Особенности электрической энергии

Электрическая энергия – это энергия электрического тока во всех его формах, которая распределена в электромагнитном поле.

Поскольку общее определение энергии – это мощность в единицу времени, то единицей измерения электрической энергии является киловатт в час (кВт час). Для характеристики больших объемов производства (электростанции, энергосистемы) используются единицы измерения мегаватт в час (МВт час) и гиговатт в час (ГВт час).

Основными величинами и параметрами, с помощью которых можно охарактеризовать электрическую энергию, определить ее качество, есть общеизвестные из соответствующих разделов физики такие величины и параметры, как:

– электрическое напряжение – U, которое измеряется в вольтах (В), а для энергетики чаще всего, а киловольтах (кВ);

– электрический ток – I, который измеряется в амперах (А);

– полная, активная и реактивные мощности – S, P, Q, которые измеряются в киловольт-амперах (кВА), киловаттах (кВт) и киловольт-амперах реактивных (к вар), соответственно;

– коэффициент мощности, cos , который измеряется в относительных единицах;

– частота – f, которая измеряется в герцах (Гц).

Электрическая энергия имеет следующие особенности:

– она непосредственно не подлежит визуальному восприятию;

– легко преобразовывается в другие виды энергии (например, в тепловую, механическую);

– достаточно просто и с большой скоростью передается на большие расстояния;

– проста в использовании с помощью машин, установок, приборов;

– удобна для контроля и управления;

– качество ее определяет качество работы оборудования и приборов, которые потребляют эту энергию;

• – процесс передачи энергии сопровождается ее потерями.

Электроэнергетические системы.

От первых опытов по электричеству до начала его широкого практического применения в 70—80-х годах XIX в. прошло более 300 лет.

Первые электрические установки были постоянного тока и применялись в телеграфии, освещении, гальванотехнике и минном деле. Они использовали электрохимические источники (например, медно-цинковые батареи) и имели значительные ограничения по мощности. С разработкой электромашинных источников (генераторов) появились первые электростанции (блок-станции) для питания, в основном, электрического освещения, а также дополнительно — вентиляторов, насосов и подъемников.

Генераторы этих электростанций приводились во вращение поршневыми паровыми машинами, радиус электроснабжения — до 1—1,5 км на постоянном токе. Выдержав конкуренцию с газовыми компаниями, эти станции быстро развивались (в первую очередь, в крупных городах — Париже, Нью-Йорке, Петербурге и др.).

Электростанции при помощи электрических линий (через подстанции) связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку. Такая совокупность электростанций, подстанций и приемников электро­энергии, связанных между собой линиями электропередачи, называется энергетической системой.

При этом получаются существенные технико-экономические преимущества:

• 1. Возможность увеличения единичной мощности генераторов и электростанции. Это снижает стоимость 1 кВт установленной мощности, позволяет резко повысить производительность электромашиностроительных заводов при тех же производственных площадях и трудозатратах.
• 2. Значительное повышение надежности электроснабжения потребителей.
• 3. Повышение экономичности работы различных типов электростанций, при этом обеспечиваются наиболее эффективное использование мощности ГЭС и более экономичные режимы работы ТЭС;
• 4. Снижение необходимой резервной мощности на электростанциях.

В соответствии с действующими «Правилами устройства электроустановок»:

• энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом;
• электроэнергетической системой (ЭЭС) называется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электроэнергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределе­ ния и потребления электроэнергии.

Преимущества электроэнергетических систем столь велики, что в 1974 г. лишь менее 3 % всего количества электроэнергии было выработано отдельно работавшими электростанциями. Мощность электроэнергетических систем непрерывно возрастает. Из районных электроэнергетических систем создаются мощные объединенные энергосистемы.

Энергетическое производство, и в особенности производство электроэнергии, обладает рядом особенностей, резко отличающих энергетическое производство от других отраслей промышленности. Первая и важнейшая особенность электроэнергетической системы заключается в том, что производство электроэнергии, ее распределение и преобразование в другие виды энергии осуществляются практически в один и тот же момент времени. Другими словами, электроэнергия нигде не аккумулируется. Именно эта особенность превращает всю сложную электроэнергетическую систему, отдельные звенья которой могут быть географически удалены на многие сотни километров, в единый механизм, и приводит к тому, что все элементы системы взаимно связаны и взаимодействуют. Энергия, произведенная в системе, равна энергии, потребленной в ней. Это равенство справедливо для любого короткого промежутка времени, т.е. между мощностями энергосистемы имеется точный баланс.

Таким образом, одновременность процессов производства, распределения и преобразования электроэнергии превращает электроэнергетическую систему в единое целое.

Вторая особенность электроэнергетической системы — это относительная быстрота протекания переходных процессов в ней. Волновые процессы совершаются в тысячные или даже миллионные доли секунды; процессы, связанные с короткими замыканиями, включениями и отключениями, качаниями, нарушениями устойчивости, совершаются в течение долей секунды или нескольких секунд.

Третья особенность электроэнергетической системы заключается в том, что она тесно связана со всеми отраслями промышленности, связью, транспортом и т. п. Эта связь осуществляется гигантской совокупностью разнообразнейших приемников электрической системы, получающей питание электроэнергией от современной энергетической системы. Эта особенность энергетической системы резко повышает актуальность обеспечения надежности работы энергосистемы и требует создания в энергетических системах достаточного резерва мощности во всех ее элементах.

Все указанные выше моменты особенно характерны для электроэнергетической системы, т.е. для системы, производящей, распределяющей и преобразующей электроэнергию.

В 1991 г. электротехники и электроэнергетики всего мира отметили столетие начала эры передачи электроэнергии на дальние расстояния. Оно было положено созданием в Германии воздушной линии (ВЛ) трех­фазного переменного тока 28,3 кВ от ГЭС Лауфен до г. Франкфурт-на-Майне протяженностью 170 км, что по тем временам было действительно выдающимся достижением [9.1].

Примечательно, что в том же году в Лондоне была сооружена первая силовая однофазная кабельная линия (КЛ) 10 кВ длиной 12 км, рассчитанная на передачу мощности 3,2 МВт, с понижающей подстанцией 10/2,4 кВ, от которой питалась распределительная сеть [9.2]. Эту линию можно рассматривать как прообраз современных глубоких вводов электроэнергии на территории городов и промышленных зон.

Таким образом, практически одновременно возникли и затем продолжали развиваться в течение вот уже более 110 лет два направления в развитии техники передачи больших количеств электроэнергии (ЭЭ) на расстояние:

линии открытого типа (воздушные);

линии закрытого типа (кабельные).

В наиболее общем плане линия электропередачи (ЛЭП) определяется как «электрическая линия, выходящая за пределы электростанции или подстанции и предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние» Это определение конкретизируется –– ЛЭП характеризуется как «электроустановка, состоящая из проводов, кабелей, изолирующих элементов и несущих конструкций, предназначенная для передачи электрической энергии между двумя пунктами энергосистемы с возможным промежуточным отбором».

Классификация линий электропередачи
Таблица 9.1 Признак	Тип линии	Разновидности
Род тока	Постоянного тока	—
Трехфазного переменного тока	—
Многофазного переменного тока	Шестифазная
Двенадцатифазная
Номинальное напряжение	Низковольтная (до 1 кВ)	—
Высоковольтная (свыше 1 кВ)	СН (3—35 кВ)
ВН(110—220 кВ)
СВН (330—750 кВ)
УВН (свыше 1000 кВ)
Конструктивное выполнение	Воздушная	—
Кабельная	—
Число цепей	Одноцепная	—
Двухцепная	—
Многоцепная	—
Топологические характеристики	Радиальная	—
Магистральная	—
Ответвление	—
Функциональное назначение	Распределительная	—
Питающая	—
Межсистемная связь	—

В последнем определении отражается лишь один из признаков классификации ЛЭП, а именно их конструктивное исполнение. Однако для характеристики всей совокупности их разновидностей этого явно недостаточно. Современная классификация базируется на ряде признаков, которые представлены в таблице.

На первом месте здесь стоит род тока. В соответствии с этим признаком различаются линии постоянного тока, а также трехфазного и многофазного переменного тока. Линии постоянного тока конкурируют с остальными лишь при достаточно большой протяженности и передаваемой мощности, поскольку в общей стоимости электропередачи значительную долю составляют затраты на сооружение концевых преобразовательных подстанций. Наибольшее распространение в мире получили линии трехфазного переменного тока, причем по протяженности среди них лидируют именно воздушные линии. Линии многофазного переменного тока (шести- и двенадцатифазные) в настоящее время относятся к категории нетрадиционных.

Наиболее важным признаком, определяющим различие конструктивных и электрических характеристик ЛЭП, является номинальное напряжение U _ном. К категории низковольтных относятся линии с номинальным напряжением менее 1 кВ. Линии с U _ном > 1 кВ принадлежат к разряду высоковольтных, и среди них выделяются линии среднего напряжения (СН) с U _ном = 3—35 кВ, высокого напряжения (ВН) с U _ном = 110—220 кВ, сверхвысокого напряжения (СВН) с U _ном = 330—750 кВ и ультравысокого напряжения (УВН) с U _ном > 1000 кВ.

По конструктивному исполнению различают воздушные и кабельные линии. Воздушная линия — это «линия электропередачи, провода которой поддерживаются над землей с помощью опор, изоляторов и арматуры». В свою очередь, кабельная линия определяется как линия электропередачи, выполненная одним или несколькими кабелями, уложенными непосредственно в землю или проложенными в кабельных сооружениях (коллекторах, туннелях, каналах, блоках и т. п.).

По количеству параллельных цепей (n _ц), прокладываемых по общей трассе, различают одноцепные (n _ц = 1), двухцепные (n _ц = 2) и многоцепные (n _ц > 2) линии. По ГОСТ 24291-90 одноцепная воздушная линия переменного тока определяется как линия, имеющая один комплект фазных проводов, а двухцепная ВЛ — два комплекта. Соответственно многоцепной ВЛ называется линия, имеющая более двух комплектов фазных проводов. Эти комплекты могут иметь одинаковые или различные номинальные напряжения. В последнем случае линия называется комбинированной.

По топологическим (схемным) характеристикам различают радиальные и магистральные линии. Радиальной считается линия, в которую мощность поступает только с одной стороны, т.е. от единственного ис­точника питания. Магистральная линия определяется ГОСТ как линия, от которой отходит несколько ответвлений. Под ответвлением понимается линия, присоединенная одним концом к другой ЛЭП в ее промежуточной точке.

Последний признак классификации — функциональное назначение. Здесь выделяются распределительные и питающие линии, а также линии межсистемной связи. Деление линий на распределительные и питающие достаточно условно, ибо и те, и другие служат для обеспечения электрической энергией пунктов потребления. Обычно к распределительным относят линии местных электрических сетей, а к питающим — линии сетей районного значения, которые осуществляют электроснабжение центров питания распределительных сетей. Линии межсистемной связи непосредственно соединяют разные энергосистемы и предназначены для взаимного обмена мощностью как в нормальных режимах, так и при авариях.

Процесс электрификации, создания и объединения энергосистем в Единую энергосистему сопровождался постепенным увеличением номинального напряжения ЛЭП с целью повышения их пропускной способности. В этом процессе на территории бывшего СССР исторически сложились две системы номинальных напряжений. Первая, наиболее распространенная, включает в себя следующий ряд значений U _ном: 35—110—220—500—1150 кВ, а вторая — 35—150—330—750 кВ.

Наряду с типовыми конструктивными решениями, которые в основном будут рассматриваться далее, современная техника передачи электроэнергии по линиям открытого типа располагает и рядом нетрадиционных оригинальных предложений, направленных на увеличение пропускной способности и уменьшение полосы отчуждения под трассу линии, на более полное удовлетворение требованиям технической эстетики и снижение отрицательного воздействия электромагнитных полей ВЛ СВН и особенно УВН на окружающую среду, а также на повышение экономичности процесса передачи электроэнергии.