Область использования номинальных напряжений
Лекция № 1
Введение в электроэнергетику. Цели и задачи курса. Основные понятия. Номинальные напряжения
План.
1. Физическая природа электричества.
2. Свойства электроэнергии.
3. Цель и задачи курса.
4. Электрическая сеть, как часть электрической системы.
5. Номинальные напряжения. Область их использования.
Физическая природа электричества
Физическая природа электричества может рассматриваться в двух аспектах:
· корпускулярном (молекулярном), т.е. в виде потока электронов;
· в волновом, т.е. в виде электромагнитного поля, которое имеет различные проявления в электроэнергетике.
При молекулярном аспекте за единицу энергии принимают 1 МэВ, при вол-новом – 1 кВт·ч. Их соотношение таково:
1 МэВ = 4,42·10-20 1 кВт·ч.
Соотношение этих величин подчеркивает, что энергетические задачи должны рассматриваться не в молекулярном, а в волновом аспекте.
Передача электроэнергии тоже рассматривается в волновом аспекте. Линия электропередач не транспортирует электричество, как каналы транспортируют воду. Она является волноводом, который заставляет энергию следовать по опре-деленному пути. Такой волновод является наиболее простым средством передачи энергии при волнах малой длины.
Свойства электроэнергии
Та огромная роль, которую играет электроэнергия в нашей жизни обусловле-на следующими ее свойствами:
|
|
|
· легкость передачи на большие расстояния по сравнению с другими видами энергии;
· возможность преобразований в другие виды энергий с высоким к.п.д. независимо от ее количества. Поэтому нет необходимости в ее хранении;
· электроэнергия проявляется в виде потока, который раздробить на части легче, чем другие энергетические потоки (уголь, нефтепродукты);
· потребление электроэнергии может плавно меняться от нуля до максимума в зависимости от хода самого процесса производства или нагрузки рабочего механизма;
· возможность значительной концентрации мощности при производстве электроэнергии;
· поток электроэнергии можно представить непрерывным или перио-дическим в виде синусоиды. Такое представление наиболее удобно для информационных потоков. Поэтому ЛЕП часто используются и для передачи информации;
· электроэнергия является наиболее чистым видом энергии и наимешьшей степени загрязняет окружающую среду;
· ориентация на использование трехфазного тока придала использованию электроэнергии однородность.
Цель и задачи курса
Цель изучения дисциплины заключается в формировании знаний в области теории расчетов и анализа установившихся режимов электрических систем и се-тей и управления ими, а также в области их проектирования.
|
|
|
К основным задачам относятся:
· ознакомление с физической сущностью явлений, которые сопровождают процесс производства, распределения и потребления электроэнергии;
· составление схем замещения отдельных элементов сети и участка элект-рической сети в целом;
· определение их параметров;
· расчет различных режимов электрических сетей и систем и их анализ;
· разработка рекомендаций по улучшению режимов.
Курс основывается на дисциплинах “Математика”, “Физика”, “Технология производства электроэнергии”, “Теоретические основы электротехники”. Курс предваряет дисциплины “Электрооборудование станций и подстанций”, “Релейная защита”, “Переходные процессы в элетрических системах”.
Электрическая сеть, как часть электрической системы
По технико-экономическим соображениям все электростанции, которые расположены в одном регионе, соединяются между собой для параллельной работы на общую нагрузку при помощи ЛЕП различного класса напряжения. Объединение отличается общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления тепловой и электрической энергий. Оно называется энергетической системой. Другими словами, энергетическая система – это совокупность всех звеньев цепочки получения, преобразования, распределения и использования тепловой и электрической энергии. Схематично энергетическая система представлена на рис. 1.1.
|
|
|
Электрическая или электроэнергетическая система представляет собой часть энергетической системы. Из нее исключаются тепловые сети и тепловые потребители.
| ||||
| Электрические сети |
| Потребители электроэнергии |
| Тепловые сети |
| Потребители тепловой энергии |
| Электрическая система |
| Энергетическая система |
| Рисунок 1.1 – Условное обозначение энергетической и электрической систем |
Электрическая система представляет собой сложный объект. Сложность обусловлена рядом специфических особенностей:
· постоянное совпадение по времени процесса выработки, передачи и пот-ребления электроэнергии;
· непрерывность процесса выработки, передачи и потребления электро-энергии и необходимость в связи с этим непрерывного контроля за этим процессом. Процесс передачи электроэнергии по цепи “генератор – электроприемник” возможен лишь при надежной электрической и магнит-ной связи на всем протяжении этой цепи;
|
|
|
· повышенная опасность электрического тока для окружающей среды и обслуживающего персонала;
· быстрое протекание процессов, связанных с отказом различных элементов основной технологической цепочки;
· многообразие функциональных систем и устройств, которые осущест-вляют технологию производства электроэнергии; управление, регулирова-ние и контроль. Необходимость их постоянного и четкого взаимодействия;
· удаленность энергетических объектов друг от друга;
· зависимость режимов работы электрических систем от различных случай-ных факторов (погодные условия, режим работы энергосистемы, потре-бителей);
· значительный объем работ по ремонтно-эксплуатационному обслужи-ванию большого количества разнотипного оборудования.
На электрических схемах элетрическая система представляется следующим образом (см. рис. 1.2).
| ПС2 |
| ПС1 |
| Г |
| ЛЕП |
| ЭП |
| Электрическая сеть |
| Электрическая система |
| Рисунок 1.2 – Обозначение электрической системы на электрических схемах |
Электрическая сеть – это совокупность электроустановок для распре-деления электрической энергии. Она состоит из подстанций, распределительных устройств, воздушных и кабельных линий электропередач.
Линия электропередач (ЛЕП) – это электроустановка, предназначенная для передачи электроэнергии.
Так как передача электроэнергии экономически выгодна только по ЛЭП высокого напряжения, то энергия, которая вырабатывается на ЭС, преобразуется в энергию высокого напряжения при помощи трансформаторов ЭС. Подстанции, на которых производится эта трансформация называются повышающими (пита-ющими). На другом конце электропередачи строится понизительная (приемная) подстанция. Второе название условное, т.к. понизительная подстанция может быть одновременно и питающей).
Электроустановки, прием и распределение электроэнергии в которых выпол-няется на одном уровне напряжения, т.е. без трансформации, называются распре-делительными или переключательными пунктами.
Энергосистемы, расположенные в различных экономических районах, связы-ваются между собой линиями электропередач высокого напряжения. Это обеспечивает взаимный обмен мощностями и дает следующие преимущества:
· снижение суммарного максимума;
· уменьшение суммарного резерва мощности (12 – 20% от суммарной мощ-ности);
· повышается надежность и качество энергоснабжения;
· повышается экономичность использования энергоресурсов;
· улучшается использование мощности ЭС (можно строить мощные агрегаты);
· облегчается работа систем при сезонных изменениях нагрузки, при ремон-тах и авариях.
Но в объединенных системах усложняется релейная защита, автоматика и управление режимами.
Номинальные напряжения
Выработка, передача и потребление электроэнергии выполняется при различ-ных напряжениях: генерация при напряжении до 30 кВ, передача – при напряжении 35 кВ и выше, потребление – сотни и тысячи вольт.
Номинальным напряжением элементов электрической сети (электроприемники, генераторы, трансформаторы) называется то напряжение, на котором эти элементы имеют наиболее целесообразные технические и экономические характеристики.
Номинальные напряжения устанавливаются государственным стандартом (ГОСТ).
Таблица 1.1 – Номинальные напряжения (до 1000 В) переменного трехфазного
тока, В
| Источники и преобразователи | 42 | 230 | 400 | 690 |
| Сети и электроприемники | 40 | 220 | 380 | 660 |
Таблица 1.2 – Номинальные напряжения (более 1000 В) переменного трехфазного
тока, кВ
| Сети и приемники | Генераторы и СК | Трансформаторы и автотрансформаторы | |||
| без РПН | с РПН | ||||
| первичные обмотки | вторичные обмотки | первичные обмотки | вторичные обмотки | ||
| (3) | (3,15) | (3 и 3,15) | (3,15 и 3,3) | – | (3,15) |
| 6 | 6,3 | 6; 6,3 | 6,3; 6,6 | 6; 6,3 | 6,3; 6,6 |
| 10 | 10,5 | 10; 10,5 | 10,5; 11 | 10; 10,5 | 10,5; 11 |
| 20 | 21 | 20 | 22 | 20; 21 | 22 |
| 35 | – | 35 | 38,5 | 35; 36,75 | 38,5 |
| 110 | – | – | 121 | 110; 115 | 115; 121 |
| (150) | – | – | (165) | (158) | (158) |
| 220 | – | – | 242 | 220; 230 | 230; 242 |
| 330 | – | 330 | 347 | 330 | 330 |
| 500 | – | 500 | 525 | 500 | – |
| 750 | – | 750 | 787 | 750 | – |
| 1150 | – | – | – | 1150 | – |
Номинальные напряжения источников (генераторы и СК) по условиям компенсации потерь напряжения в питаемой сети приняты на 5% выше номинальных напряжений сети.
Первичные обмотки трансформаторов являются приемниками электроэнергии. Поэтому для повышающих трансформаторов их номинальные напряжения равны номинальным напряжениям генераторов; для понижающих трансформаторов – номинальным напряжениям сети или на 5% выше. Вторичные обмотки трансформаторов питают последующую сеть. Чтобы скомпенсировать потерю напряжения в трансформаторах, их номинальные напряжения выше номинальных напряжений сети на 5 – 10%.
Каждая электрическая сеть характеризуется номинальным напряжением электроприемников, которые от нее питаются. В действительности электроприемники работают при напряжении отличном от номинального напряжения из-за потерь напряжения. Согласно ГОСТ, при нормальном режиме работы сети напряжение подводимое к электроприемникам не должно отличаться от номинального больше, чем на ± 5%. Т.е. напряжение U1 не должно превышать номинальное более, чем на 5%. Напряжение U2 не должно быть ниже больше, чем на 5% (см. рис. 1.3). Номинальное напряжение сети равно ее среднему значению:
| Г |
| +5% |
| -5% |
| Uном |
| ПС1 |
| ПС2 |
| ПС3 |
| Рисунок 1.3 – Определение номинального напряжения сети |
Область использования номинальных напряжений
Напряжения 220 В, 3, 20 и 150 кВ считаются неперспективными и не рекомендуются для вновь проектируемых сетей.
В сети до 1000 В наибольшее распространение получило напряжение 380 В. Используется для питания осветительной нагрузки внутри и вне помещений, для питания мелкомоторной нагрузки промышленных предприятий.
Напряжение 660 В применяется в заводских сетях для питания электросиловой нагрузки.
Напряжение 6 и 10 кВ используются для распределительных сетей в городской и сельской местности.
Напряжение 35 и 110 кВ имеют наибольшее распространение. Напряжение 35 кВ используют в распределительных сетях. Напряжение 110 кВ выполняет две функции:
· питает крупные центры потребления энергии, т.е. выступает в роли системообразующего. Особенно это относится к старым энергосистемам;
· питает подстанции небольшой мощности напряжением 110/10 кВ в зонах обслуживания потребителей 10 кВ, т.е. выступает в роли распределительного.
Напряжение 220 кВ применяют в энергосистемах с высшим напряжением 500 кВ при значительном росте нагрузок, как наиболее перспективное по отношению к напряжению 110 кВ.
Напряжения 330 кВ и выше играют роль системообразующих напряжений.
Лекция № 2
Классификация электрических сетей
Электрические сети классифицируются:
· по роду тока;
· по номинальному напряжению;
· по конструктивному исполнению;
· по расположению;
· по конфигурации;
· по степени резервированности;
· по выполняемым функциям;
· по характеру потребителей;
· по назначению в схеме электроснабжения;
· по режиму работы нейтрали.
По роду тока различают сети переменного и постоянного тока. Основное распространение получили сети трехфазного переменного тока.
Однофазными выполняются внутриквартирные сети. Они выполняются как ответвление от трехфазной четырехпроводной сети.
Сети постоянного тока используются в промышленности (электрические печи, электролизные цеха) и для питания городского электротранспорта.
Постоянный ток используется для передачи энергии на большие расстояния. Но, на постоянном токе работает только ЛЕП: в вначале и конце ЛЕП строятся преобразовательные подстанции, на которых происходит преобразование пере-менного тока в постоянный и обратно. Использование постоянного тока обеспе-чивает устойчивую параллельную работу генераторов ЭС.
Постоянный ток используется для организации связи электроэнергетических систем. При этом отклонение частоты в каждой системе практически не отража-ется на передаваемой мощности.
Существуют передачи пульсирующего тока. В них электроэнергия передает-ся по общей линии одновременно переменным и постоянным токами. У такой передачи увеличивается пропускная способность по отношению к ЛЕП перемен-ного тока и облегчается отбор мощности по сравнению с ЛЕП постоянного тока.
По напряжению согласно ГОСТ сети делятся на сети напряжением до 1000 В и сети напряжением выше 1000 В.
В литературе встречается и такое деление:
· сети низких напряжений (220 – 660 В);
· сети средних напряжений (6 – 35 кВ);
· сети высоких напряжений (110 – 220 кВ);
· сети сверхвысоких напряжений (330 – 750 кВ);
· сети ультравысоких напряжений (более 1000 кВ).
По конструктивному исполнению различают воздушные и кабельные сети, проводки и токопроводы.
Токопровод – это установка для передачи и распределения электроэнергии, которая испльзуется на промышленных предприятиях. Состоит из неизолирован-ных или изолированных проводников, изоляторов, защитных оболочек и опорных конструкций.
Электропроводки предназначены для выполнения сетей в зданиях.
По расположению сети делятся на наружные и внутренние. Наружные выполняются неизолированными (голыми) проводами и кабелями. Внутренние выполняются изолированными проводами.
По конфигурации сети делятся на разомкнутые (см. рис. 2.1) и замкнутые (см. рис. 2.2).
Разомкнутые сети питаются от одного источника питания и передают элект-роэнергию к потребителям только в одном напрявлении.
В замкнутых сетях электроприемники получают по меньшей мере с друх сто-рон. Различают простые замкнутые сети и сложнозамкнутые сети. Простые замк-нутые сети имеют один замкнутый контур, сложнозамкнутые – несколько. К простым замкнутым сетям относятся кольцевая сеть и сеть с двухсторонним пита-нием.
| ИП |
| ЭП |
| ЛЕП |
| ИП |
| ЭП2 |
| ЛЕП1 |
| ЛЕП2 |
| ЭП1 |
| ИП |
| ЭП2 |
| ЛЕП1 |
| ЛЕП2 |
| ЭП1 |
| ЛЕП3 |
| а) |
| б) |
| в) |
| Рисунок 2.1 – разомкнутые сети: а) – радиальная; б) – магистральная; в) – магистральная с ответвлением |
| ЛЕП1 |
| ЭП2 |
| ЭП1 |
| ИП1 ЛЕП1 ЛЕП2 ЛЕП3 ИП2 |
| ЭП2 |
| ЭП1 |
| ИП |
| ЛЕП2 |
| ЛЕП3 |
| ЛЕП7 |
| ЛЕП6 |
| ЛЕП5 |
| ЛЕП4 |
| ЛЕП3 |
| ЭП3 |
| ЭП2 |
| ИП1 |
| ИП2 |
| ЭП1 |
| ЭП4 |
| ЛЕП1 |
| ЛЕП2 |
| а) |
| б) |
| в) |
| Рисунок 2.2 – Замкнутые сети: а) – кольцевая; б) – с двухсторонним питанием; в) - сложнозамкнутая |
По степени резервированности сети делятся на нерезервированные и резервированные. Замкнутые сети всегда резервированные, потому что при отключении любой ЛЕП или любого источника питания ни один из потребителей не потеряет питание. Магистральные сети, выполненные одной цепью, являются нерезервированными, так как часть или все потребители теряют питание в зависимости от места повреждения и мест установки коммутационной аппаратуры. Магистральные сети, выполненные двумя цепями, являются резервированными.
По выполняемым функциям различают системообразующие, питающие и распределительные сети.
Системообразующие сети – это сети напряжением 330 кВ и выше. Выполняют функцию формирования энергосистем, объединяя мощные ЭС и обеспечивая их функционирование как единого объекта управления. Эти сети характеризуются большим радиусом охвата, значительными нагрузками. Сети выполняются по сложнозамкнутым многоконтурным схемам с несколькими ИП.
Питающие сети предназначены для передачи электроэнергии от подстанций системообразующей сети и от шин 110 – 220 кВ ЭС к районным подстанциям. Питающие сети обычно замкнуты. Их напряжение – 110 – 220 кВ.
Распределительная сеть предназначена для передачи электроэнергии на не-большие расстояния от шин низшего напряжения районных ПС непосредственно к потребителям. Такие сети выполняют по разомкнутым схемам. Различают расп-ределительные сети высокого напряжения (более 1000 В) и низкого напряжений (до 1000В).
По характеру потребителей сети делятся на городские, промышленные и сельские.
Городские сети характеризуются высокой плотностью электрических на-грузок (до 12 МВ·А/км2) и большим количеством разнородных потребителей.
К промышленным сетям относятся сети промышленных предприятий. Эти сети делятся на сети внешнего и внутреннего электроснабжения. Напряжение зависит от близости к питающей ПС. Если она расположена вблизи предприятия, то напряжение внешнего электроснабжения – 6 - 10 кВ, а внутреннего – до 1000 В. Если питающая ПС расположена далеко, то напряжение внешнего электроснабжения повышается. Для промышленных сетей существует понятие “глубокого ввода”, когда высокое напряжение (220 –330 кВ) заводится на территорию завода, минуя дополнительные трансформации. В этом случае в схеме внутреннего элект-роснабжения используется напряжение 6 – 35 кВ.
Сельские сети – сети напряжением 0,4 – 110 кВ. Они предназначены для питания небольших населенных пунктов, сельскохозяйственных предприятий. Отличаются большой протяженностью и малой плотностью нагрузки (до 15 кВ·А/км2). Сельские сети выполняются, в основном, воздушными ЛЕП по разомкнутым схемам.
По назначению в схеме электроснебжения сети делятся на местные и районные.
Местные сети охватывают площади радиусом до 30 км. Они имеют малую плотность нагрузки и напряжение до 35 кВ включительно. Это сельские, комму-нальные и фабрично-заводские сети. К местным сетям относятся “глубокие вводы” напряжением 110 кВ.
Районные сети охватывают большие районы и имеют напряжение 110 кВ и выше. По районным сетям осуществляется передача электроэнергии от ЭС в места ее потребления. К районным сетям относятся основные сети системы, магистральные ЛЕП внутрисистемной связи и межсистемные связи.
По режиму работы нейтрали сети делятся:
· на сети с изолированной нейтралью;
· на сети с компенсированной нейтралью;
· на сети с эффективно – заземленной нейтралью;
· на сети с глухозаземленной нейтралью.
Режим работы нейтрали определяется способом соединения нейтрали с землей. В сетях с изолированной нейтралью электроустановки не имеют связи з землей. В сетях с компенсированной нейтралью имеется связь через дугогасительную катушку. В сетях с глухозаземленной нейтралью – непосредственная связь с землей. В сетях с эффективно-заземленной нейтралью – часть нейтралей трансформаторов заземлена, часть – разземлена (в нейтраль включены разъединитель и разрядник).
Выбор режима работы нейтрали в сети до 1000 В определяется безопасностью работ. В сети выше 1000 В – двумя причинами:
· стоимостью изоляции оборудования;
· величиной токов однофазного короткого замыкания на землю.
В соответствии с “Правилами устрой ства электроустановок” электроуста-новки до 1000 В работают либо с глухозаземленной, либо с изолированной нейт-ралью.
В первом случае имеем четырехпроводную сеть. Замыкание любой фазы на землю приводит к короткому замыканию в сети (ток повреждения большой). Предохранитель поврежденной фазы перегорает, а две здоровые фазы остаются в работе при фазном напряжении.
Во втором случае имеем трехпроводную сеть. В такой сети замыкание фазы на землю не приводит к значительному росту тока в месте повреждения, фаза не отключается. Фазные напряжения неповрежденных фаз возрастают до линейных значений, т.е. возрастают в 
раз.
В обоих случаях изоляция рассчитывается на линейное напряжение.
Сети напряжением 6 - 35 кВ считаются сетями с малыми токами замыкания на землю (до 500 А). Работают такие сети либо с изолированной, либо с компен-сированной нейтралью.
В сети с изолированной нейтралью при касании фазы землю напряжение этой фазы становится равным нулю, а на здоровых фазах возрастает до линейного значения (см. рис. 2.1 а). Поэтому изоляция должна быть рассчитана на линейное напряжение. Емкостный ток в поврежденной фазе равен нулю, а в неповреж-денных фазах увеличивается в раз (см. рис. 2.1 б). Суммарный емкостный ток, равный 3 I0, будет протекать через место замыкания фазы на землю и источник питания. Если величина этого тока в сети 6 – 10 кВ превышает 30 А, а в сети 35 кВ – 10 А, то в нейтраль трансформаторов необходимо включить дугогасительную катушку. Ее индуктивный ток складывается с емкостным током замыкания на землю, который может быть скомпенсирован частично или полностью.
Сети 6 – 35 кВ не требуют немедленного отключения и могут работать несколько часов. Но повреждение можно обнаружить только при поочередном отключении потребителей.
Сети напряжением 110 кВ и выше считаются сетями с большими токами замыкания на землю (свыше 500 А). Они не могут работать с изолированной нейтралью, так как изоляция в этом случае должна рассчитываться на линейное напряжение. А это дорого. Сети работают с заземленной нейтралью. При этом ток однофазного короткого замыкания может превышать ток трехфазного к.з. В этом случае коммутационная аппаратура должна выбираться по большему току, т.е.
| ICC |
| ICB |
| ICA |
| UФА |
| UФB |
| UФC |
| ICB
|
| ICC
|
| 3 ICA |
| UФА = 0 |
| UФB
|
| UФC
|
| IЗ |
| а) |
| б) |
| Рисунок 2.1 – Векторные диаграммы напряжений и токов: а) нормальный режим; б) замыкание фазы а на землю. |
однофазному.
В месте повреждения в таких сетях возникает электрическая дуга с большим током. Дуга гасится при отключении повреждения. Так как большинство к.з являются самоустраняющимися, то для проверки линия включается вновь под действием АПВ. Если к.з. самоустранилось, то ЛЕП остается в работе, если нет, то повреждение отключается вновь. В переходном режиме и при коммутациях в сети возникают внутренние перенапряжения. Величина перенапряжения влияет на выбор изоляции. Величину перенапряжения стараются ограничить. Для этого заземляют нейтрали оборудования. Но чем больше заземленных нейтралей, тем меньше величина перенапряжения, но тем больше величина тока однофазного к.з.
В сетях 110 кВ поступают следующим образом. Часть нейтралей разземляют, чтобы величина токов однофазного к.з. не превышала величину токов трехфазного кз. Заземляют нейтрали трансформаторов на электростанциях, узловых подстанциях и на тупиковых потребительских подстанциях. Напряжение на неповрежденных фазах по отношению к земле в установившемся режиме не должно быть больше 0,8 Uном (линейного). Такие сети называются сетями с эффективно-заземленной нейтралью.
В сетях 220 кВ и выше применяют глухое заземление нейтрали всех трансформаторов. В этом напряжение на неповрежденных фазах по отношению к земле в установившемся режиме не превышает фазное. Коммутационная аппаратура выбирается по большему току к.з.
Лекция № 3
Основные сведения о конструкциях линий электропередач
План.
6. Воздушные линии электропередач.
7. Кабельные линии электропередач.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 653; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!