2015-03-22
6738
1.1. Общие сведения о системах электроснабжения [1]
В федеральных сетях электроэнергия передается по высоковольтным линиям в виде трехфазных систем переменного тока с частотой 50 Гц (в Европе). Высокое напряжение применяется с целью минимизации потерь при передаче. В зависимости от используемого оборудования, при входе на объект потребителя или вблизи конкретной установки осуществляется понижение напряжения. Как правило, напряжение для промышленных потребителей понижается до 400 В, а для домохозяйств, офисов и т.п. – 220 В.
Качество электроснабжения и условия использования энергии зависят от различных факторов, включая сопротивление электрических сетей, а также влияние некоторых видов оборудования на характеристики энергоснабжения. В энергетических системах крайне желательны стабильность напряжения, а также отсутствие искажений формы волн.
Жилые районы городов и промышленные предприятия обеспечиваются электроэнергией от систем электроснабжения,включающих в себя электрические станции, преобразовательные подстанции, питающие и связывающие их линии электропередачи. В качестве источников электрической энергии обычно используются электрические станции, вырабатывающие переменный трехфазный ток. Выработка электроэнергии в виде трехфазного переменного тока позволяет экономить электротехнические материалы трансформаторов и соединительных проводов. С помощью электрических сетей, включающих в себя пункты преобразования и распределения, подводится электроэнергия к потребителям через воздушные и кабельные линии электропередачи. Обязательной особенностью электроэнергетических систем является необходимость поддерживать постоянный баланс выработки и потребления электрической энергии. Со стороны потребителя основным требованием к электрическим системам является обеспечение потребной мощности, техническая надежность и высокая эффективность энергообеспечения при выполнении нормативов качества электрической энергии.
|
|
|
Современные энергетические системы в СССР были построены на основании следующих предпосылок.
Одиночные электростанции не могут обеспечить непрерывную и бесперебойную подачу электроэнергии потребителям. Объединение электрических станций, покрывающих нагрузку, в энергосистемы способствует обеспечению устойчивости электроснабжения, поддержанию постоянства напряжения и частоты переменного тока при изменении потребления мощности и общего числа потребителей. Надежность электроснабжения потребителей обеспечивается благодаря созданию электрических схем, в которых электрические нагрузки могут покрываться от различных источников.
|
|
|
В условиях плановой экономики такие энергосистемы себя в основном оправдывали. Но в условиях рыночных отношений этот принцип не обеспечивает необходимую надежность. Пример тому масштабные сбои электроснабжения в Подмосковье в 2010 году.
Потребители электроэнергии — это предприятия, организации, территориально обособленные цеха, строительные площадки, квартиры, у которых приемники электроэнергии подключены к электрической сети. Приемником электроэнергии (электроприемником) называют устройство, в котором происходит преобразование электрической энергии в другой вид энергии в целях ее использования [2].
Потребители электроэнергии по надежности их электрообеспечения делятся на три категории. К первой категории относятся потребители, которые допускают перерывы в питании в пределах долей секунды. Ими являются потребители, от непрерывной работы которых зависит жизнь людей: лечебные учреждения; телефонные станции; устройства противопожарной, охранной сигнализации; системы аварийного освещения крупных магазинов, зрелищных и спортивных учреждений; лифты общественных зданий; водопроводные и канализационные системы; городской электрический транспорт; сети уличного освещения с суммарной нагрузкой до 10000 кВ∙А. К этой же категории потребителей следует отнести предприятия с непрерывным производственным процессом, остановка которых может привести к опасной для жизни людей ситуации, экологически неблагоприятным последствиям, существенным экономическим убыткам, повреждению дорогостоящего оборудования, нарушению функционирования особо важных объектов коммунального хозяйства. Время перерывов в электроснабжении определяется временем включения другого независимого источника энергии с помощью систем аварийного включения резерва.
Потребители второй категории допускают перерывы в электропитании на время, необходимое для включения резервных линий дежурным персоналом. К этой категории потребителей относятся электроприемники, перерыв в электроснабжении которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению жизнедеятельности городских и сельских жителей. В эту же категорию входят жилые дома, общежития, где установлены электроплиты, административно-общественные здания, детские учреждения, предприятия общественного питания, коммунальные предприятия (химчистки, прачечные, бани и т.п.), магазины.
К третьей категории относятся потребители, которые не входят в первую и вторую категории.
В электроэнергетической системе распределение и передача энергии от источников к потребителям осуществляется с помощью электрических сетей. Они включают в себя трансформаторные и преобразовательные подстанции, распределительные устройства и воздушные или кабельные линии электропередачи (ЛЭП). Передачу энергии обычно осуществляют с повышением напряжения ЛЭП и его последующим понижением у потребителя с помощью трансформаторов.
Простейшие системы передачи электрической энергии представлены на рис. 1.1 [3]. В случае системы с повышением и понижением напряжения (рис.1.1, б) от генератора Г электрическая энергия напряжением U 1 подается на повышающий трансформатор Т 1. Транспортировка электрической энергии осуществляется по линии электропередачи с активным сопротивлением R при напряжении U 2.Трансформатор Т 2понижает напряжение до уровня U 3, необходимого потребителю с нагрузкой R н.
Рис. 1.1. Системы передачи электроэнергии:
а — без повышения напряжения;
б — с повышением и понижением напряжения на трансформаторах [3]
Для этой системы полезная нагрузка Р пол = U 
/R н, обусловленная сопротивлением потребителя R н, остается постоянной. Покажем эффективность передачи электрической энергии при напряжениях U 1. и U 2.
|
|
|
Полезная мощность, передаваемая источником потребителю в схемах, представленных на рис. 1.1, а и б, составляет Р пол = U 1 I 1= U 2 I 2. Потери энергии при напряжениях U 1. и U 2. различаются и составляют: Δ Р 1 = I 
R и Δ Р 2 = I 
R. Отношение потерь будет определяться как
| Δ Р 1/ Δ Р 2 = I R / I R = I / I
| (1.1) |
или с учетом закона Ома
| Δ Р 1/ Δ Р 2 = U / U .
| (1.2) |
Таким образом, отношение потерь при передаче электроэнергии с увеличением напряжения от U 1 до U 2уменьшается пропорционально отношению напряжений во второй степени при соблюдении постоянного значения R.
Принято, что рациональное и надежное энергообеспечение можно реализовать путем формирования электрических сетей с возможностью резервирования. Уменьшения потерь и реализации высокой пропускной способности линий связи с электростанциями добиваются использованием глубоких вводов высокого напряжения и формированием в пределах города или в непосредственной близости от него кольцевых сетей высокого напряжения. Глубоким вводом называют систему электроснабжения, включающую в себя питающую линию высокого напряжения и понижающую подстанцию. Эта система обеспечивает передачу значительной мощности вглубь территории крупного города или крупного промышленного предприятия.
Электрические сети высокого напряжения кольцевой конфигурации выполняют роль сборных шин для приема электроэнергии от удаленных электростанций и для присоединения городских источников электроэнергии и понижающих подстанций города. В этом случае для глубоких вводов характерно напряжение 110—500 кВ, для распределительных пунктов используются воздушные и кабельные линии напряжением 35—220 кВ. На территории предприятий подводы к крупным потребителям выполняют в виде кабельных или воздушных распределительных линий напряжением 0,4 и 10 (6) кВ. У потребителей применяют электрические линии внутренних сетей напряжением 0,4 кВ.
|
|
|
На рис. 1.2 приведена обобщенная схема электроснабжения города.
Рис. 1.2. Обобщенная схема электроснабжения города:
КЛ — кабельная линия; ЛЭП — линия электропередачи; КЭС — конденсационная электростанция; ТЭЦ — теплоэлектроцентраль; АЭС — атомная электростанция; ЕЭС — единая энергетическая система; РП — распределительный пункт; ГП — городская подстанция; Т пв — повышающий трансформатор; Т пн — понижающий трансформатор
Городские электрические сети включают в себя подстанции и распределительные устройства, схемы которых представлены на рис. 1.3, 1.4. Обеспечение потребителей электроэнергией происходит с резервированием, т.е. электротехническое оборудование дублируется в целях сохранения электропитания в аварийных ситуациях и при проведении ремонтных работ. Резервирование по питанию от линий электропередачи Л 1, Л 2(рис. 1.3) осуществляется с помощью использования разъединителей Р 3, Р 4, выключателей В 3, В 4и двух понижающих трансформаторов Т 1, Т 2. Потребители могут быть подключены к разным системам шин через выключатели и разъединители.
Электроснабжение отдельных районов города обычно осуществляется с помощью разветвленных распределительных сетей напряжением 6 или 10 кВ. Эти сети высокого напряжения обеспечивают, в основном, гибкость и надежность электроснабжения в городе. Отдельные потребители получают электроэнергию через распределительные пункты, где также предусмотрена возможность их подключения к различным источникам (рис. 1.4). Комбинацией выключателей В и разъединителей Р добиваются надежного обеспечения электроэнергией потребителей со стороны выключателей В 1— В2. Выключатели В 5— В 7 обеспечивают переключение систем шин А и Б и создают возможность срабатывания устройств автоматического включения резерва, подключая вводы 1 и 2 к потребителям электроэнергии.
Рис. 1.3. Однолинейная электрическая схема понижающей подстанции
Рис. 1.4. Однолинейная схема распределительного устройства РУ 10 (6) кВ
Схема автоматизированной распределительной подстанции с резервированием линий и трансформаторов при подключении потребителей сетей напряжением 0,4 кВ представлена на рис. 1.5. На двухтрансформаторных подстанциях с автоматическим включением резерва на стороне 0,4 кВ обеспечивается надежное питание потребителей при повреждении линий электропередачи или трансформаторов, а также при проведении плановых ремонтов оборудования.
Но все эти схемы электроснабжения создавались, когда не было существующего сегодня уровня использования самых разнообразных электронных устройств и систем, которые следует относить к потребителям электроэнергии первой категории.
Вызвано это тем, что отключение питания этого оборудования приводит к большим потерям, сбоям в работе самых различных устройств. Кроме того, электронные устройства (компьютеры и др.) способствуют искажению синусоидальной формы волн напряжения и/или тока.
Рис. 1.5. Автоматизированная распределительная подстанция 10 (6)/0,4 кВ:
Р — разъединители. В — выключатели; П — предохранители; Л — линии электропередачи; АВР — устройства автоматического включения резерва; Т — трансформаторы
1.2. Режимные нагрузки потребителей [1]
Генерация электрической энергии должна соответствовать ее суммарному потреблению. Электрическая нагрузка меняется в течение суток и зависит от вида подключаемых потребителей.
В электрической системе города нагрузки обусловлены потреблением электроэнергии на предприятиях, в общественных зданиях и сооружениях, и отдельными потребителями в квартирах жилых домов. Часто в качестве потребителей обобщенной нагрузки, например в жилищно-коммунальном хозяйстве, рассматриваются отдельные квартиры, насосное и вентиляторное оборудование, осветительные приборы. Потребители различаются по мощности и по характеру нагрузки входящих в их состав электроприемников. При определении общего потребления электрической энергии нагрузки отдельных потребителей суммируются.
Выбор сетевого энергетического оборудования осуществляется с учетом электрических нагрузок. Статистическая обработка значений электропотребления является основой определения расчетных нормативных показателей. Стремление к достижению экономически и технически оправданных нормативных показателей способствует эффективному потреблению электроэнергии. В настоящее время для определения расчетных нагрузок потребителей используются удельные расчетные показатели потребления электрической энергии.
Активная и реактивная мощности. Выше рассматривались нагрузка в трехфазной цепи и использование ее для совершения полезной механической работы, получения тепловой энергии и энергии излучения (света), так называемой «активной энергии». В то же время часть знакопеременной электрической мощности, называемой реактивной, участвует в колебательных процессах, связанных с наличием в сети помимо элементов активного сопротивления элементов с электрической емкостью и индуктивностью.
Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока.
Существенную часть оборудования электрической сети переменного тока составляют устройства, имеющие значительную индуктивность: асинхронные двигатели, трансформаторы, индукционные электрические печи, сварочные трансформаторы и др. Кроме того, отдельные элементы оборудования сети и ее проводники характеризуются электрической емкостью.
При синусоидальных колебаниях тока и напряжения электрическая энергия запасается в индуктивной катушке или электрическом поле конденсатора, а затем вновь возвращается в сеть. Колебания напряжения и тока в электротехнических устройствах требуют затрат энергии на перемагничивание магнитопроводов трансформаторов, электродвигателей, изменение заряда электрической емкости линий электропередачи, отдельных проводников, в конечном итоге на сдвиг фазы тока и напряжения в проводниках и элементах сети.
Реактивные элементы обеспечивают сдвиг по фазе между векторами тока и напряжения в нагрузочных цепях. При анализе токов и напряжения представляется возможным условно разделить их на синусоидальные составляющие, которые отдельно соответствуют использованию активной и реактивной энергии. Полная мощность S для каждого потребителя определяется как произведение действующего значения тока потребления I на напряжение U:
| S = IU. | (1.3) |
В электрической цепи переменного синусоидального тока активная мощность равна произведению действующих значений тока и напряжения на косинус сдвига фаз между ними:
| Р = IU cos φ или Р = S cos φ. | (1.4) |
Мощность переменного тока характеризуют не только активной, но и реактивной составляющей. Для синусоидального тока реактивная мощность электрической цепи равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус сдвига фаз между ними:
| Q = IU sin φ или Q = S sin φ. | (1.5) |
Для каждой фазы трехфазной цепи при синусоидальных нагрузках отношение активной составляющей Р, потребляемой мощности к полной S называют коэффициентом электрической мощности, который определяется по формуле:
| К = Р / S = сos φ. | (1.6) |
Коэффициент К характеризует уровень потребления реактивной мощности электротехническим оборудованием (двигателями, генераторами, трансформаторами и др.), а также нагрузку потребителя в целом. Значения коэффициента электрической мощности при нагрузках различного характера приведены в табл. 1.1.
Таким образом, генераторы электростанций должны вырабатывать наряду с активной мощностью также и реактивную, передаваемую по электрической сети потребителям. При низких коэффициентах мощности у потребителей для обеспечения передачи им необходимой активной мощности требуется увеличивать нагрузку генераторов электростанций, а также пропускную способность сетей и мощность трансформаторов.
Таблица 1.1.
Усредненные удельные нагрузки общественных потребителей
| Общественные потребители | Удельная нагрузка Р пр, кВт | Коэффициент мощности К |
| Предприятия питания: | ||
| полностью электрифицированные | 0,90 | 0,97 |
| частично электрифицированные | 0,70 | 0,95 |
| Магазины (на 1 м торгового зала): | ||
| продовольственные | 0,11 | 0,75 |
| промтоварные | 0,08—0,07 | 0,85—0,90 |
| Лечебные корпуса больниц (на одно койко-место) | 0,50—0,60 | 0,90—0,95 |
| Поликлиники (на одно посещение в смену) | 0,15 | 0,90 |
| Школы* | 0,11—0,14 | 0,95 |
| Высшие и средние учебные заведения* | 0,16 | 0,90 |
| Кинотеатры* | 0,13—0,08 | 0,85—0,95 |
| Стадионы* на 40000 мест | 0,02 | 0,98 |
| Общежития без пищеблока (на одно место) | 0,10 | 0,90 |
| Административные учреждения (на 1 м общей площади) | 0,04 | 0,90 |
| Комбинаты бытового обслуживания (на одно рабочее место) | 0,50 | 0,90 |
| Химчистки (на 1 т одежды в смену) | 140,0 | 0,90 |
* В расчете на одно посадочное место
Усредненные годовые показатели по потреблению электрической энергии могут быть определены для предприятия и целого региона. В табл. 1.2 приведены удельные показатели по потреблению электрической энергии по России, см. также том 1, гл. 8 данного издания.
Таблица 1.2
Средние нормы удельного годового расхода электроэнергии в быту и сфере обслуживания по России
| Направление использования | Норма удельного годового расхода электроэнергии, кВт∙ч/(чел.∙год) |
| Жилой сектор | |
| Освещение домов | |
| Бытовые приборы | |
| Приготовление пищи | |
| Итого | |
| Общественный сектор | |
| Освещение улиц | |
| Коммунальные и общественные предприятия | |
| Водопровод и канализация | |
| Итого | |
| Всего по жилому и общественному секторам |
Потребление электрической энергии в промышленности определяется произведением удельных показателей ее расхода на единицу выпускаемой продукции на ее общий объем. В табл. 1.3 приведены значения усредненных удельных норм потребления электрической энергии в различных производствах отдельных отраслей промышленности. Расчетные нагрузки для отдельных видов деятельности определяются по удельной нагрузке Р при объему выпуска продукции Q пр.При этом потребление электрической энергии вычисляется как
| Р = Р пр Q пр. | (1.7) |
Таблица 1.3
Усредненные удельные нормы потребления электроэнергии в различных производствах
отдельных отраслей промышленности
| Продукция | Удельный расход электроэнергии на единицу продукции, кВт∙ч |
| Металлургическая промышленность | |
| Сталь, выплавляемая в дуговых электропечах | 620—1065 |
| Медь черная | 385—420 |
| Алюминий-сырец | 17400—18400 |
| Магний рафинированный | |
| Химическая промышленность | |
| Аммиак, получаемый методом конверсии | 750—2000 |
| Искусственное волокно вискозное: | |
| штапельное | 2000—3800 |
| ацетатный шелк | 5900—6800 |
| капрон | 12500—14300 |
| Сода каустическая | 60—120 |
| Кислота серная | 60—100 |
| Суперфосфат | 7—10 |
| Резинотехнические изделия | 220—300 |
| Азотная кислота | 130—150 |
| Продолжение табл. 1.3 | |
| Машиностроение (производство электротехнических изделий) | |
| Автомобили (1 шт.) | 1300—1900 |
| Электродвигатели (на 1 кВт) | 4—7 |
| Электрофарфор (1 т) | 300—800 |
| Трансформаторы (на 1 кВ∙А) | 2,5 |
| Промышленность строительных материалов | |
| Портландцемент | |
| Стекло оконное | 55—80 |
| Лесная, бумажная и деревообрабатывающая промышленность | |
| Бумага | 375—700 |
| Древесина | 1000—1350 |
| Легкая промышленность | |
| Хлопчатобумажные изделия (1 т): | |
| прядение | 40—50 |
| ткачество | 40—70 |
| отделка | 130—300 |
| Ковры (1000 м3) | 980—1000 |
| Ткани (1000 м3): | |
| шерстяные | 2400—3400 |
| хлопчатобумажные | |
| Обувь (1000 пар): | |
| кожаная | 400—580 |
| резиновая | 600—700 |
| Пищевая промышленность | |
| Крупа | 20—100 |
| Хлеб | 20—40 |
| Масло, маргарин | 8—150 |
| Молочные изделия | 30—160 |
| Мясные изделия | 50—80 |
Примечание. Для металлургической, химической, пищевой, лесной, бумажной и деревообрабатывающей промышленности, а также промышленности строительных материалов удельный расход электроэнергии дан в расчете на выпуск 1 т продукции.
Суточные графики нагрузки потребителей. Усредненные удельные нормы потребления электроэнергии в различных сферах деятельности по объему выпускаемой продукции и общему времени ее выпуска позволяют оценить средние значения используемой электрической мощности. В то же время циклический характер производственных процессов, сменная работа производства и сотрудников, изменение погодных и сезонных условий приводят к тому, что временные суточные графики потребления электрической энергии неравномерны и имеют один или несколько максимумов. При производстве электрической энергии необходимо вовремя включить дополнительные генерирующие мощности, чтобы покрыть существующие максимумы нагрузок графиков электропотребления. При этом диспетчерские службы оперативного управления в энергосистеме подготавливают резервные генераторы и, если нужно, паровые котлы резерва, чтобы вовремя покрыть увеличивающуюся нагрузку в системе.
Все это учитывается в тарифном меню, которое предлагается потребителям. Хотя потребители могут сами участвовать в выравнивании графиков нагрузки, в том числе и за счет создания своих собственных генерирующих мощностей.
