Технологические особенности энергосистем

Основными особенностями энергосистем являются следующие.

Электроэнергия практически не аккумулируется. Производство, преобразование, рас­пределение и потребление происходят одновременно и практически мгновенно. Поэтому все элементы энергосистемы взаимосвязаны единством режима. В энергосистеме в каждый мо­мент времени установившегося режима сохраняется баланс по активной и реактивной мощ­ностям. Невозможно произвести электроэнергию не имея потребителя: сколько выработано электроэнергии в данный момент, столько ее и отдано потребителю за вычетом потерь. Ре­монты, аварии и т.д. приводят к снижению количества электроэнергии, выдаваемой потребителю (при отсутствии резерва), и, как следствие, к недоиспользованию установленного оборудования энергосистемы.

Относительная быстрота протекания процессов (переходных): волновые процессы – (10^-3 – 10^-6) с, отключения и включения – 10^-1 с, короткие замыкания – (10^-1 – 1) с, ка­чания – (1 – 10) с. Высокие скорости протекания переходных процессов в энергосистемах обусловливают необходимость использования автоматики в широких пределах вплоть до полной автоматизации процесса производства и потребления электроэнергии и исключение возможности вмешательства персонала.

Энергосистема связана со всеми отраслями промышленности и транспорта, характери­зующимися большим разнообразием приемников электроэнергии.

Потребление электрической энергии подвержено множеству случайных и неопределенных факторов. Погрешности предвидения потребления электроэнергии с заблаговременностью в несколько минут составляют примерно 2 %, а с годовой заблаговременностью до 10 %.

Сначала потребитель-покупатель использует товар (электрическую энергию), а затем оплачивает его.

Работа электростанций в системе дает возможность за счет большого количества параллельно работающих генераторов повысить надежность электроснабжения потребителей, полностью загрузить экономичные агрегаты электростанций, снизить стоимость выработки электроэнергии. Кроме того, в энергосистеме снижается установленная мощность резервного оборудования; обеспечивается более высокое качество электроэнергии, отпускаемой потребителям.

Развитие энергетики должно опережать рост потребления электроэнергии, иначе невозможно создание резервов мощности. Энергетика должна развиваться равномерно, без диспропорций отдельных элементов.

 

 

Преимущества объединения электростанций в энергосистему

При объединении электростанций в энергосистему достигается:

- увеличивается использования установленной мощностей каждой электростанции;

- снижение суммарного резерва мощности;

- уменьшение суммарного максимума нагрузки;

- взаимопомощь в случае неодинаковых сезонных изменений мощностей электростанций;

- взаимопомощь в случае неодинаковых сезонных изменений нагрузок потребителей;

- взаимопомощь при ремонтах;

- повышение надежности электроснабжения потребителей;

- режимы мощностей, электроэнергии, частоты, напряжения меняются в лучшую сторону;

- возможность увеличения единичной мощности агрегатов и электростанций;

- возможность единого центра управления.

Особо необходимо отметить, что при объединении улучшаются технико-экономические показатели электростанций и снижаются их издержки, а это очень важно для ценовой стратегии.

Недостатками крупных объединений является сложность управления такими объектами. Нужны комплексы средств и систем управления, которые позволили бы управлять системой как единым целым.

Уникальным примером преимуществ объединения станций в систему являлась единая энергосистема СССР, включавшая 11 объединенных энергосистем. Мощное территориальное объединение обеспечило большие преимущества при функционировании энергосистемы, но особенно при ее развитии. Мощности ЕЭС СССР наращивались в основном за счет крупных электростанций с уникальными параметрами. (Мощности энергоблоков КЭС достигла 800 МВт, мощность ядерных реакторов – 1000 МВт, мощности ТЭС на органическом топливе увеличились до 6400 МВт, мощности АЭС – до 6000 – 7000 МВт, мощности ГЭС до 4000 – 6000 МВт). Без ЕЭС не могло бы быть и речи о создании таких крупных электростанций, Волжско-Камского и Ангаро-Енисейского каскадов ГЭС, не было бы ВЛ напряжением 500 кВ и выше.

В связи с тем, что территория СССР включала шесть часовых поясов (отметим, что ЕЭС на востоке простиралась только до Забайкалья) при объединении ярко проявился широтный эффект. За счет широтного эффекта совмещенный максимум нагрузки снизился на 8 – 10 млн. кВт, что составило 5 – 8 % установленной мощности. Повысилась надежность и это привело к снижению резерва еще на 4 – 5 млн. кВт. В сумме установленные мощности станций ЕЭС снизилась на 10 – 12 %. Этим перечислением не исчерпываются все преимущества создания ЕЭС. По оценкам суммарная экономия затрат к 1980 г. составляла 2 млрд. руб., а ежегодные эксплуатационные издержки снизились на 700 млн. руб. Этих средств было достаточно для строительства 2 – 3 электростанций.

Приведенный пример показывает, что работа электростанций в объединении всегда выгоднее, чем изолированная. Выигрывают экономика и энергетика страны, энергетика отдельных регионов, потребители, население.

Электрические сети

Важнейшими элементами энергетических и электрических систем, объединяющих ряд электростанций для лучшего использования их мощности, являются передающие электрические сети, распределительные устройства и подстанции (рисунок 1.1).

Электрическая сеть – совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории. (ПУЭ, п. 1.2.6)

Более широким понятием, чем электрическая сеть, является понятие система электроснабжения (рисунок 1.1). Она объединяет в себе все электроустановки, предназначенные для обеспечения потребителей электрической энергией.

Одним из основных передающих элементов электрических сетей и СЭС являются линии электропередачи.

Линия электропередачи (ЛЭП) – это электроустановка, предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние с возможным промежуточным отбором.

Линии выполняются воздушными, кабельными, а также в виде токопроводов (на промышленных предприятиях и электростанциях) и внутренних проводок (в зданиях и сооружениях).

Основными параметрами ВЛ являются: пропускная способность, номинальное напряжение, число цепей, сечение проводов в фазах, конструктивное исполнение. Выбор этих параметров является сложной технико-экономической задачей.

Кабельные линии (КЛ) по сравнению с воздушными линиями (ВЛ) имеют следующие преимущества: более длительный срок службы; отсутствие потребности в материале для опор; бόльшую надежность эксплуатации из-за отсутствия внешних атмосферных воздействий (ветер, гололед, атмосферные перенапряжения); отсутствие опор и проводов, загромождающих пространство, значительное снижение опасности для людей и животных в случае аварий.

Электрические сети выполняют по радиальным, магистральным или смешанным схемам. Схемы строятся по ступенчатому принципу. Число ступеней определяется потребляемой мощностью и размещением электрических нагрузок. Электрические сети подразделяют на распределительные, питающие (районные) и системообразующие.

К системообразующим относят электрические сети, которые объединяют электрические станции и крупные узлы нагрузки. Они предназначены для передачи больших потоков мощности и выполняют функции формирования энергосистемы как единого объекта. Системообразующие сети выполняют на напряжения 500 – 1150 кВ, обеспечивая тем самым их большую пропускную способность.

Питающие сети предназначены для передачи электроэнергии от подстанций системообразующей сети до распределительных узлов района (центров питания городов, промышленных предприятий, сельскохозяйственных объектов). Их выполняют на напряжения 35 – 330 кВ.

Назначение распределительных сетей – передача электроэнергии к потребителям. Напряжение распределительных сетей может быть 6 – 110 кВ, а также до 1 кВ.

Протяженность высоковольтных ЛЭП напряжением 220 кВ и выше по России по данным 2000 год составляет 153,4 тыс. км. В целом протяженность ЛЭП всех классов напряжений на 2000 год составляла 2647,8 тыс. км.

Возможные варианты конфигураций и схем электрических сетей зависят от многих факторов: географических условий территории, мест расположения источников энергии и предполагаемых потребителей и др. Поэтому число вариантов развития сети может быть очень большим и для отбора наиболее экономичного предполагаются специальные оптимизационные модели. Однако из-за их несовершенства технико-экономическую оценку вариантов осуществляют с использованием оценочных моделей.

Распределительное устройство (РУ) – это электроустановка, служащая для приема и распределения электроэнергии и содержащая коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, вспомогательные устройства (компрессорные, аккумуляторные и др.), а также устройства защиты, автоматики и измерительные приборы. (ПУЭ, п. 4.2.2)

РУ бывают открытыми или закрытыми. РУ, всё или основное оборудование которого расположено на открытом воздухе, называют открытым (ОРУ), а оборудование которого расположено в здании – закрытым (ЗРУ).

ЗРУ выполняют для напряжений 3 – 10 кВ, а при необходимости защиты оборудования от повышенной загрязненности атмосферы или при особо тяжелых климатических условиях – и для напряжений 35 – 220 кВ. ОРУ выполняют на напряжения 35 кВ и выше.

Достоинством ОРУ являются меньшие по сравнению с ЗРУ объем строительных работ, их стоимость и время выполнения, а их недостатками – неудобство обслуживания при низких температурах и в плохую погоду, большая занимаемая площадь.

Комплектным распределительным устройством называется РУ, состоящее из полностью или частично закрытых шкафов или блоков со встроенными в них аппаратами, устройствами защиты и автоматики, поставляемое в собранном или полностью подготовленном для сборки виде. (ПУЭ, п. 4.2.3)

Широко применяют комплектные РУ для внутренней (КРУ) и наружной (КРУН) установки.

 

Напряжение питания потребителей осуществляется, как правило, на более низких классах напряжения, чем используются в ЛЭП. Т.о., возникает необходимость строительства трансформаторных подстанций, предназначенных для преобразования высоких уровней напряжения в необходимые для питания потребителей.

Подстанция – это электроустановка, служащая для приема, преобразования и распределения электроэнергии и состоящая из трансформаторов (трансформаторная подстанция) или других преобразователей энергии (преобразовательная подстанция), распределительных устройств, устройств управления и вспомогательных сооружений. (ПУЭ, п. 4.2.4)

Также как и РУ, подстанции могут быть комплектными.

Комплектной трансформаторной (преобразовательной) подстанцией (КТП, КПП) называется подстанция, состоящая из трансформаторов (преобразователей) и блоков (КРУ или КРУН и других элементов), поставляемых в собранном или полностью подготовленном для сборки виде. (ПУЭ, п. 4.2.8)

Распределительным пунктом называется устройство, предназначенное для приема и распределения электроэнергии на одном напряжении без преобразования и трансформации, не входящее в состав подстанции. (ПУЭ, п. 4.2.10)

Трансформаторные подстанции являются основным звеном системы электроснабжения. В зависимости от положения в энергосистеме, назначения, величины первичного и вторичного напряжения их можно подразделить на районные подстанции, подстанции промышленных предприятий, тяговые подстанции и др.

Районными называются подстанции, питающиеся от районных (основных) сетей энергетической системы. Они предназначены для электроснабжения больших районов, в которых находятся промышленные, городские, сельскохозяйственные и другие потребители электроэнергии. Первичные напряжения районных подстанций составляют 750, 500, 330, 220, 150 и 110, а вторичные – 220, 150, 110, 35, 20, 10 или 6 кВ.

Разновидностью районных подстанций энергосистем являются узловые распределительные подстанции (УРП), на которых основная мощность при подводимом напряжении 110 – 500 кВ распределяется без трансформации или с частичной трансформацией по линиям глубоких вводов для питания отдельных объектов большой мощности предприятий.

Основные типы трансформаторных подстанций промышленных предприятий:

1. Заводские подстанции, которые делятся на:

а) главные понизительные подстанции (ГПП) предназначены для приема электроэнергии от энергетических систем напряжением 35 – 220 кВ и преобразования ее в напряжение заводской сети 6-10 кВ для питания цеховых и межцеховых подстанций. Главным отличием ГПП от УРП является то, что подводимая энергия трансформируется, а также меньшая мощность, чем УРП;

б) подстанции глубоких вводов (ПГВ) – подстанции предназначенные для питания отдельного объекта или района. Получают электроэнергию или от энергосистемы или от УРП данного предприятия. Обычно выполняются по упрощенным схемам коммутации на первичном напряжении110 – 220 кВ.

в) распределительные пункты (РП), получающие питание в основном от ГПП.

2. Цеховые трансформаторные подстанции (ТП) малой и средней мощности, предназначенные для питания одного или нескольких цехов. Трансформируют электроэнергию с напряжения 6 – 10 кВ на вторичное напряжение 220 – 660 В. Выполняются:

а) отдельно стоящими ТП с закрытыми РУ с установкой на них соответствующего высоковольтного оборудования и трансформаторов;

б) встроенными и пристроенными с установкой на них трансформаторов в закрытых камерах и распределительных щитов на напряжение 0,23 – 0,4 кВ;

в) внутрицеховыми – как комплектные трансформаторные, выпрямительные и печные подстанции.