Глава 3. Передача, распределение и потребление электроэнергии

3.1. Понятие об электроэнергетической системе

В соответствии с действующими “Правилами устройства электроустановок”:

– энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединённых 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 неё приёмники электроэнергии, объединённые общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии;

– несколько параллельно работающих ЭЭС при централизованном оперативно-диспетчерском управлении ими представляют объединённую электроэнергетическую систему (ОЭЭС);

– параллельно работающие ОЭЭС при централизованном оперативно-диспетчерском управлении ими образуют Единую электроэнергетическую систему страны (ЕЭЭС).

Под ЭЭС понимается совокупность взаимосвязанных элементов, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электроэнергии. К элементам ЭЭС относятся генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, всевозможное вспомогательное оборудование, а также устройства управления и регулирования, которые объединяются в отдельные электроэнергетические установки. Электрическая система состоит из электроэнергетических установок и линий электропередач. К электроэнергетическим установкам относят электрические станции и районные подстанции различного назначения.

Энергетическое производство, и в особенности производство электроэнергии резко отличается от других производств в силу невозможности аккумулирования товара – электроэнергии. Выработка, распределение и преобразование её в другие виды энергии осуществляются одновременно. Данная существенная особенность превращает сложную ЭЭС в единый механизм, все звенья которого взаимно связанны самым теснейшим образом.

Второй не менее важной особенностью производства электроэнергии является скоротечность протекающих переходных процессов. Волновые процессы, связанные с коммутациями в электрической сети, протекают в тысячные и даже в миллионные доли секунды. Короткие замыкания (нарушение изоляции) и появление значительных токов (термическое и динамическое воздействие на значительные участки ЭЭС) даже за сотые доли секунды могут вызывать крайне негативные последствия (потеря устойчивости работы ЭЭС, токи качания, лавина частоты и напряжения).

Ещё одной особенностью производства электроэнергии является неразрывная связь с очень многими другими производствами (транспорт, связь, непрерывные технологические цепочки, не допускающие перерыва питания даже на несколько секунд). Данная особенность резко повышает роль данного производства и актуальность его нормального функционирования.

Из сказанного вытекает следующее:

– ремонт или отказ (и ряд других причин) электроэнергетического оборудования вызывает снижение количества вырабатываемой электроэнергии, что влечёт за собой необходимость отключения части потребителей;

– снижение потребляемой электроэнергии (при отсутствии потребителей-регуляторов) не даёт возможности полноценного использования имеющегося оборудования (электроэнергетического ресурса ЭЭС).

Режим системы, т. е. ее состояние в данный момент времени, характеризуется параметрами, определяющими процесс ее функционирования. К таким параметрам относятся: активная и реактивная мощность и , напряжение , ток , частота и т. д.

Режимы подразделяются на установившиеся и переходные. Параметры установившихся режимов сохраняются на рассматриваемом интервале времени неизменными или изменяются относительно медленно. Переходные режимы соответствуют переходу системы от одного установившегося режима к другому; для них характерны медленные и малые или быстрые и значительные изменения параметров.

Для того чтобы электроэнергетическая система могла нормально функционировать, а потребители электрической энергии могли работать согласно заложенным в их конструкции характеристикам, необходимо соответствие параметров режима определенным значениям. При этом обеспечивается приемлемое качество электроэнергии, подводимой к потребителям, которое характеризуется значениями напряжения, частоты, симметрией (для трехфазного тока) и синусоидальностью (формой кривой переменного тока).

Наиболее важным является выполнение условия баланса активной и реактивной мощностей в электроэнергетической системе.

Как было показано в п. 2.1, мощность есть удельная энергия (в единицу времени). Энергия за единицу времени называется активной мощностью , если ею совершается работа по безвозвратному преобразованию электрической энергии в какой либо другой вид.

Если в единицу времени источник (вращающая электрический генератор турбина) совершает больше работы, чем она потребляется, возникает избыток энергии (активной мощности). Нескомпенсированная энергия турбины вызывает увеличение скорости её вращения, следовательно частота сети начинает повышаться, и наоборот, при недостаточной активной мощности турбины частота начнёт снижаться. Таким образом, условие постоянства частоты в электрической сети имеет вид:

,

( 3.1 )

где – суммарная активная мощность всех источников электрической энергии в сети; – суммарная нагрузка электрической сети; – суммарные потери при транспортировке электроэнергии к потребителям.

Часть энергии необходимо затратить на создание условий передачи активной мощности – создание электрического и магнитного поля (рис. 3.1). Такую удельную энергию называют реактивной , так как она не теряется безвозвратно, а лишь меняет свою форму, из электрического поля (потенциальная форма) переходит в вид магнитного поля (направленное движение зарядов) и наоборот.

Магнитное и электрическое поля есть “кинетическая” и “потенциальная” сторона единого физического явления – электромагнитного поля. Реактивный характер электрической сети возникает при наличии временного сдвига между синусоидальными сигналами тока и напряжения (рис. 3.2,б).

Рис. 3.1. Пояснение к понятию реактивной мощности – наличие электрического и магнитного полей при передаче электрической энергии

Запаздывание тока по отношению к сигналу напряжения свидетельствует о большей инерционности изменения тока за счёт необходимости затрат времени и энергии на создание магнитного поля, и характер цепи называют индуктивным.

а) б)

Рис. 3.2. Пояснение к понятию реактивной мощности – различный характер запасаемой энергии в электрическом и магнитном поле

Опережение сигналом тока сигнала напряжения свидетельствует об инерционности изменения потенциалов фаз ( ) за счёт затрат времени и энергии на создание электрического поля, и тогда говорят о ёмкостном характере электрической цепи. Если ток и напряжение изменяются без временного сдвига, это обозначает, что количество энергии, запасаемой в виде электрического поля полностью соответствует количеству энергии, запасаемой в виде магнитного поля (рис. 3.2,а), и преобладания инерционности тока и напряжения не наблюдается, тогда электрическую цепь характеризуют как чисто активную.

Вне зависимости от степени временного сдвига между током и напряжением активная мощность есть произведение мгновенных величин тока и напряжения. И только за счёт особенности трёхфазной сети (п. 2.1) суммарная передаваемая мощность будет величиной постоянной, зависящей от амплитудных значений тока, напряжения и угла сдвига фаз (временного сдвига) между ними.

Временной сдвиг в четверть периода свидетельствует о равенстве количества необходимой энергии на создание электрического и магнитного поля (рис. 3.2,б). В момент времени вся реактивная энергия заключена в виде электрического поля

, ,

в момент времени – в виде магнитного поля:

, .

Энергия в электрической цепи расходуется на создание полей – то электрического, то магнитного, и активной (безвозвратно теряемой) энергии нет. Так как в реальной цепи всегда есть Джоулевы (тепловые) потери и ряд других (дополнительных) потерь (ионизация диэлектрика, окружающего проводник; вихревые потери и т.д.) – данный режим практически недостижим. В практике при временном сдвиге между током и напряжением, соответствующем углу , характер электрической цепи называют чисто реактивным.

Суммарные затраты ЭЭС на выработку электроэнергии зависят не только от баланса активных мощностей. В каждый конкретный момент времени для обеспечения всех потребителей ЭЭС электроэнергией существует некий наиболее оптимальный способ доставки электроэнергии от источников электрической энергии к потребителям, в зависимости от их взаимного расположения (расстояний), наличия и возможностей электрических сетей и ряда других условий. Для обеспечения такого, наиболее выгодного для ЭЭС, режима необходимо поддержание во всех узлах сети определённых значений напряжений и их взаимных угловых смещений. Рассмотрим участок сети (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Условное изображение участка сети из двух подстанций

Из принципа минимума потенциальной энергии любая система стремится минимизировать свою потенциальную энергию (реки текут к морю, камень падает к земле и т.д.). Для протекания тока (направленное перемещение множества зарядов – электронов) от шин подстанции А к шинам подстанции Б необходимо, чтобы потенциал на стороне п/ст А в проводе был выше потенциала на стороне п/ст Б (рис. 3.4,а). Если обеспечить данное условие, то направление потока мощности будет от п/ст А к п/ст Б. Если же изменить фазовый сдвиг, как показанно на рис. 3.4,б , то, несмотря на большее амплитудное значение напряжения на шинах п/ст А, направление потока мощности будет протекать от п/ст Б к п/ст А.

Таким образом, для обеспечения наиболее оптимального распределения потоков мощности по сети ЭЭС необходимо непрерывное регулирование величин напряжений и их фаз в узлах сети.

Любое изменение величины разницы напряжений по концам электрической линии вызовет изменение величины тока, изменение активных потерь и изменение количества энергии, запасаемой в виде электрического и магнитного полей. При изменении активной нагрузки системы наступает новый баланс активной мощности (3.1).

А изменение количества требуемой реактивной мощности связано с напряжениями в элементах ЭЭС. Если величина разности потенциалов недостаточна для создания количества магнитного поля и тока, ведут речь об отсутствии баланса реактивной мощности. Таким образом, баланс реактивной мощности необходим для выполнения условия обеспечения заданного уровня разности потенциалов, или иначе говоря – для обеспечения заданного уровня напряжения в электрической сети:

.

( 3.2 )

Физические свойства элементов электрической системы и взаимосвязи элементов между собой характеризуются параметрами электрической системы. К ним относятся: сопротивления элементов (активное , реактивное и полное ), моменты инерции и постоянные времени , характеризующие скорости изменения электрических и механических величин, и т. д.

Рис. 3.4. Регулирование направления потока мощности величиной и фазой напряжений по концам линии

Элементы электрической системы связаны единством происходящих в них процессов. Так, на протекание электромагнитных процессов, вызванных возмущениями в электрической сети, оказывают влияние режимы работы турбин, механическая энергия которых преобразуется в электрическую. На эти же процессы влияют режимы работы электрических двигателей и присоединенных к ним производственных механизмов, так как в двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую. Изменения режимов работы турбины, в свою очередь, вызывают изменения параметров пара в паропроводах, а следовательно – и изменения в работе парогенераторов.

Расход угля, газа или какого-либо другого органического топлива на ТЭС или расход воды на ГЭС зависит от потребления активной электроэнергии в системе. Организация наиболее целесообразной (экономически и технически оптимальной) эксплуатации имеет важное значение для всего технологического процесса производства и потребления энергии.

Электроэнергетическая система, таким образом, тесно связана с другими системами (в том числе и с окружающей биологической средой), образует глобальную систему. При проектировании развития электроэнергетической системы и управления ею эти взаимосвязи необходимо учитывать.

В действительности элементы электроэнергетической системы, работающие на переменном токе, имеют, как правило, трехфазное исполнение. Однако для выявления структуры системы, направлений энергетических потоков, проходящих через ее элементы, и решения многих других вопросов электроэнергетики нет необходимости использовать трехфазное изображение системы, а достаточно применять ее абстрактное однолинейное изображение. Для графического изображения электроэнергетических систем, а также отдельных ее элементов и связи между элементами используют следующие условные обозначения (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Условные обозначения основных элементов электроэнергетической системы

Наименование	Изображение	Обозначение
1	2	3
Синхронный генератор		G1
Синхронный компенсатор		GC1
Электродвигатель		M1
Нагрузка		P1
Выключатель		Q1
Разъединитель		QS1
Разъединитель заземляющий		QSG1
Разъединитель с одним заземляющим ножом		QS2
Разъединитель с двумя заземляющими ножами		QS3
Воздушная линия		W1
Кабельная линия		W2
Реактор		LR1
Сдвоенный реактор		LR2
Силовой трансформатор двухобмоточный		T1
Силовой трансформатор двухобмоточный с РПН		T2

Продолжение табл.3.1

1	2	3
Силовой трансформатор трёхобмоточный		T3
Силовой трансформатор трёхобмоточный с РПН		T4
Силовой автотрансформатор		T5
Силовой автотрансформатор с РПН		T6
Измерительный трансформатор тока		TA
Измерительный трансформатор напряжения		TV
Разрядник вентильный		FV

Часть электрической системы, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии, содержащая подстанции, линии электропередачи и распределительные устройства, называется электрической сетью. На подстанциях производится преобразование, а также распределение электрической энергии между потребителями. Под преобразованием электрической энергии понимается изменение напряжения и тока в трансформаторах.

Электрические сети подразделяют по ряду признаков: напряжению сети (существует шкала стандартных номинальных напряжений переменного трёхфазного тока: ; ; ; , ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ), роду тока (постоянный и переменный ток), назначению (районные сети, сети межсистемных связей, распределительные сети), конструктивному исполнению линий (воздушные и/или кабельные линии). Назначение электрических сетей во многом зависит от уровня напряжения, которое влияет на оптимальное расстояние передачи электрической энергии (примерно на ):

– ЛЭП межсистемных связей ( и выше);

– системообразующие сети ( и выше);

– распределительные сети энергосистемы ( , реже – );

– распределительные сети потребителей ( , , ).

В табл. 3.2 приведена классификация электрических сетей по уровню номинального напряжения. Сети напряжением до называют сетями низкого напряжения (НН). Сети напряжением выше , в свою очередь, делятся на сети среднего (СН), высокого (ВН), сверхвысокого (СВН) и ультравысокого (УВН) напряжения.

Таблица 3.2

Классификация электрических сетей по уровню номинального напряжения

Признак	Номинальное напряжение,
	<1	3÷35	110÷220	330÷750	1150
Наименование сети	НН	СН	ВН	СВН	УВН
Охват территории	местные		районные	региональные
Назначение	распределительные			системообразующие
Характер потребителя	городские, промышленные, сельскохозяйственные			ЭЭС

С точки зрения конфигурации сети различают разомкнутые (радиальные и радиально-магистральные) и замкнутые сети. В разомкнутых сетях каждый потребитель получает электроэнергию от одного источника с одного направления. К замкнутым относят сети, в которых потребители получают питание не менее чем с двух сторон.

По конструктивному выполнению различают кабельные и воздушные сети.

К основным параметрам, определяющим качество электрической энергии, а следовательно, и режим работы электроэнергетической системы, относится частота и напряжение в сети переменного тока. В энергетических системах России и Европы принята стандартная частота переменного тока . В США частота переменного тока . На некоторых автономных установках, самолетах и кораблях используются более высокие частоты ( ), что позволяет уменьшить габариты электрических машин. Значения частоты, меньшие , применяются сравнительно редко.

Вопросы для самоконтроля:

1. Назначение электроэнергетической системы, её основные элементы.

2. Специфика производства электрической энергии.

3. Каковы последствия несоблюдения баланса активной мощности.

4. Каковы последствия несоблюдения баланса реактивной мощности.

5. Дайте определение электрической сети. Какие виды классификации сетей вы знаете.