Електроенергетичні системи, електричні мережі й електроустановки трифазного струму

Відповідно ПУЕ, ПТЕ і ПБЕ [42; 44; 45] та інших джерел розглянемо ряд понять, на яких базується технічна сторона теоретичних засад електробезпеки.

Енергетична система(енергосистема) – сукупність електростанцій, електричних і теплових мереж, з’єднаних між собою і зв’язаних спільністю режиму в неперервному процесі виробництва, перетворення і розподілу електричної енергії і теплоти при загальному управлінні цим режимом.

Електроенергія виробляється переважно на гідравлічних, теплових і атомних електростанціях. Гідрогенератори і турбогенератори електростанцій генерують номінальну напругу від 6,3 до 30 кВ [62]. При потужності турбогенераторів, рівній сотням мегават, величина струму досягає десятки тисяч ампер. Передача таких струмів на великі відстані практично неможлива у зв’язку з істотними втратами електричної енергії, які прямо пропорційні квадрату сили струму (закон Джоуля-Ленца) та необхідністю використання проводів великих поперечних перерізів.

Головним засобом передачі електроенергії є підвищення пропускної здатності ліній електропередачі (ЛЕП), що досягається зростанням напруги. Підвищувальні трансформатори на електростанціях перетворюють електроенергію на відносно вищі напруги, аніж генераторні напруги. Як відомо з курсу фізики, зі збільшенням напруги на трансформаторі зменшується сила струму. Тому “підвищення напруги лінії електропередачі до 110 кВ дозволяє в схемі електропередачі в 500 раз зменшити величину струму в лінії порівняно зі струмом, що протікає в навантаження ” [5, с. 237].

Лінія електропередачі (ЛЕП) – елемент електропостачальної системи, призначений для передавання та розподілу електричної енергії напругою до і понад 1 кВ без зміни її параметрів. Лінії електропередачі поділяються на кабельні та повітряні.

Кабельний виріб – електричний виріб, який вирізняється гнучкістю та призначений для передачі по ньому електричної енергії, електричних сигналів інформації [59].

Повітряна лінія електропередачі (ПЛ) – пристрій для передачі електроенергії по проводам, які розташовані відкрито і прикріплюються за допомогою ізоляторів й арматури до опор або кронштейнів і стояків на інженерних спорудах (мостах, шляхопроводах тощо).

На рис. 3.1 показано перетворення підвищувальним трансформатором Т1 номінальної напруги генератора електростанції до 110 кВ, передача електроенергії по ЛЕП (дільниця ав). Від підвищувальних трансформаторних підстанцій (ТП) по ЛЕП отримують живлення понижувальні трансформатори, які встановлені на головних понижувальних підстанціях (ПС) промислових підприємств (ГПП) або районних (міських) ПС. Зниження напруги трансформатором Т2 до розподільчої (10 кВ) і потім зниження напруги трансформатором Т3 до номіналу споживання (380 / 220 В).

Належить знати, що типові напруги ЛЕП складають 110, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ, а розподільні електромережі мають номінальні напруги 110, 35, 10, 6 кВ [30]. Зазначимо, що мережі 110 кВ застосовуються в основному як розподільні.

Від високовольтної ЛЕП, наприклад 110 кВ, надходить у район споживача на знижувальну трансформаторну підстанцію 110/10 кВ (рис. 3.1). Далі електроенергія подається на розподільний пристрій (РП), з якого вона по лініях розподільної мережі середньої напруги передається до трансформаторних підстанцій (ТП) споживачів. Тут напруга знижується до 380/220 В і електроенергія по низьковольтним кабельним або (і) повітряним лініях електропередачі подається безпосередньо до споживачів.

Електричною частиною енергосистеми називається сукупність електроустановок електричних станцій і електричних мереж енергосистеми.

Електроенергетична система (ЕЕС) – електрична частина енергосистеми і приймачів електричної енергії, які від неї живляться, об’єднаних спільністю процесу виробництва (генератори електростанцій), перетворення (силові трансформатори), передачі (лінії електропередачі), розподілу (розподільні пристрої) та споживання електричної енергії (електродвигуни, електричні джерела світла, електротермічне обладнання тощо).

Електропостачання – забезпечення споживачів електричною енергією. Вказане забезпечення реалізується за допомогою електричної мережі та ліній електропередачі. Системою електропостачання називається сукупність електроустановок, призначених для забезпечення споживачів електричною енергією. У ПТЕ наводиться визначення: електрична мережа – сукупність електроустановок для передачі та розподілу електричної енергії.

Електрична мережа складається із підстанцій, розподільчих пристроїв (РП), струмопроводів, кабельних і повітряних ліній електропередачі (ЛЕП), які функціонують на певній території.

Електричні мережі прийнято підрозділяти на такі типи [62]: мережі низької напруги (НН) (до 1 кВ); мережі середньої напруги (СН) (3 – 35; 66 кВ); мережі високої напруги (ВН) (110 – 220 кВ); мережі надвисокої напруги (НВН) (330 –750 кВ); мережі ультрависокої напруги (УВН) (понад 1000 кВ).

Мережі бувають постійного струму, однофазного і трифазного змінного струмів, внутрішні та зовнішні. Внутрішні мережі прокладають усередині приміщень ізольованими проводами відкритим і захованим способами. Зовнішні мережі, як і ЛЕП, бувають кабельними (підземними) і повітряними. Повітряні лінії та мережі високої напруги виконують, як правило, з голих сталеалюмінієвих проводів, які закріплюють на штирових ізоляторах (лінії до 35 кВ) або на гірляндах підвісних ізоляторів, які в свою чергу закріплюють на дерев’яних (лінії до 35 кВ) або на металевих опорах на бетонному фундаменті (лінії понад 35 кВ).

Зазначимо, що в основах електробезпеки розглядають спрощену структуру трифазної електричної мережі, яка схематично складається з джерела живлення – вторинної обмотки понижувального трансформатора. Ця мережа має визначену схему з’єднання (“ зірка ”, “ трикутник ”, “ зигзаг ” тощо), а також проводів лінії електропередачі, до яких може бути приєднаний певний електротехнічний пристрій (приймач або споживач електричної енергії), що використовує електричну енергію для виконання певної функції, тобто для перетворення електричної енергії в інший вид енергії (кінетичну, теплову, хімічну тощо) [59]. Роль електротехнічного пристрою може відігравати певний електротехнічний виріб (наприклад, електродвигун) або сукупність взаємопов’язаних електротехнічних виробів (електрообладнання), яке має виробниче або побутове призначення.

Приймач електричної енергії (електроприймач) – пристрій, в якому електрична енергія перетворюється на інший вид енергії для її використання. Більш конкретно, електроприймач – це апарат, агрегат, механізм чи пристрій, який призначений для перетворення електричної енергії в інший вид енергії (теплову, механічну, хімічну тощо) з метою її використання.

У відношенні забезпечення надійності електропостачання електроприймачі поділяються на три категорії:

1. Електроприймачі I категорії – особлива група електроприймачів, які забезпечуються електроенергією від двох (трьох) незалежних взаємно резервованих джерел живлення, які не допускають перериву електропостачання, яке може спричинити за собою небезпеку для життя людей, значний збиток виробництву, пошкодження багатовартісного основного обладнання, розладнання складного технологічного процесу, масовий брак продукції.

2. Електроприймачі II категорії – електроприймачі, які забезпечуються електроенергією від двох незалежних взаємно резервованих джерел живлення, в яких допустимі перериви електропостачання на проміжок часу, необхідного для включення резервного живлення, а перерив електропостачання в яких може призвести до масового недовипуску продукції, масовим простоям обладнання, порушенню нормальної життєдіяльності значної кількості міських і сільських мешканців.

3. Електроприймачі III категорії – електроприймачі, які забезпечуються електроенергією від одного джерела живлення при умові, що перериви електропостачання необхідні для ремонту або заміни пошкодженого елемента системи електропостачання, не перевищують 1 доби.

Споживач електричної енергії – юридична або фізична особа, що використовує електричну енергію для забезпечення потреб власних електроустановок на підставі договору [44].

Елементи електроенергетичної системи мають назву “ електроустановки ”. Термін “ електроустановка ” є узагальненим поняттям, що відображає такі технічні об’єкти, як електричні мережі, трансформатори, електрообладнання, електричні машини (генератори, електродвигуни), електричні апарати, електровимірювальні пристрої тощо.

Електроустановки класифікуються так:

1. Відкриті або зовнішні електроустановки – електроустановки, не захищених будівлею від атмосферних впливів (сюди відносяться електроустановки, які захищені тільки накриття, сітчасті огорожі тощо).

2. Закриті або внутрішніелектроустановки – електроустановки, розміщені всередині будинку, що захищає їх від атмосферних впливів.

3. Електроустановки до 1кВ і електроустановки понад 1кВ – електроустановки за діючим значенням напруги відповідно U < 1000 В і U ³ 1000 В. Зокрема електроустановки малої напруги U £ 50 В.

4. Електроустановки промислові та електроустановки побутові.

5. Електроустановки з малими струмами замикання на землю (I_з.з. £ 500А) і електроустановки з великими струмами замикання на землю (I_з.з. > 500А).

Відповідно до Правил безпечної експлуатації електроустановок споживачів [42], електрообладнання – це

– пристрої, в яких виробляється, трансформується, перетворюється, розподіляється електроенергія;

– комутаційні апарати в розподільчих пристроях (РП) електроустановок;

– всі види захисту електроустановок.

Розглянемо конструктивні елементи електрообладнання.

Джерело живлення (генератор електростанції, вторинна обмотка силового трансформатора) і трифазний приймач електричної енергії (електродвигун, електроплита тощо) мають нейтральні точки.

Нейтральна точка (“нейтраль”) обмотки джерела або споживача електричної енергії, “…є точка, напруга якої відносно всіх зовнішніх виводів обмотки одинакові за абсолютним значенням” [15, с. 159]. Зокрема, нейтраль – загальна точка обмоток фаз трифазного трансформатора, з’єднаних в “ зірку ” або в “ зигзаг ”, або заземлена точка однофазної системи (рис. 3.2).

Заземлена нейтральна точка має назву нульової точки, зважаючи на те, що на неї подається нульовий потенціал землі.

Заземлений режим нейтралі застосовують для силових трансформаторів класу напруги 110, 220, 330, 500, 660, 750, 1150 кВ. При цьому схема і група з’єднання двообмоткових трансформаторів така Y_н / D -11, а триобмоткових – Y_н / D / D -11-11, Y_н / Y_н / D- 0-11, Y_н / Y / D- 0-11, де знак Y_н позначає з’єднання кінців первинної обмотки за схемою “ зірка ” з виведеною нейтральною точкою, D – з’єднання кінців вторинної обмотки за схемою “ трикутник ”, Y – за схемою “ зірка ” [61].

Зазначимо, що трансформаторів невеликої потужності напругою 10 / 0,4 і 6 / 0,4 кВ застосовують групи сполучення обмоток Y / Y_н. З’єднувати обмотки зіркою слід при високих напругах, оскільки фазна напруга U_фв менша за лінійну U_л (U_л = U_ф), що дає змогу зменшити вимоги до ізоляції обмотки.

З’єднання трикутником застосовують при відносно низьких напругах і великих струмах, що дає змогу зменшити переріз проводів обмоток, оскільки в цьому разі фазний струм у проводах обмотки менший у рази за лінійний струм (І_л = І_ф).

І, нарешті, при несиметричних режимах використовують трифазні трансформатори з фазами обмотки вищої напруги, з’єднаними зіркою, і фазами обмотки нижчої напруги – зигзагом (рис. 3.3).

Відповідно ГОСТ 11677-75, група з’єднання обмоток трифазних трансформаторів показує величину кута зсуву вектора лінійної електрорушійної сили (ЕРС) обмотки низької напруги (НН) по відношенню до вектору лінійної ЕРС обмотки високої напруги (ВН). При з’єднанні фаз обмоток трансформатора за схемою Y / Y кут зсуву векторів відповідних лінійних напруг U_abі U_ABдорівнює нулю і такий трансформатор відноситься до групи 0. При з’єднанні фаз за схемою Y / D цей же кут дорівнює 330° = 30° × 11 і трансформатор відноситься до групи 11. Кут зсуву завжди відлічується від вектору U_ABза часовою стрілкою до однойменного вектору U_ab.

На рис. 3.4 зображені типові схеми та групи з’єднання обмоток двообмоткових (а – д) і триобмоткових трансформаторів (е, ж), де СН – обмотки середньої напруги.

Уведемо декілька практично-орієнтованих термінів [32; 45]:

Ізольована нейтраль – нейтраль генератора або вторинної обмотки силового трансформатора, яка не приєднана до заземлюючого пристрою або приєднана до нього через резистор з великим опором, через опір приладів сигналізації, вимірювання захисту, заземлюючі дугогасильні реактори та інші подібні їм пристрої з великим опором, наявність яких практично не впливає на струм замикання на землю.

Глухозаземлена нейтраль – нейтраль генератора або трансформатора, яка приєднана до заземлюючого пристрою безпосередньо або через малий опір (наприклад, через трансформатор струму) (рис. 3.5). Глухозаземленою може бути також середня точка джерела в трипровідній мережі змінного струму. Глухозаземлену нейтраль розглядають як частинний випадок ефективно заземленої нейтралі.

Ефективно заземлена нейтраль – заземлена нейтраль вторинної обмотки силового трансформатора напругою вище 1 кВ, яка розрахована на великі струми замикання на землю. Це заземлення нейтралі трансформатора через малий індуктивний опір, роль якого відіграє котушка зі змінною індуктивністю L (реактор) (рис. 3.6).

Реактор – це статичний електромагнітний пристрій, призначений для використання його індуктивності в електричному колі. Іншими словами, реактор – це котушка, яка створює індуктивний струм, що резонансно компенсує ємнісний струм ЛЕП.

Існують різноманітні реактори [61; 62]: струмообмежувальні, дугогасильні, фільтрові, шумозаглушувальні, комутувальні, струмообмежувальні тощо. Для компенсації реактивної потужності, яку генерують ЛЕП до 1150 кВ, застосовуються шунтувальні реактори серій РОМ, РОД, РОДЦ, РТД тощо, а для компенсації ємнісних струмів замикання на землю застосовуються заземлювальні реактори, зокрема серії РЗДСОМ (реактор заземлювальний, дугогасильний зі ступеневим регулюванням, однофазний, масляний) і серії РЗДПОМ (реактор заземлювальний, дугогасильний з плавним регулюванням, однофазний, масляний). Заслуговує уваги статичний компенсатор реактивної потужності, який являє собою поєднання батареї шунтових конденсаторів і реакторів з тиристорним ключем, що забезпечує без інерційне регулювання на всьому діапазоні потужності.

Нейтраль генератора або трансформатора, приєднана до заземлюючого пристрою через дугогасильний реактор для компенсації ємнісного струму в мережі при однофазних замиканнях на землю – це компенсована нейтраль. Електричні мережі 10 (6) – 20 кВ виконуються з незаземленою або компенсованою нейтраллю. Як показала практика, “допускається робота з незаземленою нейтраллю при струмах однофазних замикань на землю до 30 А – при 6 кВ, 20 А – при 10 кВ і 15 А – при 20 кВ ” [62, с. 733].

Наявність нейтралі генератора або трансформатора в мережі з ізольованою або компенсованою нейтраллю, яка приєднана до заземлюючого пристрою через резистор – це заземлена через резистор нейтраль. Ця нейтраль застосовується для захисту мережі від перенапруг або (і) виконання селективного захисту у випадку замикання на землю, що спричиняє до збільшення струму замикання на землю.