Передача электрической энергии

Передача электрической и тепловой энергии

Перспективы развития электрических станций

Динамика развития мировой и отечественной энергетики [3] указывает на то, что в ближайшее время примерно сохранится су­ществующий баланс между ТЭС, АЭС и ГЭС. Приоритет при этом будет отдан газоугольной стратегии, а использование мазута на ТЭС бу­дет снижаться. Дальнейшее развитие получат ПГУ и ГТУ. Из сравни­тельно новых направлений приоритетными являются МГД- установки.

Будет развиваться нетрадиционная энергетика (солнечная, приливная, геотермальная и т.д.), использующая экологически чистые возобновляемые природные ресурсы. Продолжатся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию и освое­нию термоядерных установок, термоэлектрических, радиоизотопных, термоэмиссионных, электрохимических генераторов [1] и других агрегатов. Отдельное и очень важное направления работ - энергосбережение всех видов ТЭР, тепловой и электрической энергии.

Произведенная на электрических станциях энергия должна быть передана потребителям с минимальными потерями часто на значи­тельные расстояния.

Общие положения. Основным звеном системы передачи электроэнергии является ЛЭП, а также элементы РУ электрических станций и подстанций. Производство, распределение и потребление электро­энергии осуществляется при разном напряжении. Бытовые и промыш­ленные потребители в целях электробезопасности работают при напряжении 220 - 380 В. Выработка электроэнергии на станциях по технико-экономическим соображениям производится на напряже­нии 6 - 10 - 21 кВ. Передача электроэнергии на значительные рас­стояния практически возможна при напряжениях 35...1150 кВ. Шка­ла номинальных напряжений переменного тока определена ГОСТом: 0,22-0,38-0,66-6,0-10-21-35-110-150-220-330-500-750-1150 кВ. Таким образом, при передаче и распределении электрической энер­гии необходимо изменять (трансформировать) величину напряжения. Эту функцию выполняют силовые трансформаторы - повышающие и понижающие. Их конструкции, характеристики, режимы работы подроб­но рассматриваются в специальных дисциплинах.

Промышленная система переменного тока является трёхфазной, трех- или четырехпроводной. Нейтральная точка (нейтраль) источ­ника питания и потребителя нагрузки может быть соединена с землей (заземленная нейтраль) или изолирована от земли (изоли­рованная нейтраль), а отдельные фазы соединяются друг с другом по схеме "звезда" или "треугольник" (рис.2.1). При одинаковой (симметричной) нагрузке z_A=z_B=z_C в соответствии с выражениями (1.12; 1.1З ) i_A +i_B +i_C =0. Поэтому четвертый проводник, соединяющий нейтральные точки источника и нагрузки, не требуется. Он используется только в распределительных электри­ческих сетях потребителей, работающих при напряжении 220/380 В. Его назначение в этом случае двояко: получение фазного напря­жения 220 В и обеспечение безопасности работы при наличии за­земленной нейтрали.

Известны соотношения фазных и междуфазных (линейных) зна­чений электрических величин для разных схем: схема "звезда"

схема “треугольник”

На рис.2.1б приборы А₁, V₁, V₂ регистрируют фазные величины, а А₂, V₃- линейные. На рис.2.1в приборы А₁, V₁ регистрируют фазные величины, а А₂, V₂- линейные.

Рис.2.1. Схемы передачи электроэнергии:

а- общая блок- схема; б- четырехпроводная схема с заземленной нейтралью;

в- трехпроводная схема с изолированной нейтралью.

1-источник электроэнергии; 2-потребитель; 3-провода ЛЭП

Режим нейтрали электрических сетей (рис.2.2.) определяется двумя факторами: безопасностью обслуживания и экономичностью. При изолированной, нейтрали замыкание одного провода ЛЭП на землю не приводит к большому увеличению тока, т.к. отсутствует замкнутый электрический контур от начала фазной обмотки С че­рез точку замыкания К к окончанию этой обмотки в точку N. Такие повреждения (на воздушных ЛЭП они составляют до 70%) не требуют немедленного отключения линии, что дает возможность отыскать замыкание в процессе эксплуатации, а затем устранить его. При этом не происходит отключения потребителя и перерыва в его электроснабжении. Такое же замыкание в сети с заземлен­ной нейтралью приводит к резкому возрастанию силы тока, т.к. контур C-K-N оказывается замкнутым накоротко через землю.

Рис.2.2. Режимы нейтрали:

а- изолированная нейтраль; б- заземленная нейтраль

Во избежание повреждения ЛЭП автоматически мгновенно отключается специальными устройствами релейной защиты. Потребитель переста­ет получать по этой линии электроэнергию. Но при этом обеспечивается большая, чем в предыдущем случае, безопасность работни­ков. Действительно, в схеме рис.2.2.а. при не отключенном замыка­нии в точке К возможно случайное касание человеком другого провода. Через тело человека начнет протекать значительный ток, сила которого определится величиной междуфазного напряжения ВС и электрическим сопротивлением тела. Поражение электричес­ким током чрезвычайно опасно. В схеме рис.2.2.б подобный режим невозможен, т.к. ЛЭП мгновенно отключается от источника.

Каждая из рассмотренных схем имеет свою область применения. Электрические сети напряжением 6-10-35 кВ; работают с изолиро­ванной нейтралью, остальные - с заземленной. Заземление нейтрали в сетях напряжением до 1000 В выполняется в целях обеспечения электробезопасности, а в сетях 110 кВ и выше - по экономическим соображениям, связанным со стоимостью изоляции [8].

Конструкции ЛЭП. Различают два основных типа ЛЭП по конструкции: воздушные и кабельные (КЛЭП). Подробно эти вопросы рассматриваются в специальных дисциплинах, поэтому ограничимся краткими сведениями.

Основные элементы конструкции воздушных ЛЭП представлены на рис.2.З. Это провода, опоры, изоляторы, арматура. Используются неизолированные, в основном многопроволочные провода марки А (алюминиевые) и АС (сталеалюминиевые). Провода АС имеют сталь­ной сердечник 1, несущий механическую нагрузку, поверх которого навит алюминиевый провод. Провода имеют стандартное сечение. Каждому сечению соответствует длительно допустимый ток, а также удельное активное и реактивное сопротивление (см. приложение). Площадь сечения провода ЛЭП напряжением выше 1000 В предвари­тельно выбирается по формуле

, мм² (2.3)

где I_л -сила тока, протекающего в ЛЭП, А; j_э -экономическая плотность тока, справочная величина, А/мм².

Полученное значение F округляется до ближайшего стандартно­го, при этом для воздушных ЛЭП напряжением 110 кВ сечение при­нимается не менее 70 мм², а для линий напряжением 220 кВ - не менее 240 мм².

Опоры воздушных ЛЭП предназначены для крепления на них про­водов при помощи изоляторов и арматуры (зажимы, скобы, штыри, крюки и др.). Опоры различают по материалу (деревянные, стальные, железобетонные), по назначению (промежуточные, поворотные, угловые, концевые, ответвительные, переходные, специальные и др.), по конструкции (одностоечные, П-образные, Т-образные, А-образные, У-образные, др.). Пример одностоечной деревянной промежуточной опоры приведен на рис.2.3.б. В грунте крепится пасынок 2 (дере­вянный или железобетонный), к которому бандажом 3 (стальная лента или проволока) жестко крепится непосредственно стойка 4. В верхней части стойки деревянными или металлическими откола­ми 5 крепится траверза 6, на которой размещаются изоляторы, не­обходимые для поддержания проводов ЛЭП. Изоляторы выполняются из фарфора или закаленного стекла и разделяются на штыревые Ш (на напряжение до 35 кВ) и подвесные П (на напряжение выше 35 кВ). ЛЭП характеризуется рядом геометрических параметров, с которыми студенты знакомятся на лабораторных и практических занятиях.

Рис.2.3. Элементы конструкции ЛЭП:

а- провода; б- опора; в- изолятор штыревой;

г- изолятор подвесной; д- кабель одножильный

е- кабель трехжильный.

Кабельные ЛЭП имеют проводники, изолированные друг от друга и от внешней среды (рис.2.3.д, е.). Проводники 7 выполняются медны­ми или алюминиевыми проволоками. Применяют и однопроволочную конструкцию проводников КЛЭП. В маркировке кабелей с алюминиевыми проводниками (жилами) на первом месте указывается бук­ва А. На проводник накладывается изоляция 8: резина Р, винилхлорид В, полиэтилен П, негорючая резина Н, бумага с масляной про­питкой. Многожильные кабели имеют кроме изоляции отдельных жил еще и общую (поясную) изоляцию 9 из тех же материалов. Изоляция защищается от внешних воздействий оболочкой 10: резина Р, винилхлорид В, полиэтилен П, алюминий А, свинец С. Бронированные кабели имеют наружную защиту в виде стальной брони 11.

Например, кабель ААБ - 3x120 имеет три проводящих алюминиевых жилы сечением по 120 мм² каждая, бумажную изоляцию, алюминиевую оболочку и стальную броню, покрытую пряжей.

Воздушные и кабельные ЛЭП имеют свои достоинства и недостатки. В соответствии с этим определяется область их применения. Воздушные

ЛЭП напряжением 0,38...1150 кВ используются для открытой прокладки при соответствующем рельефе местности и условиях городской застройки. КЛЭП напряжением 0,38…110 кВ применяются для скрытой прокладки в городах, на промышленных предприятиях, внутри помещений и т.д.

Выбор напряжения ЛЭП. Этот вопрос решается на основании технико-экономических расчетов, основу которых составляет сравне­ние стоимости ЛЭП разных классов напряжения (затрата на сооружение, обслуживание, эксплуатацию, ремонт) и стоимости потерь мощности, неизбежных при передаче электроэнергии. Известно, что эти потери равны

, кВт

где I_л - сила тока в ЛЭП, А; r_л -активное сопротивление проводов ЛЭП, Ом;

r₀ -удельное активное сопротивление, Ом/км; l –длина ЛЭП, км.

При известной величине полной мощности нагрузки S_нг и выбираемом напряжении ЛЭП U_л потери мощности в линии обрат­но пропорциональны квадрату напряжения.

Пример расчета. Для схемы рис.2.1.а. определить предельное расстояние l_п переда­ли электроэнергии от источника потребителю, если максимально допустимая потеря активной мощности в ЛЭП численно равна 10% от кВ; S_нг =2,6 МВА; j_э =1,4 А/мм².

Решение. В соответствии с (2.3) и (2.5)

А

мм²

Принимаем F =95 мм², тогда r₀ =0,33 Ом/км (см. приложение).

Используя (2.4)

откуда l_п =12,825 км.

Контрольное задание. Для линии рис.2.1.а. сравнить потери ак­тивной мощности при различных напряжениях U_л. Исходные данные приведены в табл.2.1. Номер варианта соответствует последней цифре номера зачетной книжки.

Таблица 2.1. Исходные данные для контрольного задания.

Параметр	Вариант
Sнг, МВА
Uл1, кВ	10,5	10,5	10,5	37,5	10,5	37,5		37,5
Uл2, кВ	37,5	37,5	37,5
l, км
Jэ, А/мм2	1,2	1,3	1,4	1,4	1,3	1,2	1,5	1,5	1,4	1,4