Схемы электрических
сетей.
2.1.
Назначение
системообразующих сетей.
Системообразующая
сеть, являющаяся основной сетью энергосистем, предназначена для передачи
больших потоков мощности (от сотен МВт до нескольких ГВт) отдаленным
потребителям (расстояние до 1000 км и более) и выполняется в основном
магистральными линиями электропередачи на переменном токе. Межсистемные линии
электропередачи сооружают обычно на напряжение более высокое, чем напряжение
внутрисистемных линий соединяемых систем, и включают трансформаторные
подстанции по концам. Межсистемные передачи ЭЭ переменным током осуществляются
преимущественно на напряжении 500 и 750 кВ. Напряжения 500 кВ используются для
системообразующих сетей в энергосистемах со шкалой номинальных напряжений сетей
110-220-500-1150 кВ и напряжение 750 кВ в ОЭС со шкалой 150-330-750 кВ, в
которой в качестве следующей ступени возможно напряжение 1800 кВ.
Сети
этих напряжений служат для выдачи мощности крупных электростанций, создания
межсистемных связей и питания нагрузочных узлов 500/220, 500/110, 330/110(150)
кВ и узлов внутрисистемных связей 1150/500, 750/330 кВ. Линии электропередачи
330 кВ, а в некоторых ЭЭС линии 220 кВ, используются для внутрисистемных
связей: выдачи мощности и связи крупных электростанций, для питания и
объединения центров электроснабжения 330/110(150), 220/110 систем распределения
электроэнергии. В мощных концентрированных ЭЭС с развитой сетью 500 кВ сети 220
кВ выполняют, как правило, распределительные функции.
2.2.
Назначение
распределительных сетей.
Назначение
распределительных сетей – доставка электроэнергии непосредственно потребителям
напряжением 6–10 кВ, распределение электроэнергии между подстанциями
6–110/0,38–35 кВ района электропотребления, сбор мощности, производимой
небольшими станциями (теплофикационными и гидравлическими), мощности которых
составляют десятки, иногда сотни мегаватт.
Итак, систему распределения ЭЭ составляют сети
напряжением 6–150 (220) кВ, включающие две-три ступени (уровня) напряжения с
трансформациями 110 (150)/35/6–10 кВ или 220/35/6–10 кВ. Уровень среднего
напряжения (СН) соответствует напряжениям сетей 110–150 (220) кВ, питающимся от
сетей высшего напряжения (ВН) 330–750 кВ системы передачи ЭЭ через
трансформацию ВН/СН. Уровень низшего напряжения представлен сетями напряжением
6–35 кВ, питающимся от сетей СН с трансформацией СН/НН 110–150 (220)/6–35 кВ
или напрямую от сетей ВН с трансформацией ВН/НН с напряжениями 220–330/6–35 кВ.
Низковольтные сети 0,22–0,66 кВ также относятся к низшему уровню, образующемуся
в результате дополнительной трансформации 6–35/0,22–0,66.
Структура
сети определяется их назначением. В частности, сети СН 110–220 кВ, выполняемые,
за редким исключением, воздушными линиями, соединены автотрансформаторной
связью, содержат крупные подстанции районного значения и могут объединять
электростанции небольшой мощности. Сети НН 0,38–35 кВ, рассчитанные на
распределение и доставку ЭЭ значительно меньших мощностей, в определённой мере
отражают отраслевую принадлежность и могут быть выполнены как воздушными, так и
кабельными. Так, сети 35 кВ внешнего электроснабжения промышленных предприятий
и городов, сельской электрификации 0,38–35 кВ выполняются воздушными линиями;
городские сети 0,38–10 кВ, сети внутреннего электроснабжения промышленных предприятий
преимущественно кабельные.
Во
многом режимная специфика распределительных сетей определяется их
конфигурацией. Конфигурация схемы сети зависит от взаимного расположения
центров питания, приёмных подстанций и от требований обеспечения надёжности
(резервирования) электроснабжения.
Распределительные
сети могут выполняться разомкнутыми и замкнутыми. При разомкнутой конфигурации
– в виде радиальной и магистральной схем с одним центром питания (ЦП) (рис.2.1,
рис.2.2).
При
магистральной конфигурации сети затрачивается меньше проводников и
коммутационной аппаратуры, чем при радиальном её исполнении. Кроме того, по
причине меньшей суммарной протяжённости ВЛ уменьшается расход опор, изоляторов,
линейной арматуры и др. Поэтому магистральные сети дешевле радиальных. Однако
они менее надёжны, потому что отключение головного участка выводит из работы
все электроприёмники, получающие питание по данной магистрали. Вместе с тем
магистральные сети, выполненные шинопроводами, обеспечивают высокую надёжность.
Распределительные
сети СН 110–220 кВ снабжают электроэнергией большие районы электропотребления,
поэтому выполняются преимущественно резервированными, например, в виде
радиально – магистральных схем с одним центром питания. Причём нерезервированные разомкнутые схемы
следует рассматривать как первую очередь сооружения (развития) резервированной
сети – при возможности их резервирования по сети СН или НН. Двойная радиально-магистральная
сеть за счёт дублирования линии (на одних или разных опорах) (рис.2.3)
обеспечивает резервирование питания потребителей. Эта схема характеризуется
равномерной загрузкой обеих линий, что соответствует минимуму потерь, не
вызывает увеличения токов короткого замыкания в смежных участках сети,
позволяет осуществлять чёткое ведение режима работы.
Преимуществами
разомкнутых сетей является простая конфигурация схемы, низкая стоимость,
минимальные затраты проводникового металла и оборудования. Отсутствие перегрузок
в аварийных режимах позволяет вести расчёт и выбирать сечения проводов только
по нормальному режиму работы.
Две
радиальные нерезервированные сети, питающиеся от одного центра, при развитии за
счёт подключения новых участков, удлиняющих магистрали (показано пунктиром),
могут быть преобразованы в замкнутую сеть кольцевой конфигурации (петлевая
схема) (рис.2.4), или в сеть с двумя источниками питания, что позволяет
резервировать питание потребителей (рис.2.5).
|
Рис.2.3. Радиально-магистральная резервированная конфигурация схемы сети. |
Рис.2.4. Замкнутая кольцевая
конфигурация сети с одним центром питания. |
Рис.2.5. Конфигурация сети с двусторонним питанием: а –
одинарная; б - двойная
Достоинством
радиально-магистральной и кольцевой схем является независимость потокораспределения
от потоков сети ВН, отсутствие влияния токов коротких замыканий в прилегающих
сетях, возможность присоединения подстанций по простейшим схемам.
Широкое
применение находят замкнутая одинарная или двойная сеть, опирающаяся на два ЦП
(сеть с двусторонним питанием), что позволяет охватить значительную территорию
между двумя источниками. Одинарная сеть от двух ЦП может быть образована в
результате развития (показано пунктиром) магистральных участков, подключенных к
разным источникам. Данная конфигурация применяется в сетях 110 кВ для
электрификации сельской местности, а также в распределительных сетях 220 кВ,
обеспечивая с наименьшими затратами максимальный охват территории. Возможности
данной конфигурации ограничиваются пропускной способностью головных участков,
т. е. при отключении одного из них необходимо обеспечить электроснабжение всех
подстанций сети; в зависимости от мощности трансформаторов ограничено
количество подстанций. Двойная конфигурация
обладает большей пропускной способностью, применяется в сетях 110 кВ
систем электроснабжения городов, а также в сетях 110–220 кВ для
электроснабжения протяжённых потребителей – электрифицируемых железных дорог и
трубопроводов.
Рис.2.6. Сложно-замкнутая конфигурация сети.
Присоединение
новых подстанций в ближайших пунктах с целью снижения суммарной длины линии по
сравнению с присоединением по кратчайшему к источнику пути приводит к созданию
сложно-замкнутых (многоконтурных) конфигураций (2.6), обладающих высокой
надёжностью электроснабжения. Расчёт, анализ режимов, защита замкнутых сетей,
управление ими – задачи более сложные, чем для разомкнутых сетей.
Сложно-замкнутые сети дороже радиально-магистральных; их использование выгодно
только при большой стоимости перерывов электроснабжения, например, в системах
электроснабжения больших городов.
Распределительные
сети НН 0,38–35 кВ выполняют преимущественно разомкнутыми радиальной и
магистральной конфигурации, получающими питание от одного или двух центров. В отдельных случаях эти
сети сооружаются как замкнутые, но эксплуатируемые в разомкнутом режиме
(например, в городских сетях).
Рис.2.7. Сложно-замкнутая конфигурация сети двух номинальных
напряжений.
Главная
особенность распределительных сетей НН – их массовость. Количество
трансформаторных пунктов, участков сетей достигает в пределах сетевого
предприятия несколько сотен. Поэтому в этих сетях для изменения, улучшения
режима напряжения используют простые недорогие устройства: трансформаторы без
автоматического регулирования и преимущественно нерегулируемые конденсаторные
батареи.
Распределительные
сети НН и особенно сети 0,38–10 кВ сильно разветвлённые, характеризуются
большой суммарной протяжённостью.
Схемное
построение и функционирование распределительных сетей определяется требуемой
надёжностью электроснабжения, отраслевой принадлежностью, характером
потребителей.
Электрические
сети переменного тока – трехфазные. Будем рассматривать симметричную сеть при
симметричных и синусоидальных токах и напряжениях. При этом можно рассматривать
схему замещения и параметры режима только одной фазы [2].
Рис. 2.8. а,б – трехфазная и однофазная схемы
замещения; в,г – векторные диаграммы токов, мощностей и
напряжений активно-индуктивного и активно-емкостного элементов сети.
На рисунке 2.8. (а) приведена трехфазная схема замещения линии и приемника,
соединенного в звезду, а на рис.2.8. (б)
– схема замещения одной фазы. На рис.2.8. (а,б) ZH
– комплексное сопротивление одной фазы нагрузки. Из линии с
сопротивлением Zл к узлу нагрузки
течет узловой ток I, равный фазному току приемника, соединенного
звездой. Комплексное
фазное напряжение узла обозначим Uф, а междуфазное (линейное) U-, причем 
. Напомним, что номинальные напряжения
электрических сетей – это междуфазные напряжения.
Междуфазные
напряжения узла
где U’ - активная составляющая напряжения; U” - реактивная составляющая напряжения.
Ток
линии (или узла)
Где
I’ - активная
составляющая тока; I” - реактивная составляющая тока.
Полная
мощность одной фазы
где
I* - сопряженный комплекс тока.
С
учетом (2.3) полная мощность трех фаз
где
P и Q - активная и
реактивная мощности трех фаз. Из (2.4) следует, что
где
j - угол между комплексами тока и напряжения (рис.2.8). Ток в узле определяется из (2.4):
Из
(2.7) квадрат модуля тока можно выразить так:
Соответственно
потери полной мощности в сопротивлении линии 
равны
Индуктивный
ток отстает от напряжения (рис.2.8.в), его реактивная составляющая имеет
знак минус. Емкостный ток опережает напряжение, его реактивная составляющая
берется со знаком плюс (рис.2.8.г)
Сопротивление
элемента сети будем обозначать так:
где r
– активная составляющая; х – реактивная составляющая.
Проводимость
элемента
где g
– активная составляющая проводимости; b – реактивная составляющая проводимости.
В
выражениях (2.10) и (2.11) - х, b применяются со
знаком плюс для индуктивных элементов, со знаком минус – для емкостных.
1. Какие линии составляют
системы передачи и распределения ЭЭ?
2. Для чего необходимы
автоматические устройства на всех объектах систем передачи и распределения ЭЭ?
3. В чем условность разделения
систем передачи и распределения ЭЭ по номинальному напряжению?
4. Какие возможны этапы
развития системы передачи ЭЭ?
5. В чем преимущества и
недостатки сложнозамкнутых систем передачи ЭЭ?
6. Какие сети составляют
систему распределения ЭЭ?
7. Каково назначение и какими
свойствами обладает система распределения ЭЭ?
8. По каким признакам классифицируются
распределительные сети? Чем определяется их схемное построение?
9. В чем преимущества и
недостатки радиальных и магистральных схем?
10.
Как формируются замкнутые сети? Каковы их виды?
11.
В каких случаях экономически целесообразно применение
сложно-замкнутых сетей?
12.
Какие особенности распределительных сетей?
13.
Что такое номинальное напряжение?
14.
Каков номинальный ряд напряжений электрических сетей?
15.
Какова классификация электрических сетей по напряжению,
охвату территории, назначению?
16.
Приведите трехфазную и однофазную схему замещения сети.
17.
Как записываются в комплексном виде параметры схемы
замещения?