Выбор напряжения источника питания

Для решения задачи выбора напряжений система электроснабжения предприятий может быть разделена на две части: внешняя и внутренняя. Во внешнюю входят питающие линии, связывающие предприятия с источниками питания, во внутреннюю – распределительные сети на территории предприятия. Точкой раздела приняты шины ГПП. В случае, когда питающие и распределительные линии выполнены на одном напряжении, такое деление становится условным, в частности при использовании схемы глубокого ввода.

При проектировании систем электроснабжения важным вопросом является выбор рациональных напряжений для системы питания и распределения электроэнергии, поскольку их значения определяют параметры ЛЭП и электрооборудования подстанций и сетей: выбранное напряжение влияет на размеры капиталовложений, эксплуатационные расходы, потери энергии. Вопрос о выборе напряжения не может быть решен оторвано от решения других вопросов электроснабжения.

Выбор напряжения определяется экономическими факторами: при увеличении номинального напряжения возрастают капиталовложения в строительство объектов энергосистемы, но при этом за счет снижения потерь электроэнергии уменьшаются эксплуатационные издержки.

Под рациональным (экономически целесообразным) напряжением понимается такое значение номинального напряжения, при котором затраты на сооружение и эксплуатацию энергосистемы минимальны.

Напряжение сетей внешнего электроснабжения предприятия определяется техническими условиями энергосистемы на подключение и зависит от мощности предприятия, его удаленности от источника питания, номинального напряжения и свободных мощностей источника питания, перспектив развития сетей энергосистемы и предприятий в данном районе.

Вопрос выбора напряжения для системы внешнего электроснабжения при реконструкции возникает в случаях изменения технических условий на подключение со стороны энергетической системы или значительного возрастания величины нагрузки предприятия, когда существующие напряжения не позволяют обеспечить требуемые показатели качества электрической энергии. Детальный анализ данного вопроса имеет смысл лишь при наличии нескольких источников питания или разных напряжений на одном источнике.

Напряжение каждого звена системы электроснабжения нужно выбирать с учетом напряжений смежных звеньев. При выборе напряжения учитывается наличие на предприятии мощного высоковольтного электрооборудования. Также необходимо стремиться к минимуму ступеней промежуточной трансформации энергии.

В зависимости от указанных факторов для питания промышленных предприятий используют напряжения от 6 до 220 кВ.

К очень большим энергоемким предприятиям подводятся линии 330 и даже 500 кВ. Напряжения 330 кВ и выше используются также для выдачи мощности крупными электростанциями, образования крупных объединенных энергосистем и межсистемных связей.

Напряжения 110 – 220 кВ применяются для создания районных распределительных сетей и для внешнего электроснабжения крупных и средних промышленных предприятий, распределения мощностей внутри крупных городов.

Напряжение 220 кВ применяется для питания крупных энергоемких промышленных предприятий от районных энергосистем и распределения электроэнергии на первой степени схемы электроснабжения. Чаще всего напряжение 220 кВ используется для схем глубоких вводов.

Напряжение 110 кВ применяется для питания на предприятиях средней мощности (5 – 75 МВт) и в качестве распределительного напряжения по схеме глубоких вводов на предприятиях большой мощности.

В отличие от зарубежных стран в России отсутствует промежуточное напряжение между 35 и 110 кВ, что несколько снижает эффективность электрических сетей. Достоинства и недостатки такого напряжения, диапазоном 60 – 70 кВ приведены в [7].

Напряжение 35 кВ используется для питания предприятия средней мощности. Напряжение 35 кВ также используется для создания центров питания сельскохозяйственных распределительных сетей 35 кВ.

Напряжение 20 кВ не получило широкого распространения из-за отсутствия массового выпуска электрооборудования на это напряжение. Однако в связи с ростом нагрузок коммунально-бытового комплекса в крупных городах имеется тенденция к повышению напряжения распределительной сети до 20 кВ.

Напряжения 6 – 10 кВ используются для электроснабжения промышленных, городских и сельских потребителей.

При сооружении районных и системообразующих сетей исторически в нашей стране сформировались две системы напряжений. Первая система 110, 220, 500, 1150 кВ характерна для большей части территории страны. Вторая система 110 (150), 330, 750 кВ характерна в основном для Северо-Запада и в некоторой степени для Центра и Северного Кавказа. Поэтому при выборе номинального напряжения сети следует учитывать ее географическое расположение.

При решении задач о рациональном напряжении в общем случае можно предварительно определить нестандартное напряжение, при котором имели бы место минимальные затраты. Зная такое напряжение можно правильнее выбрать целесообразное стандартное напряжение.

Рациональное нестандартное напряжение (в кВ) можно определить по эмпирическим формулам, например по формуле Стилла:

где P – передаваемая расчетная активная мощность на одну цепь, МВт;

L – длина линии, км.

Эта формула дает приемлемые результаты при L ≤ 250 км и P ≤ 60 МВт.

При L ≤ 1000 км и P_р ≥ 60 МВт в расчетах рационального напряжения можно использовать формулу Залеского

Также для расчетов довольно часто применяют формулу Илларионова, дающую удовлетворительные результаты для шкалы напряжений от 35 до 1150 кВ при больших протяженностях линии и значительных мощностях, особенно при P ≥ 1000 МВт:

Обычно рациональное напряжение сети определяется для наиболее протяженного участка и (или) участка наибольшей мощности.

Результатом расчета по приведенным выше формулам является нестандартное рациональное напряжение, поэтому после расчета обычно намечают два ближайших стандартных напряжения (одно больше рационального и одно меньше рационального).

Номинальное напряжение ЛЭП является, главным образом, функцией двух параметров: мощности P, передаваемой по линии (одной цепи), и расстояния L, на которое эта мощность передается. Уровень номинальных напряжений для различных значений передаваемой мощности и расстояния ориентировочно можно определить и по табл. 4 [3, 8].

Таблица 4.

Рекомендуемые уровни номинальных напряжений

Передаваемая мощность (на одну цепь), МВт	Длина линии, км	Номинальное напряжение, кВ
0,1 – 3	3 – 15	(6), 10
2 – 15	10 – 30	(20), 35
25 – 50	50 – 150	110, (150)
100 – 200	150 – 250
300 – 400	200 – 300
700 – 900	800 – 1200
1800 – 2200	1200 – 2000

Приведенные выше формулы и методы не всегда дают удовлетворительный результат, т.к. не учитывают других факторов, влияющих на рациональное напряжение, кроме P и L.

Окончательно номинальное напряжение электрической сети выбирается путем технико-экономического сравнения. Для намеченных вариантов номинальных напряжений определяют ежегодные приведенные затраты на строительство и эксплуатацию (стоимость обслуживания, ремонта, амортизационные отчисления, стоимость потерь электроэнергии).

З = Е_н ^. К + И,

где Е_н – нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений (для расчетов в электроэнергетике довольно часто Е_н = 0,1 год^-1);

К – капитальные вложения, руб;

И – ежегодные эксплуатационные расходы, руб/год, предполагаемые неизменными в течение всего рассматриваемого периода эксплуатации;

Вариант с меньшими затратами принимают за оптимальный.

Технико-экономический расчет при выборе рационального напряжения необходим для следующих случаев:

– возможность получения электроэнергии от двух и более источников, с разными напряжениями;

– при развитии предприятия имеющего собственную электростанцию, а также получающего электроэнергию от энергосистемы;

– при строительстве новых или реконструкции действующих станций и подстанций энергосистемы или предприятия.

Во всех остальных случаях для системы питания технико-экономический расчет, как правило, не производится, а руководствуются техническими условиями энергосистемы на подключение потребителей.

При небольшой разнице затрат по вариантам (до 5 – 10 %), при прочих равных условиях, предпочтительным считается вариант с более высоким номинальным напряжением, как более перспективный.

Следует отметить, что простое технико-экономическое сопоставление вариантов усиления сети или перевода ее на повышенное напряжение может не выяснить целесообразность последнего. Дело меняется, если учитывается перспектива развития предприятия. Пониженное напряжения явится со временем тормозом в развитии предприятия.

Экономичность режима напряжений электрической сети обусловлена величиной потерь активных мощности и энергии в ее элементах. Эти потери обратно пропорциональны квадрату напряжения. Поэтому повышение уровня напряжения является одним из основных средств уменьшения потерь в электрических сетях.

Пример. Проектируется завод с максимальной нагрузкой 32 МВ^.А и средним cos φ = 0,92. Завод предполагается питать от районной подстанции, имеющей напряжения 110, 35 и 10 кВ, которая удалена от завода на 50 км. Требуется выбрать предварительное напряжение ЛЭП для этой цели.

Решение. Определяем передаваемую активную мощность по ЛЭП

P_р = S _max ^. cos φ,

P_р = 32 ^. 0,92 = 29,44 МВт.

Рассчитаем рациональное напряжение по формуле Стилла:

кВ.

Округляем найденное напряжение до ближайшего стандартного – 110 кВ, при помощи которого и будет запитан завод.

Также в качестве рационального напряжения возможен вариант 35 кВ. Эффективность того или иного варианта необходимо доказывать при помощи технико-экономических расчетов, с учетом цен и издержек в электроэнергетике на каждый конкретный объект.

По табл. 4 в качестве рационального может быть принят вариант 110 кВ.