством. Это может быть тепловая электрическая станция (ТЭС), гидроэлектростанция (ГЭС) и атомная электрическая станция (АЭС). Помимо этих основных типов, есть также солнечные или ветровые станции, однако они используются для более локальных целей.

Эти три типа станция является и источником и первой точкой распределения электроэнергии. Для того чтобы осуществить такой процесс, как передача электрической энергии, необходимо значительно увеличить напряжение. Чем дальше находится потребитель, тем выше должно быть напряжение. Так, увеличение может доходить до 1150 кВ. Повышение напряжения необходимо для того, чтобы снизилась сила тока. В таком случае также падает и сопротивление в проводах. Такой эффект позволяет передавать ток с наименьшими потерями мощности. Для того чтобы повышать напряжение до нужного значения, каждая станция имеет повышающий трансформатор. После прохождения участка с трансформатором, электрический ток при помощи ЛЭП передается на ЦРП. ЦРП – это центральная распределительная станция, где осуществляется непосредственное распределение электроэнергии.

Постоянный ток в качестве альтернативы

В качестве альтернативы электропередачи переменного тока на большое расстояние можно рассматривать ВЛ с постоянным напряжением. Такие ЛЭП обладают следующими преимуществами:

• Протяженность ВЛ не влияет на мощность, при этом ее максимальное значение существенно выше, чем у ЛЭП с переменным напряжением. То есть при увеличении потребления электроэнергии (до определенного предела) можно обойтись без модернизации.
• Статическую устойчивость можно не принимать во внимание.
• Нет необходимости синхронизировать по частоте связанные энергосистемы.
• Можно организовать передачу электроэнергии по двухпроводной или однопроводной линии, что существенно упрощает конструкцию.
• Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи.
• Практически отсутствует генерация реактивной мощности.

Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях.

С инверсией (процесс полностью противоположный выпрямлению) также не все просто, необходимо допиться качественных синусоидальных характеристик, что существенно увеличивает стоимость оборудования. Помимо этого следует учитывать проблемы с организацией отбора мощности и низкую рентабельность при протяженности ВЛ менее 1000-1500 км.

Кратко о свехпроводимости.

Сопротивление проводов можно существенно снизить, охладив их до сверхнизких температур. Это позволило бы вывести эффективность передачи электроэнергии на качественно новый уровень и увеличить протяженность линий для использования электроэнергии на большом удалении от места ее производства. К сожалению, доступные на сегодняшний день технологии не могут позволить использования сверхпроводимости для этих целей ввиду экономической нецелесообразности.

Общее описание пути тока

Такие объекты, как ЦРП, находятся уже в непосредственной близости от городов, сел и т. д. Здесь происходит не только распределение, но и понижение напряжения до 220 или же 110 кВ. После этого электроэнергия передается на подстанции, расположенные уже в черте города.

При прохождении таких небольших подстанций напряжение понижается еще раз, но уже до 6-10 кВ. После этого осуществляется передача и распределение электроэнергии по трансформаторным пунктам, расположенным по разным участкам города. Здесь также стоит отметить, что передача энергии в черте города к ТП осуществляется уже не при помощи ЛЭП, а при помощи проложенных подземных кабелей. Это гораздо целесообразнее, чем применение ЛЭП. Трансформаторный пункт – это последний объект, на котором происходит распределение и передача электроэнергии, а также ее понижение в последний раз. На таких участках напряжение снижается до уже привычных 0,4 кВ, то есть 380 В. Далее оно передается в частные, многоэтажные дома, гаражные кооперативы и т. д.

Если кратко рассмотреть путь передачи, то он примерно следующий: источник энергии (электростанция на 10 кВ) – трансформатор повышающего типа до 110-1150 кВ – ЛЭП – подстанция с трансформатором понижающего типа – трансформаторный пункт с понижением напряжения до 10-0,4 кВ – потребители (частный сектор, жилые дома и т. д.).

Содержание

• 1 История 1.1 Введение трансформатора

Особенности процесса

Производство и распределение электроэнергии, а также процесс ее передачи обладает важной особенностью – все эти процессы являются непрерывными. Другими словами, производство электрической энергии совпадает по времени с процессом ее потребления, из-за чего электрические станции, сети и приемники связаны между собой таким понятием, как общность режима. Данное свойство вызывает необходимость организации энергетических систем, чтобы более эффективно заниматься производством и распределением электроэнергии.

Здесь очень важно понимать, что представляет собой такая энергетическая система. Это совокупность всех станций, линий электропередач, подстанций и других тепловых сетей, которые соединены между собой таким свойством, как общность режима, а также единым процессом производства электрической энергии. Кроме того, процессы преобразования и распределения на данных участках осуществляются под общим управлением всей этой системы.

Основная рабочая единица в таких системах – это электроустановка. Это оборудование предназначено для производства, преобразования, передачи и распределения электроэнергии. Получение данной энергии осуществляется электрическими приемниками. Что касается самих установок, то в зависимости от рабочего напряжения, они делятся на два класса. Первая категория работает с напряжением до 1000 В, а вторая, наоборот, с напряжением от 1000 В и выше.

Кроме того, имеются также специальные устройства для получения, передачи и распределения электроэнергии – распределительное устройство (РУ). Это электроустановка, которая состоит из таких конструкционных элементов, как сборные и соединительные шины, аппараты для коммутации и защиты, автоматика, телемеханика, приборы для измерения и вспомогательные устройства. Данные агрегаты также делятся на две категории. Первая – это открытые аппараты, которые могут эксплуатироваться на открытом воздухе, и закрытые, применяющиеся только при расположении внутри здания. Что касается эксплуатации в черте города таких устройств, то в большинстве случаев используется именно второй вариант.

Одним из последних рубежей системы передачи и распределения электроэнергии является подстанция. Это объект, который состоит из РУ до 1000 В и от 1000 В, а также силовых трансформаторов и других вспомогательных агрегатов.

Смотрите также

• Энергетический портал

• Обратное питание
• Стоимость электроэнергии по источникам
• Динамическое восстановление напряжения
• Электроэнергетика
• Распределительные компании по странам
• Производство электроэнергии
• Розничная торговля электроэнергией
• Защитник сети
• Блок распределения питания
• Автоматизация энергосистемы — Стандарт IEEE для соединения устройств телезащиты и мультиплексора энергетических компаний
• Моделирование энергосистемы
• Оператор системы передачи
• Противопожарные барьеры высоковольтные трансформаторные

Рассмотрение схемы распределения энергии

Для того чтобы более детально рассмотреть процесс производства, передачи и распределения электроэнергии, можно взять в пример структурную схему снабжения электрической энергией города.

В таком случае процесс начинается с того, что генераторы на ГРЭС (государственная районная электростанция) вырабатывают напряжение 6, 10 или 20 кВ. При наличии такого напряжения передавать его на расстояние более чем 4-6 км не экономично, так как будут большие потери. Для того чтобы значительно уменьшить потерю мощности, в линию передачи включается силовой трансформатор, который предназначен для повышения напряжения до таких значений, как 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ. Значение выбирается в зависимости от того, насколько далеко находится потребитель. После этого следует пункт понижения электрической энергии, который представлен в виде понижающей подстанции, находящейся в черте города. Напряжение уменьшается до 6-10 кВ. Здесь стоит добавить, что такая подстанция состоит из двух частей. Первая часть открытого типа рассчитана на напряжение 110-220 кВ. Вторая часть – закрытая, включает в себя устройство распределения электроэнергии (РУ), рассчитанное на напряжение в 6-10 кВ.

ВИДЫ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Электроснабжение от энергосистемы можно осуществить по двум схемам (рис. 8.4):

глубокого ввода двойной магистрали напряжением 35…220 кВ на территорию предприятия с подключением отпайкой от обеих цепей нескольких пар трансформаторов;

с одной мощной ГПП на все предприятие.

Первая схема (см. рис. 8.4, а) применяется на крупных пред­приятиях, занимающих большие территории и располагающих площадями для прохождения линии напряжением 35…220 кВ. Вторую схему (см. рис. 8.4, б)

применяют на предприятиях сред­ней мощности с концентрированным расположением нагрузок. Эти схемы являются основными электротехническими чертежами проекта, на основании которых выполняют все другие чертежи, производятся расчеты сетей и выбор основного электрооборудо­вания.

Номинальная мощность трансформатора

Рис. 8.3. Кривые кратностей допустимых перегрузок трансформаторов

По найденному значению SН при­нимают ближайшую стандартную мощность трансформатора SН.T..,,

При проектировании подстанций, для которых график нагрузки неизве­стен, мощность трансформаторов при­нимают по расчетной нагрузке (см. гл. 3).

Чтобы выбрать наиболее рацио­нальный вариант электроснабжения,

При проектировании электроснабжения промышленных предприятии на схемах высокого напряжения должны быть показаны источники питания, распределительные пункты и трансформа-( торные подстанции со сборными шинами, основная коммутаци­онная аппаратура (масляные или воздушные выключатели, реак­торы), размещение устройств АВР, все трансформаторы и элек­троприемники высокого напряжения (высоковольтные электро­двигатели, преобразовательные агрегаты, электропечи и др.). Рядом с соответствующими графическими обозначениями нужно указать номинальное напряжение сборных шин, типы выключа­телей, номинальные токи и реактивные сопротивления реакто­ров, номинальные мощности и напряжения обмоток трансформаторов и схемы их соединения, номинальные выпрямленные токи и напряжения преобразовательных агрегатов, номинальные мощ­ности электродвигателей. Около изображений кабельных и воз­душных линий указывают их длину, а также марки и сечения ка­белей, материал (медь или алюминий) и сечения проводов воз­душных линий и токопроводов.

Рис.

8.5. Магистральные схемы электроснабжения:

а

— одиночная;
б
— сквозная с двусторонним питанием;
в —
кольцевая;
г
—

двойная; ТТЛ—ТП6 — трансформаторные подстанции

Напряжение 110 кВ наиболее широко применяют для электро­снабжения предприятий от энергосистемы. Рост мощностей про­мышленных предприятий, снижение минимальной мощности трансформаторов на 110/6… 10 кВ до 2500 кВ * А способствуют ис­пользованию напряжения 110 кВ для питания предприятий не толь­ко средней, но и небольшой мощности.

Напряжение 220 кВ применяют для электроснабжения от энер­госистемы крупных предприятий, создания глубоких вводов с ра­зукрупнением подстанций. В некоторых случаях применению на­пряжения 220 кВ в СЭС способствует близкое расстояние от пред­приятия до трассы линий напряжением 220 кВ энергосистемы.

Распределительная сеть напряжением 6 (10) кВ (реже 35 кВ) — это внутренняя сеть предприятия, служащая для передачи элект­роэнергии с шин ГППи ПГВ в распределительные и транс­форматорные пункты по воздушным, кабельным линиям и токопроводам. В зависимости от категории нагрузок и от их рас­положения распределительная сеть от одного или двух независи­мых источников строится по радиальной, магистральной или сме­шанной схеме.

Магистральные схемы могут быть одиночными, сквозными с двусторонним питанием, кольцевыми и двойными.

Одиночную схему(рис. 8.5, а) применяют для потребителей треть­ей категории. При этой схеме требуется меньшее число линий и выключателей. К одной магистрали подключают два-три транс­форматора ТП мощностью 1000… 1600 кВ-А или четыре-пять транс­форматоров мощностью 250…630 кВ А (ограничение вносит чув­ствительность релейной защиты). Недостаток схемы — отсутствие резервного канала электроснабжения на случай повреждения ли­нии. Поэтому для кабельных линий такую схему не применяют, так как время отыскания мест повреждений и ремонта кабелей может превышать 24 ч.

Более надежна сквозная схема с двусторонним питанием

(рис. 8.5,
б).
Магистраль присоединяют к разным источникам питания. В нор­мальных условиях она разомкнута на одной из подстанций. Схема применяется для питания потребителей второй категории.

Кольцевая схема(рис. 8.5, в)

создается путем соединения двух одиночных магистралей перемычкой на напряжение 6 (10) кВ. Схема применяется для питания по воздушным линиям потреби­телей второй категории. В нормальном режиме кольцо разомкнуто и питание подстанций осуществляется по одиночным магистра­лям. Но при выходе любого участка сети питание ТП прерывается лишь на время операций по отключению в ремонт поврежденного участка и включению разъединителя перемычки.

Двойная схема(рис. 8.5, г)

достаточно надежна, так как при любом повреждении на линии или в трансформаторе все потре­бители (в том числе первой категории) могут получать электро-

Рис. 8.6. Радиальные схемы электроснабжения для питания потребителей третьей (а),

второй
(б)
и первой
(в)
категорий надежности электро­снабжения

энергию по второй магистрали. Ввод резервного питания происходит автоматически с помощью устройств АВР. Данная схема | дороже, чем рассмотренные выше, так как расходы на сооруже­ние линий удваиваются.

Радиальные схемы(рис. 8.6) применяют для питания со­средоточенных нагрузок и мощных электродвигателей. Для по­требителей первой и второй категорий предусматривают двухцепные радиальные схемы, а для потребителей третьей категории — одноцепные схемы. Радиальные схемы надежнее и легче автома­тизируются, чем магистральные.

Схема, показанная на рис. 8.6, а,

предназначена для потреби­телей третьей категории. При подключении устройства автомати­ческого повторного включения (АПВ) воздушной линии эту схе­му можно применять для потребителей второй категории, а при наличии аварийных источников питания — и для потребителей первой категории.

Схему, показанную на рис. 8.6, б,

используют для потребите­лей второй категории. В некоторых случаях ее можно применять и для потребителей первой категории. При исчезновении напряжения на одной из секций шин часть потребителей, присоединенных к другой секции, остается в работе.

Схему, приведенную на рис. 8.6, в,

применяют для потребите­лей первой категории. Питание потребителей при исчезновении напряжения на одной из секций шин восстанавливается автома­тическим включением секционного выключателя.

Смешанные схемысочетают элементы магистральных и ради­альных схем (рис. 8.7). Основное питание каждого из потребителей

осуществляется по радиальным линиям, а резервное — по од­ной сквозной магистрали, пока­занной на рис. 8.7 штриховой линией.

На всех приведенных схемах секционные аппараты в нор­мальном режиме находятся в отключенном состоянии. В основ­ном в распределительных сетях

Рис. 8.7. Смешанная схема электро­снабжения

применяют разомкнутые схемы, отвечающие требованиям огра­ничения токов короткого замыкания и независимого режима ра­боты секций.

Замкнутые сети применяют редко, так как в них значительно (до двух раз) повышаются токи короткого замыкания, требуются выключатели на обоих концах линий, усложняются релейные за­щиты. Однако замкнутые сети имеют ряд преимуществ: большую надежность питания приемников, которые всегда подключены к двум (или более) источникам питания; меньшие потери энергии благодаря более равномерной загрузки сети; меньшее падение на­пряжения. Эти достоинства особенно существенны при электро­снабжении крупных установок. В таких установках пуск мощного электродвигателя может вызвать при разомкнутой схеме большие отклонения напряжения, делающие пуск и самозапуск двигателя под нагрузкой невозможными, поскольку пусковой момент ста­новится ниже момента сопротивления на валу двигателя.

Включение трансформаторов и линий на параллельную работу резко (почти вдвое) уменьшает эквивалентное сопротивление сети питания и обеспечивает успешный пуск двигателя. В некоторых случаях такое включение используется только на время пуска ос­новных двигателей (например, на крупных насосных, компрес­сорных станциях, где применяются двигатели соизмеримой с трансформаторами мощности).

Электроснабжение металлургических заводов, имеющих пол­ный цикл производства (доменный, сталеплавильный и прокат­ный цехи), осуществляют, как правило, от ближайшей энерго­системы через подстанцию энергосистемы при напряжении 110 или 220 кВ и от местной заводской ТЭЦ (рис. 8.8). Местная завод­ская ТЭЦ обычно имеет связь с энергосистемой напряжением 110кВ(220кВ).

Ударные нагрузки прокатных цехов должны восприниматься энергосистемой. Это необходимо учитывать при разработке про­екта электроснабжения металлургического завода. Энергосистема должна быть мощной, чтобы обеспечить минимальный допусти­мый уровень колебаний напряжения в питающей сети 110 кВ (220 кВ).

Для ограничения вредного влияния ударных циклических на­грузок на качество электроэнергии в системе электроснабжения рекомендуются следующие мероприятия.

1. Ограничение реактивной мощности, потребляемой вен­тильными преобразователями при их работе с глубоким регули­рованием.

2. Разработка и внедрение электроприводов с пониженным по­треблением реактивной мощности.

3. Приближение источников питания к электроприемникам с ударной нагрузкой; питание дуговых электропечей при повышенном напряжении; питание крупных электродвигателей непосред­ственно от ГПП или ПГВ, минуя соответствующую цеховую под­станцию, и т.п.

Рис. 8.8. Структурная схема электроснабжения блюминга привод)

.4. Уменьшение реактивного сопротивления линий, питающих крупные электроприемники, за счет применения кабелей и токопроводов с пониженной реак­тивностью, уменьшения реак­тивности реакторов и т. п.; при­менение выключателей с повы­шенным предельным отключае­мым током.

5. Присоединение ударных и спокойных нагрузок к разным ветвям сдвоенного реактора (рис. 8.9), параметры которого должны быть выбраны исходя из

Рис. 8.9. Схемы питания ДСП с ис­пользованием сдвоенного реактора

условий стабилизации напряже­ния на ветви реактора, питаю­щей электроприемники со спо­койным режимом работы.

6. Применение на ГПП и ПГВ трансформаторов, имеющих расщепленные обмотки вторичного напряжения с коэффициентом расщепления Кр >

3,5, при выделении на одну из обмоток питания резкопеременных ударных нагрузок.

7. Питание групп электроприемников с ударными нагрузками (при значительной их мощности) через отдельные трансфор­маторы.

8. Применение синхронных компенсаторов с быстродейству­ющим (тиристорным) возбуждением, а также синхронных элект­родвигателей, имеющих свободную реактивную мощность для ог­раничения влияния ударных и вентильных нагрузок.

Для синхронных электродвигателей, получающих питание от общих шин с ударными нагрузками, следует применять автома­тические быстродействующие регуляторы возбуждения.

Из перечисленных схем наиболее широкое применение, осо­бенно для предприятий средней мощности, находят схемы с рас­щепленными обмотками трансформаторов ГПП и сдвоенными реакторами (см. рис. 8.9).

В сдвоенном реакторе падение напряжения в каждой секции обмотки

где Iобм — ток в секциях обмотки реактора; Хl

— индуктивное сопротивление обмотки реактора;
КM —
коэффициент взаимоин­дукции между секциями обмотки сдвоенного реактора,
Км ~
0,5. Колебания напряжения на секциях со спокойной нагрузкой под влиянием резкопеременной нагрузки на других секциях бу­дут меньше, чем при подключении всех нагрузок к одной сек­ции шин.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВАРИАНТОВ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Варианты схем электроснабжения, подлежащие технико-эко­номическому сравнению, должны быть приведены к сопостави­мому виду, т. е. схема каждого варианта должна обеспечивать пе­редачу и распределение всей необходимой мощности при соблю­дении требований ПУЭ, а также требований к качеству электро­энергии у электроприемников.

До накопления необходимых статистических данных по ава­рийности электрооборудования и сетей промышленных предпри­ятий и практического освоения количественной (стоимостной) оценки надежности электроснабжения следует стремиться к тому, чтобы экономически сравниваемые варианты обладали одинако­вой степенью надежности. Во многих случаях этого не удается достичь полностью. Поэтому помимо экономического сравнения рассматриваемых вариантов необходимо проводить тщательный качественный анализ надежности и других технических показателей каждого из сравниваемых вариантов на основе опыта проектирования и эксплуатации.

Критерием экономичности данного варианта схемы электро­снабжения служат приведенные затраты

где Ен

— нормативный коэффициент эффективности капиталь­ных вложений;
К
— единовременные капитальные вложения;
С —
ежегодные текущие затраты при нормальной эксплуатации.

Капитальные вложения К

определяют по справочным данным для всех элементов электроснабжения, входящих в изменяющуюся часть сравниваемых вариантов, с учетом стоимости монтажа и I строительных работ.

Капитальные вложения включают в себя стоимость выключателей, разъединителей (или ячеек с ними), короткозамыкателей, I воздушных и кабельных линий, трансформаторов и т.д.

Площадь сечения проводов линии предварительно находят по экономической плотности тока (см формулу (5.37)). При этом расчетный ток линии /р определяют по мощности трансформато­ра. Провода, выбранные по экономической площади сечения Еж,

проверяют на нагрев при расчетном токе, на допустимую потерю напряжения и возможность появления короны.

Трансформаторы выбирают по расчетной мощности.

Ежегодные текущие затраты С

складываются из стоимости потерь
Сп
и амортизационных отчислений Са:

Стоимость потерь электроэнергии Сn при оплате по двухставочному тарифу можно определить по формуле

где Со.п

— основная плата за 1 кВт максимальной мощности, руб.;
АРМ —
максимальные потери активной мощности, кВт; Сд.п — дополнительная плата за 1 кВт-ч, руб.;
АЭТ —
расчетные годовые потери электроэнергии, кВт-ч.

Амортизационные отчисления

где Ро, Рт, Рл —

амортизационные отчисления,
%,
соответствен­но на оборудование, трансформаторы, линии;
Ко, Кт, Кл —
стои­мости соответственно оборудования, трансформаторов, линии, руб.

Для воздушных линий на железобетонных опорах амортизаци­онные отчисления принимают равными 3,5 %, на деревянных опо­рах — 6; для кабельных линий 4,5; подстанций и распределитель­ных пунктов 9; конденсаторных установок 10 %.

Двухставочный тариф состоит из годовой платы за 1 кВт заяв­ленной (абонированной) потребителем максимальной мощности, используемой при максимуме нагрузки энергосистемы и платы за I кВт • ч, отпущенной потребителю активной электрической элек­троэнергии.

Под заявленной мощностью подразумевается абонированная потребителем наибольшая получасовая электрическая мощность, реализуемая в период максимальной нагрузки энергосистемы.

Часы максимума нагрузки энергосистемы устанавливаются энергоснабжающей организацией по кварталам в соответствии с ре­жимом нагрузки энергосистемы и фиксируются в договоре на пользование электроэнергией.

Отпускаемая потребителю активная электроэнергия учитыва­ется счетчиком, устанавливаемым на стороне первичного напря­жения головного абонентского трансформатора. Если же счетчик находится на стороне вторичного напряжения, т.е. после голов­ного абонентского трансформатора, то указанная в прейскуранте плата за 1 кВт-ч отпущенной потребителю электроэнергии умно­жается на коэффициент 1,025.

По двухставочным тарифам осуществляется расчет с предпри­ятиями с присоединенной мощностью 750 кВА и выше.

Расчеты за электроэнергию, расходуемую на освещение и про­чие нужды зданий и помещений, не связанных с производством (жилые поселки, клубы, дома культуры, больницы, детские сады и т.п.) осуществляются по одноставочным тарифам, установлен­ным прейскурантом для потребителей соответствующих групп.

Если отдельный цех или отдельные объекты расположены обо­собленно от предприятия и не имеют с ним общей распредели­тельной сети, расчеты осуществляются по тарифам, установлен­ным для потребителей соответствующей группы, независимо от тарифа, применяемого в расчетах с основным предприятием.

Если сравниваемые варианты различаются по надежности, то выражение (8.6) принимает вид

Убыток (ущерб) Уп от перерывов в электроснабжении потре­бителей определяют по формуле

где Рср —

среднегодовая нагрузка, МВт; Тср — среднегодовое вре­мя перерыва, ч;
у
— средний ущерб от недоотпуска 1 МВт-ч элек­троэнергии.

Если сравниваемые варианты отличаются, кроме всего проче­го, значением естественного (без компенсации) коэффициента мощности на шинах источника питания, то в формулу приведен­ных затрат добавляется еще одно слагаемое:

где Зк —

приведенные затраты на компенсацию реактивной мощ­ности.

Для подсчета указанных затрат (в тыс. руб./год) пользуются выражением

где Зук —

удельные затраты на компенсацию 1 квар реактивной мощности, руб/квар * год); (2бк — суммарная реактивная мощ­ность батарей конденсаторов, необходимая для доведения соsф до нормативного значения, Мвар.

Из сравниваемых вариантов схем электроснабжения экономи­чески наиболее целесообразен тот, при котором приведенные зат­раты будут наименьшими. Если приведенные затраты сравнивае­мых вариантов равны или отличаются незначительно (не более чем на 10 %), то решающее значение для выбора варианта имеют следующие технические (качественные) показатели:

надежность элементов системы электроснабжения;

приспособленность к восприятию растущих нагрузок без суще­ственной реконструкции действующей части СЭС;

лучшие условия для монтажа и эксплуатации;

степень зависимости основных линий и узлов СЭС от измене­ния технологии и очередности строительства;

номинальное напряжение сети (предпочтение отдается вари­анту с более высоким напряжением);

качество напряжения (в пределах, допускаемых ГОСТ 13109 — 97);

количество оборудования и сложность схемы.

Экономичность одного варианта по отношению к другому ха­рактеризуется степенью экономичности

где АЗ

и
АК—
разности годовых эксплуатационных затрат и капи­тальных вложений, тыс. руб.

В систему внешнего электроснабжения входят линии с ячей­ками в их начале или отпайки от линии. Число линий определяет­ся в зависимости от категории надежности электроснабжения по­требителей (см. табл. 2.1) и передаваемой мощности. Широко рас­пространены схемы с короткозамыкателями и отделителями на высшем напряжении. Установка перемычки на высшем напряже­нии определяется необходимостью питания двух трансформато­ров от одной линии.

Для выбора схемы намечают два-три варианта и для каждого находят технико-экономические показатели. Учитывая, что опре­деляющим показателем служит в основном напряжение питания, сравнивают, насколько оно при том или ином варианте отличает­ся от рационального. Для подсчета рационального напряжения питания пользуются эмпирической формулой

где Рм

— максимальная передаваемая по линии мощность, МВт; l — расстояние от точки подключения линии до подстанции объек­та, км.

Пример 8.1. Выбрать число и мощность трансформаторов для ГПП напряжением 110/10 кВ, если максимальная нагрузка 5М = = 10 000 кВ А, среднесуточная нагрузка 5ср = 8700 кВА, продол­жительность максимума нагрузки t=2ч, потребители первой и второй категории составляют 80%, стоимость 1 кВт-ч электро­энергии Со = 2 руб., число часов использования максимума на­грузки Ти =.

2400 ч.

.

Решение.

Так как имеются потребители первой и второй катего­рий, принимаем двухтрансформаторную схему и соответственно две питающие линии. Рациональное напряжение

Намечаем два варианта электроснабжения: I — передача элек­троэнергии при напряжении 110 кВ; II — при напряжении 35 кВ.

Принимаем для обоих вариантов схему с отделителями и короткозамыкателями. Выбираем трансформатор ТМН/6 300/110, тех­нические характеристики которого приведены в примере 8.1. Рас­четы проведем для I варианта.

Расчетный ток

Здесь 1,4 — коэффициент допустимой перегрузки трансформа­тора.

Площадь сечения проводов воздушной линии определяем по экономической плотности тока

При напряжении 110 кВ минимальная площадь сечения прово­да ВЛ составляет 70 мм2.

Принимаем двухцепную линию с проводом марки АС-70 на железобетонных опорах. Стоимость 1 км такой линии составляет 135 тыс. руб.

Открытое распределительное устройство напряжением ПО кВ включает два блока с короткозамыкателями и отделителями. Сто­имость блока Ко

= 1500 тыс. руб. Стоимость ячеек районной под­станции не учитывается, так как в обоих вариантах она не изме­няется.

Эксплуатационные затраты:

а) потери активной энергии в линии находим по формуле (5.23):

б) потери активной энергии в трансформаторах АЭат подсчитываются так же, как в примере 8.1.

Стоимость потерь электроэнергии определяют по формуле

Амортизационные отчисления

Приведенные затраты подсчитываются по формуле

Аналогично проводят расчеты для II варианта. Схема выбира­ется на основании сравнения технико-экономических показате­лей вариантов.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные принципы построения схем электроснабжения.

2. Перечислите преимущества и недостатки радиальных и магистраль­ных схем.

3. В чем заключается технико-экономический выбор схемы электро­снабжения?

4. Почему распределительные сети выполняют в основном разомкнутыми?

5. Опишите схему подстанции напряжением 35… 220/6 кВ без выклю­чателей на высшем напряжении.

6. Какие схемы вводов напряжением 6 (10) кВ от трансформаторов применяют на подстанциях напряжением 35…220/6 (10) кВ?

7. Как выбирается мощность трансформатора ГПП?

8. Почему ГПП и РП следует располагать вблизи центра электричес­ких нагрузок?

ГЛАВА 9

Участки схемы поставки электроэнергии

Помимо тех устройств, что были перечислены ранее, в систему снабжения энергией входят также такие объекты, как питающая кабельная линия – ПКЛ, распределительная кабельная линия – РКЛ, кабельная линия с напряжением в 0,4 кВ – КЛ, распределительное устройство вводного типа в жилом доме – ВРУ, главная понижающая подстанция на заводе – ГПП, шкаф распределения электроэнергии или же щитовое устройство ЩУ, размещаемое в цехе завода, и рассчитанное на 0,4 кВ.

Также в схеме может присутствовать такой участок, как центр питания – ЦП. Здесь важно отметить, что этот объект может быть представлен в виду двух разных устройств. Это может быть распределительное устройство вторичного напряжения на понижающей подстанции. Кроме того, в его состав будет также входить прибор, который будет выполнять функции регулировки напряжения и последующей поставки его к потребителям. Второй вариант исполнения – это трансформатор, для передачи и распределения электроэнергии, или же распределительное устройство генераторного напряжения непосредственно на электрической станции.

Стоит отметить, что ЦП всегда соединяется с распределительным пунктом РП. Линия, которая соединяет эти два объекта, не имеет распределения электрической энергии по всей своей длине. Такие линии обычно называют кабельными.

На сегодняшний день в энергосети может использоваться такое оборудование, как КТП – комплектная трансформаторная подстанция. Она представляет собой несколько трансформаторов, распределительное или же вводное устройство, рассчитанное на работу с напряжением в 6-10 кВ. Также в комплект входит распределительное устройство на 0,4 кВ. Все эти приборы соединены между собой токопроводами, а поставляется комплект в уже готовом либо в готовом для сборки виде. Прием и распределение электроэнергии может также происходить на на высоких конструкциях или же на опорах линий электропередачи. Такие конструкции называются либо столбовыми, либо мачтовыми трансформаторными подстанциями (МТП).

Беспроводная передача

Передать и распределить ток по потребителям без использования проводов, это реалии наших дней. Об этом способе впервые задумался и воплотил его в жизнь Никола Тесла. На сегодняшний день ведутся разработки в этом направлении. Основных способов всего 3.

Катушки

Катушками индуктивности является свернутый в спираль изолированный провод. Метод передачи тока состоит из 2 катушек, расположенных рядом друг с другом. Если подать электрический ток на одну из катушек, на второй появится магнитное возбуждение такого же напряжения. Любые изменения напряжения на катушке передатчике, изменятся на катушке приемнике. Подобный способ очень прост и имеет шансы на существование. Но есть и свои недостатки:

• нет возможности подать высокое напряжение и принять его, тем самым невозможно обеспечить напряжением несколько потребителей одновременно;
• невозможно передать электричество на большое расстояние;
• коэффициент полезного действия (КПД) подобного способа — всего 40 %.

На данный момент актуальны способы простого использования катушек, как источника и получателя энергии. Этим способом заряжают электрические самокаты и велосипеды. Есть проекты электромобилей без аккумулятора, но на встроенной катушке. Предлагается использовать дорожное покрытие в качестве источника, а машину в качестве приемника. Но себестоимость прокладки подобных дорог очень высокая.

Лазер

Передача электричества посредством лазера, представляет собой источник, преобразующий энергию электричества в лазерный луч. Луч фокусируется на приемник, который его преобразует обратно в электричество. Компания Laser Motive смогла передать при помощи лазера 0.5 Кв электрического тока, на расстояние в 1 км. При этом потеря напряжения и мощности составила 95 %. Причиной потери стала атмосфера Земли. Луч многократно сужается при взаимодействии с воздухом. Также проблемой может стать обычное преломление луча случайными предметами. Подобный способ, без потери мощности, может быть актуальным только в космическом пространстве.

Микроволновая передача

Основой для передачи электроэнергии путем микроволн, стала способность 12 см волн, частотой в 2.45 ГГц, быть незаметными для атмосферы Земли. Подобная особенность могла бы сократить до минимума потерю при передаче. Для подобного способа нужны передатчик и приемник. Люди давно создали передатчик и преобразователь электрической энергии в микроволновую. Это изобретение называется магнетрон. Он стоит в каждой микроволновой печи и является очень безопасным. Вот с изобретением приемника и преобразователя микроволн обратно в электричество возникли проблемы.

В 60-х годах прошлого века, американцы изобрели ректенну. Иными словами, приемник микроволн. С помощью изобретения удалось передать 30 кВт электрического тока на расстояние в 1.5 км. При этом коэффициент потерь составил всего 18 %. На большее установка была не способна по причине использования полупроводниковых деталей в устройстве приемника. Для приема и передачи большей мощности энергии, при использовании ректенны, пришлось бы создать огромную принимающую панель. Это бы увеличило затрачиваемую энергию, частоту и длину волн, а значит и процент сопутствующей потери. Высокое излучение могло бы убить все живое в радиусе нескольких десятков метров.

В СССР был изобретен циклотронный преобразователь микроволн в электричество. Он представлял собой 40 см трубку и был полностью собран на лампах. КПД устройства равнялось 85 %. Но для этого способа основным минусом является способ сборки на лампах. Устройства на подобных деталях могут вернуть человечество в мир огромных телефонов, компьютеров величиной с комнату. О миниатюрных электрических приборах можно забыть.

Передачу микроволн можно было организовать из космоса. Подобный проект предполагал собирать энергию солнца при помощи спутника и перенаправлять на приемник, расположенный на поверхности Земли. Но для этого придется построить спутник диаметром в километр и приемник диаметром в 5 километров. О полетах в зоне действия системы можно полностью забыть.

Главной проблемой при передаче электричества беспроводным способом, является расстояние и атмосферные преломления. Стоит также учитывать мощности. Общая потребляемая мощность всех электрических приборов в квартире, равняется 30–40 кВт. Для обеспечения электричеством одной квартиры, пришлось бы строить гигантские сооружения.

На сегодняшний день единственным способом передачи энергии большой мощности, является проводной. Он не требует прямого и обратного преобразования электрической энергии. Достаточно только подать высокое напряжение в начале и существенно занизить его в конце. Этот способ имеет ряд недостатков, но остается актуальным долгие годы.

Первая категория электрических приемников

На сегодняшний день имеется три категории электроприемников, которые отличаются между собой степенью надежности.

К первой категории электрических приемников относятся те объекты, при нарушении электроснабжения которых возникают достаточно серьезные проблемы. К последним относят следующее: угроза жизни человеку, сильные ущерб народному хозяйству, повреждение дорогого оборудования из основной группы, массовый брак продукции, разрушение устоявшегося технологического процесса получения и распределения электроэнергии, возможное нарушение в работе важных элементов коммунального хозяйства. К таким электроприемникам относятся здания с большим скоплением людей, к примеру, театр, универсам, универмаг и т. д. Также к этой группе принадлежит и электрифицированный транспорт (метро, троллейбус, трамвай).

Что касается снабжения электроэнергией данных сооружений, то они должны обеспечиваться электричеством от двух источников, которые независимы друг от друга. Отключение от сети таких построек допускается лишь на срок, в течение которого будет запускаться резервный источник питания. Другими словами, система распределения электроэнергии должна предусматривать быстрый переход от одного источника на другой, в случае аварийной ситуации. Независимым источником питания в данном случае считается тот, на котором сохранится напряжение даже в том случае, если на других источниках, питающих один и тот же электроприемник, оно пропадет.

К первой категории также относятся устройства, которые должны питаться сразу от трех независимых источников. Это особая группа, работа которой должна быть обеспечена в бесперебойном режиме. То есть не допускается отключение от электропитания даже на время включения аварийного источника. Чаще всего к такой группе относят приемники, выход из строя которых влечет за собой возникновение угрозы для жизни человека (взрыв, пожар и т. д.).

Вторая и третья категория приемников

Системы распределения электроэнергии с подключением второй категории электрических приемников включают в свой состав такое оборудование, при отключении питании которого возникнет массовый простой рабочих механизмов и промышленного транспорта, недоотпуск продукции, а также нарушения деятельности массового количества людей, проживающих как в черте города, так и за ее пределами. К такой группе электроприемников относятся жилые дома выше 4 этажа, школы и больницы, силовые установки, отключение питания которых не повлечет за собой выход из строя дорогостоящего оборудования, а также другие группы электрических потребителей с общей нагрузкой от 400 до 10 000 кВ.

В качестве источников энергии данной категории должны выступать две независимые станции. Кроме того, отключение от основного источника питания этих объектов допускается до тех пор, пока дежурный персонал не запустит в работу резервный источник, или же это не сделает дежурная бригада рабочих ближайшей электроснабжающей станции.

Что касается третьей категории приемников, то к ним принадлежат все оставшиеся устройства, которые могут питаться всего от 1 источника питания. Кроме того, отключение от сети таких приемников допускается на время ремонта или замены поврежденного оборудования на срок не более суток.

Принципиальная схема снабжения и распределения электрической энергии

Контроль распределения электроэнергии и ее передачу от источника к приемнику третьей категории в черте города легче всего осуществлять, применяя радиальную тупиковую схему. Однако такая схема обладает одним существенным недостатком, который заключается в том, что при выходе одного любого элемента системы из строя без электроэнергии будут оставаться все приемники, подключенные к такой схеме. Так будет продолжаться до тех пор, пока не будет заменен поврежденный участок цепи. Из-за данного недостатка применять такую схему включения не рекомендуется.

Если говорить о схеме подключения и распределения энергии для приемников второй и третьей категории, то здесь можно использовать кольцевую принципиальную схему. При таком подключении, если произойдет сбой в работе одной из линии электропередачи, можно восстановить электроснабжение всех приемников, подключенных к такой сети в ручном режиме, если отключить питание от основного источника и запустить резервный. Кольцевая схема отличается от радиальной тем, что у нее имеются специальные участки, на которых в отключенном режиме находятся разъединители или же выключатели. При повреждении основного источника питания их можно включить, чтобы восстановить подачу, но уже от резервной линии. Также это будет служить хорошим преимуществом в том случае, если на основной линии необходимо провести какие-либо ремонтные работы. Перерыв в электроснабжении такой линии допускается на срок около двух часов. Этого времени хватает для того, чтобы отключить поврежденный основной источник питания и подключить к сети резервный, чтобы он осуществлял распределение электроэнергии.

Есть еще более надежный способ подключения и распределения энергии – это схема с параллельным включением двух питающих линий или же введение автоматического подключения резервного источника. При наличии такой схемы поврежденная линия будет отключаться от общей системы распределения при помощи двух выключателей, расположенных с каждого конца линии. Снабжение же электричеством в таком случае будет осуществляться во все еще бесперебойном режиме, но уже по второй линии. Такая схема актуальна для приемников второй категории.

Схемы распределения для первой категории приемников

Что касается распределения энергии для питания приемников первой категории, то в данном случае необходимо подключение от двух независимых центров питания одновременно. Кроме того, в таких схемах часто используется не один распределительный пункт, а два, а также всегда предусмотрена система автоматического включения резервного питания.

Для электрических приемников, которые принадлежат к первой категории, автоматика переключения на резервное питание устанавливается на вводно-распределительных устройствах. При такой системе подключения распределение электрического тока осуществляется при помощи двух силовых линий, каждая из которых характеризуется напряжением до 1 кВ, а также подключаются к независимым трансформаторам.

Другие схемы распределения и питания приемников

Для того чтобы максимально эффективно распределять электроэнергию по приемникам второй категории, можно использовать схему с максимальной токовой защитой одного или двух РП, а также схему с автоматическим включением резервного питания. Однако здесь есть определенное требование. Использовать эти схемы можно лишь в том случае, если затраты материальных средств на их обустройство не вырастут более чем на 5%, по сравнению с обустройством ручного перехода на резервный источник питания. Кроме того, обустраивать такие участки необходимо таким образом, чтобы одна линия могла принять на себя нагрузку со второй, с учетом кратковременной перегрузки. Это необходимо, так как при выходе из строя одной из них распределение всего напряжения перейдет на оставшуюся одну.

Существует довольно распространенная лучевая схема подключения и распределения. В таком случае один распределительный пункт будет питаться от двух разных трансформаторов. К каждому из них подводится кабель, напряжение в котором не превышает 1000 В. На каждом из трансформаторов также устанавливается по одному контактору, который предназначен для того, чтобы в автоматическом режиме переключить нагрузку с одного силового агрегата на другой, если на каком-либо из них пропадет напряжение.

Если подводить итог о надежности сети, то это одно и наиболее важных требований, которое необходимо соблюдать, чтобы распределение энергии не прерывалось. Чтобы достичь максимального показателя надежности, нужно не только использовать наиболее подходящие схемы снабжения для каждой категории. Важно также правильно подбирать марки кабелей, а также их толщину и сечение с учетом их нагрева и потерями мощности при протекании тока. Немаловажно также соблюдать правила технической эксплуатации и технологию проведения все электромонтажных работ.

Исходя из всего выше сказанного, можно сделать вывод, что устройство приема и распределения электроэнергии, а также поставка от источника к конечному потребителю или приемнику – это не такой уж и сложный процесс.