Электрическая сеть, как часть электрической системы

Введение в электроэнергетику. Цели и задачи курса. Основные понятия. Номинальные напряжения

План.

1. Физическая природа электричества.

2. Свойства электроэнергии.

3. Цель и задачи курса.

4. Электрическая сеть, как часть электрической системы.

5. Номинальные напряжения. Область их использования.

Физическая природа электричества

Физическая природа электричества может рассматриваться в двух аспектах:

· корпускулярном (молекулярном), т.е. в виде потока электронов;

· в волновом, т.е. в виде электромагнитного поля, которое имеет различные проявления в электроэнергетике.

При молекулярном аспекте за единицу энергии принимают 1 МэВ, при вол-новом – 1 кВт·ч. Их соотношение таково:

1 МэВ = 4,42·10^-20 1 кВт·ч.

Соотношение этих величин подчеркивает, что энергетические задачи должны рассматриваться не в молекулярном, а в волновом аспекте.

Передача электроэнергии тоже рассматривается в волновом аспекте. Линия электропередач не транспортирует электричество, как каналы транспортируют воду. Она является волноводом, который заставляет энергию следовать по опре-деленному пути. Такой волновод является наиболее простым средством передачи энергии при волнах малой длины.

Свойства электроэнергии

Та огромная роль, которую играет электроэнергия в нашей жизни обусловле-на следующими ее свойствами:

· легкость передачи на большие расстояния по сравнению с другими видами энергии;

· возможность преобразований в другие виды энергий с высоким к.п.д. независимо от ее количества. Поэтому нет необходимости в ее хранении;

· электроэнергия проявляется в виде потока, который раздробить на части легче, чем другие энергетические потоки (уголь, нефтепродукты);

· потребление электроэнергии может плавно меняться от нуля до максимума в зависимости от хода самого процесса производства или нагрузки рабочего механизма;

· возможность значительной концентрации мощности при производстве электроэнергии;

· поток электроэнергии можно представить непрерывным или перио-дическим в виде синусоиды. Такое представление наиболее удобно для информационных потоков. Поэтому ЛЕП часто используются и для передачи информации;

· электроэнергия является наиболее чистым видом энергии и наимешьшей степени загрязняет окружающую среду;

· ориентация на использование трехфазного тока придала использованию электроэнергии однородность.

Цель и задачи курса

Цель изучения дисциплины заключается в формировании знаний в области теории расчетов и анализа установившихся режимов электрических систем и се-тей и управления ими, а также в области их проектирования.

К основным задачам относятся:

· ознакомление с физической сущностью явлений, которые сопровождают процесс производства, распределения и потребления электроэнергии;

· составление схем замещения отдельных элементов сети и участка элект-рической сети в целом;

· определение их параметров;

· расчет различных режимов электрических сетей и систем и их анализ;

· разработка рекомендаций по улучшению режимов.

Курс основывается на дисциплинах “Математика”, “Физика”, “Технология производства электроэнергии”, “Теоретические основы электротехники”. Курс предваряет дисциплины “Электрооборудование станций и подстанций”, “Релейная защита”, “Переходные процессы в элетрических системах”.

Электрическая сеть, как часть электрической системы

По технико-экономическим соображениям все электростанции, которые расположены в одном регионе, соединяются между собой для параллельной работы на общую нагрузку при помощи ЛЕП различного класса напряжения. Объединение отличается общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления тепловой и электрической энергий. Оно называется энергетической системой. Другими словами, энергетическая система – это совокупность всех звеньев цепочки получения, преобразования, распределения и использования тепловой и электрической энергии. Схематично энергетическая система представлена на рис. 1.1.

Электрическая или электроэнергетическая система представляет собой часть энергетической системы. Из нее исключаются тепловые сети и тепловые потребители.

Электрическая система представляет собой сложный объект. Сложность обусловлена рядом специфических особенностей:

· постоянное совпадение по времени процесса выработки, передачи и пот-ребления электроэнергии;

· непрерывность процесса выработки, передачи и потребления электро-энергии и необходимость в связи с этим непрерывного контроля за этим процессом. Процесс передачи электроэнергии по цепи “генератор – электроприемник” возможен лишь при надежной электрической и магнит-ной связи на всем протяжении этой цепи;

· повышенная опасность электрического тока для окружающей среды и обслуживающего персонала;

· быстрое протекание процессов, связанных с отказом различных элементов основной технологической цепочки;

· многообразие функциональных систем и устройств, которые осущест-вляют технологию производства электроэнергии; управление, регулирова-ние и контроль. Необходимость их постоянного и четкого взаимодействия;

· удаленность энергетических объектов друг от друга;

· зависимость режимов работы электрических систем от различных случай-ных факторов (погодные условия, режим работы энергосистемы, потре-бителей);

· значительный объем работ по ремонтно-эксплуатационному обслужи-ванию большого количества разнотипного оборудования.

На электрических схемах элетрическая система представляется следующим образом (см. рис. 1.2).

Электрическая сеть – это совокупность электроустановок для распре-деления электрической энергии. Она состоит из подстанций, распределительных устройств, воздушных и кабельных линий электропередач.

Линия электропередач (ЛЕП) – это электроустановка, предназначенная для передачи электроэнергии.

Так как передача электроэнергии экономически выгодна только по ЛЭП высокого напряжения, то энергия, которая вырабатывается на ЭС, преобразуется в энергию высокого напряжения при помощи трансформаторов ЭС. Подстанции, на которых производится эта трансформация называются повышающими (пита-ющими). На другом конце электропередачи строится понизительная (приемная) подстанция. Второе название условное, т.к. понизительная подстанция может быть одновременно и питающей).

Электроустановки, прием и распределение электроэнергии в которых выпол-няется на одном уровне напряжения, т.е. без трансформации, называются распре-делительными или переключательными пунктами.

Энергосистемы, расположенные в различных экономических районах, связы-ваются между собой линиями электропередач высокого напряжения. Это обеспечивает взаимный обмен мощностями и дает следующие преимущества:

· снижение суммарного максимума;

· уменьшение суммарного резерва мощности (12 – 20% от суммарной мощ-ности);

· повышается надежность и качество энергоснабжения;

· повышается экономичность использования энергоресурсов;

· улучшается использование мощности ЭС (можно строить мощные агрегаты);

· облегчается работа систем при сезонных изменениях нагрузки, при ремон-тах и авариях.

Но в объединенных системах усложняется релейная защита, автоматика и управление режимами.

Номинальные напряжения

Выработка, передача и потребление электроэнергии выполняется при различ-ных напряжениях: генерация при напряжении до 30 кВ, передача – при напряжении 35 кВ и выше, потребление – сотни и тысячи вольт.

Номинальным напряжением элементов электрической сети (электроприемники, генераторы, трансформаторы) называется то напряжение, на котором эти элементы имеют наиболее целесообразные технические и экономические характеристики.

Номинальные напряжения устанавливаются государственным стандартом (ГОСТ).

Таблица 1.1 – Номинальные напряжения (до 1000 В) переменного трехфазного

тока, В

Источники и преобразователи
Сети и электроприемники

Таблица 1.2 – Номинальные напряжения (более 1000 В) переменного трехфазного

тока, кВ

Сети и приемники	Генераторы и СК	Трансформаторы и автотрансформаторы
без РПН	с РПН
первичные обмотки	вторичные обмотки	первичные обмотки	вторичные обмотки
(3)	(3,15)	(3 и 3,15)	(3,15 и 3,3)	–	(3,15)
	6,3	6; 6,3	6,3; 6,6	6; 6,3	6,3; 6,6
	10,5	10; 10,5	10,5; 11	10; 10,5	10,5; 11
				20; 21
	–		38,5	35; 36,75	38,5
	–	–		110; 115	115; 121
(150)	–	–	(165)	(158)	(158)
	–	–		220; 230	230; 242
	–
	–				–
	–				–
	–	–	–		–

Номинальные напряжения источников (генераторы и СК) по условиям компенсации потерь напряжения в питаемой сети приняты на 5% выше номинальных напряжений сети.

Первичные обмотки трансформаторов являются приемниками электроэнергии. Поэтому для повышающих трансформаторов их номинальные напряжения равны номинальным напряжениям генераторов; для понижающих трансформаторов – номинальным напряжениям сети или на 5% выше. Вторичные обмотки трансформаторов питают последующую сеть. Чтобы скомпенсировать потерю напряжения в трансформаторах, их номинальные напряжения выше номинальных напряжений сети на 5 – 10%.

Каждая электрическая сеть характеризуется номинальным напряжением электроприемников, которые от нее питаются. В действительности электроприемники работают при напряжении отличном от номинального напряжения из-за потерь напряжения. Согласно ГОСТ, при нормальном режиме работы сети напряжение подводимое к электроприемникам не должно отличаться от номинального больше, чем на ± 5%. Т.е. напряжение U₁ не должно превышать номинальное более, чем на 5%. Напряжение U₂ не должно быть ниже больше, чем на 5% (см. рис. 1.3). Номинальное напряжение сети равно ее среднему значению: