Тема 3.1 Источники, передача и распределение электрической энергии.

Электрическая энергия универсальна: она удобна для дальних передач, легко распределяется по отдельным потребителям и с помощью сравнительно несложных устройств преобразуется в дру­гие виды энергии.

Эти задачи решает энергетическая система, в которой осуще­ствляются преобразование энергии топлива или падающей воды в электрическую энергию, трансформация токов и напряжений, рас­пределение и передача электрической энергии потребителям.

Источниками электрической энергии служат тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС) и атомные (АЭС) электростанции, имею­щие общий режим производства энергии. Линии электропереда­чи, трансформаторные и распределительные устройства обеспе­чивают совместную работу электростанций и распределение энер­гии между потребителями.

Рис. 11.1. Общая схема электроснабжения

Рис. 11.2. Передвижная дизельная электростанция с синхронным генератором:

I - возбудитель постоянного тока; 2 - генератор; 3 - дизельный двигатель

Передача и распределение электроэнергии строится по ступен­чатому принципу (рис. 11.1). Для уменьшения потерь в линиях элек­тропередач (ЛЭГТ) напряжение повышают при помощи повыша­ющих (ГГТП-1) и понижающих (ГПП-2) трансформаторов, устанавливаемых на электрических подстанциях. От крупных подстан­ций электроэнергия подается непосредственно к объектам, на ко­торых на трансформаторных подстанциях (ТП) производится окон­чательное понижение напряжения. Распределение электроэнергии в электрических сетях производится, как правило, трехфазным пе­ременным током частотой 50 Гц.

В начальный период строительства в удаленных районах приме­няют в качестве временных источников.

Потребители электроэнергии. Приемником электроэнергии (электроприемником) является элек­трическая часть технологической установки или механизма, получаю­щая энергию из сети и расходующая ее на выполнение технологичес­ких процессов. Потребляя электроэнергию из сети, электроприемник, по существу, преобразует ее в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую или в электроэнергию с иными параметрами (по роду тока, напряжению, частоте). Некоторые технологические уста­новки имеют несколько электроприемников: станки, краны, и т.п.

Электроприемники классифицируются по следующим призна­кам: напряжению, роду силы тока, его частоте, единичной мощ­ности, степени надежности электроснабжения, режиму работы, технологическому назначению.

По напряжению электроприемники подразделяются на две груп­пы: до 1000 В и свыше 1000 В.

Породу силы тока электроприемники подразделяются: на при­емники переменного тока промышленной частоты (50 Гц), посто­янного тока и переменного тока частотой, отличной от 50 Гц (по­вышенной или пониженной).

Единичные мощности отдельных электроприемников и электро­потребителей различны - от десятых долей киловатта до несколь­ких десятков мегаватт.

По степени надежности электроснабжения правила устрой­ства электроустановок (ПУЭ) предусматривают три категории:

1 Электроприемники I категории - электроприемники, пере­рыв снабжения которых электроэнергией связан с опасностью для людей или влечет за собой большой материальный ущерб (домен­ные цехи, котельные производственного пара, подъемные и вен­тиляционные установки шахт, аварийное освещение и др.). Они должны работать непрерывно.

2 Электроприемники II категории - электроприемники, пере­рыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простою технологических механизмов, рабочих, про­мышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности городских и сельских жителей.

3 Электроприемники III категории - все остальные электро­приемники, не подходящие под определение I и II категорий. Элек­троприемники данной категории допускают перерыв электроснаб­жения не более одних суток.

Характеристики электроприемников. К общепромышленным ус­тановкам относятся вентиляторы, насосы, компрессоры, возду­ходувки и т. п. Данная группа электроприемников относится, как правило, к первой категории надежности. Некоторые вентиляци­онные и компрессорные станции относятся ко второй категории надежности.

Регулируемый электропривод технологических механизмов и двигатели станков с повышенной скоростью вращения получают питание от преобразовательных установок. Режимы их работы раз­личны и определяются режимом механизма.

Преобразователями тока служат двигатели-генераторы, ртутные и полупроводниковые выпрямители, питающиеся от трехфазных сетей переменного тока промышленной частоты на напряжениях до 110 кВ.

К электротехнологическим установкам относятся электронагре­вательные и электролизные установки, установки электрохими­ческой, электроискровой и ультразвуковой обработки металлов, электромагнитные установки (сепараторы, муфты), электросва­рочное оборудование.

Электронагревательные установки объединяют электрические печи и электротермические установки.

Электросварочное оборудование питается напряжением 380 или 220 В переменного тока промышленной частоты. Электросварочное оборудование работает в повторно-кратко­временном режиме. Сварочные установки по степени надежности относятся ко второй категории.

Мощность электроприводов подъемно-транспортных устройств определяется условиями производства, ее значение колеблется от нескольких до сотен киловатт. Электрические осветительные установки являются в основном однофазными приемниками. Электроосвети -тельные установки относятся ко второй катего­рии надежности.

Схемы электрических сетей. Схема силовой сети оп­ределяется технологическим процессом производства, категорией надежности электроснабжения, взаимным расположением ТП или ввода питания и электроприемников, их единичной установлен­ной мощностью и размещением. Схема должна быть проста, без­опасна и удобна в эксплуатации, экономична, должна удовлетво­рять характеристике окружающей среды, обеспечивать примене­ние индустриальных методов монтажа.

Схемы сетей могут быть радиальными, магистральными и сме­шанными — с односторонним или двусторонним питанием.

При радиальной схеме (рис. 11.3) энергия от отдельного узла пи­тания (ТП) поступает к одному достаточно мощному потребите­лю или к группе электроприемников.

Рис. 11.3. Радиальная схема питания:

1— распределительный щит; 2 — силовой распределительный пункт (РП);

3 — электроприемник; 4 — щит освещения; 5 — кабельная линия

Радиальные схемы применяют для питания сосредоточенных нагрузок большой мощности, при неравномерном размещении приемников, а также для питания приемников во взрывоопасных, пожароопасных и пыльных помещениях. Достоинства радиальных схем заключаются в высо­кой надежности (авария на одной линии не влияет на работу при­емников, получающих питание по другой линии) и удобстве ав­томатизации. Недостатками радиальных схем являются: малая эко­номичность из-за значительного расхода проводникового матери­ала.

При магистральных схемах приемники подключаются к любой точке линии (магистрали). Магистрали могут присоединяться к рас­пределительным щитам подстанции или к силовым РП (рис. 11.4):

Рис. 11.4. Магистральная схема с распределительным шинопроводом:

1- комплектная трансформаторная подстанция (КТП);

2 - распредели­тельный шинопровод; 3- нагрузка

Достоинствами магистральных схем являются: уп­рощение щитов подстанции; высокая гибкость сети, дающая воз­можность перемещать технологическое оборудование без переделки сети; использование уни­фицированных элементов, по­зволяющих вести монтаж ин­дустриальными методами.

Для повышения надежно­сти питания электроприемни­ков по магистральным схемам применяется двустороннее питание магистральной линии (рис. 11.5):

Рис. 11.5. Схема с двусторонним пита­нием магистралей

Схемы сетей электрического освещения. Система рабочего осве­щения создает нормальное освещение всего помещения и рабочих поверхностей. В такую систему входят светильники общего и мест­ного освещения.

Аварийное освещение обеспечивает освещенность для продолже­ния работы или останова технологического процесса и для эваку­ации людей при отключении рабочего освещения.

Групповые линии в зависимости от протяженности и нагрузки могут быть двух-, трех- и четырехпроводными. Групповые линии одного помещения должны получать пита­ние так, чтобы при погасании части ламп одних групп оставшиеся в работе группы обеспечивали минимальную освещенность до лик­видации аварии. Пример схемы питания осветительной сети при­веден на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Схема питания электроосвещения от двух ТП:

1— распределительный щит; 2 — линии, отходящие к силовым РП; 3,

4 — групповые щитки соответственно рабочего и аварийного освещения; 5,

б — групповая сеть соответственно рабочего и аварийного освещения;

7— питающие линии освещения

Расчет электрических нагрузок. Основой рационального решения комплекса технико-экономи­ческих вопросов электроснабжения является правильное опреде­ление ожидаемых электрических нагрузок. От этого зависят капи­тальные затраты в схеме электроснабжения, расход цветного ме­талла, потери электроэнергии и эксплуатационные расходы.

Исходными данными для расчета электрических нагрузок явля­ются установленная мощность электроприемников и характер из­менения нагрузки. Под установленной мощностью (Ру) групп по­требителей понимают суммарную паспортную мощность всех элек­троприемников. Например, установленная мощность башенного крана равна сумме номинальных мощностей всех его электродви­гателей.

В результате расчета определяется максимальная (расчетная) нагрузка, которая служит основой для выбора сечения токоведущих частей, потерь мощности и напряжения в сетях, выбора мощ­ности трансформаторов и компенсирующих устройств.

Для каждой группы электроприемников существует некоторое определенное соотношение между величинами расчетной (Рр) и установленной мощности. Это соотношение называется коэффи­циентом спроса:

(11.1)

Зная установленную мощность и коэффициент спроса данной группы потребителей, можно определить расчетную мощность:

(11.2)

Расчетную реактивную мощность (Qp) определяют по формуле:

(11.3)

где tg φ находят для угла φ, косинус которого определяют из паспортных данных установки.

Полная расчетная мощность силовой нагрузки определяется как:

(11.4)

К расчетной силовой нагрузке необходимо прибавить мощность на освещение. Расчеты удобно вести в табличной форме (таб. 11.1):

Таблица 11.1

Для снижения потерь электроэнергии надо использовать более высокие напряжения, стремиться к сокраще­нию протяженности сетей до 1000 В, применять меры по повыше­нию коэффициента мощности.

На значении коэффициента мощности электроустановки отри­цательно сказывается наличие малозагруженных электродвигате­лей и трансформаторов. Поэтому в первую очередь проводятся ме­роприятия организационного порядка, направленные на то, что­бы естественный коэффициент мощности достиг максимального значения. Если этих мер недостаточно, то применяют батареи кон­денсаторов, синхронные двигатели.

Методика расчет величины и места расположения конденсато­ров сложна, но в приближенных расчетах значение емкости (квар) определяют по формуле

(11.6)

где Qc – емкость конденсаторной батареи; Pp – расчетная активная мощность нагрузки, кВАр;

tg φр – расчетный тангенс.

По каталожным данным выбирают ближайший стандартный конденсатор. Устанавливают батареи конденсаторов или на под­станции, или непосредственно у потребителя.

Трансформаторные подстанции. Трансформаторные подстанции служат для приема электроэнер­гии, преобразования напряжения и распределения электрической энергии на объекте. По назначению различают следующие виды трансформаторных подстанций:

главные (повышающие и понижающие) подстанции, предназна­ченные для повышения напряжения линии электропередач при больших расстояниях;

распределительные, или просто трансформаторные подстанции (ТП), в которых электроэнергия, поступающая от ГПП, транс­формируется с высшего напряжения 35 ...6 кВ на низшее 660/380 или 380/220 В, на которое и рассчитано большинство потребите­лей.

Оборудование ТП состоит из трансформаторов, аппаратов ком­мутации и защиты, устройств управления, контроля и учета элект­роэнергии. Схема ТП типа строительной комплектной трансформа­торной подстанции с одним трансформатором показана на рис. 11.7:

Рис. 11.7. Мачтовая открытая подстанция (а) и схема ТП с одним транс­форматором (б):

1 - трансформатор; 2 - разъединитель; 3 - предохранитель;

4 - распреде­лительный шкаф; 5 - разрядник

По конструктивному выполнению различают открытые, закрытые, передвиж­ные подстанции.

К открытым, оборудование которых устанавливается на откры­том воздухе, относятся мачтовые подстанции с трансформатора­ми, установленными на деревянных или железобетонных опорах. На рис. 11.7 изображена подстанция с одним трансформатором, присоединенным к ЛЭП.

Закрытые ТП (рис. 11.8) располагаются в помещениях К закрытым транс­форматорным подстанциям относятся также комплектные под­станции КТП или СКТП (строительные комплектные трансфор­маторные подстанции). Электрооборудование КТП размещается в металлическом корпусе.

Рис. 11.8. Закрытая трансформаторная подстанция: 1 — трансформатор;

2 — контакт замыкающий; 3 — предохранитель

Передвижные подстанции (рис. 11.9), которые также могут быть комплектными, монтируются на авто- или железнодорожной плат­форме.

Рис.11.9. Передвижная комплектная трансформаторная подстанция

Технические характеристики силовых трансформаторов. Основ­ным конструктивным типом силового трансформатора напряже­нием до 10 кВ является трехфазный трансформатор с естествен­ным масляным охлаждением. Используются и сухие силовые транс­форматоры (т. е. с воздушным охлаждением). Они безопасны в от­ношении пожара и поэтому ими комплектуются ТП в зданиях с повышенными требованиями пожарной безопасности. Промышленность выпускает трехфазные силовые трансформа­торы по определенной шкале мощностей: 10; 16; 25; 40; 63; 100; 250; 400; 630; 1000; 1600 кВА.

Определение типа и мощности силового трансформатора. Выбор типа, мощности ТП, ее расположение обуславливается величиной, характером электрических нагрузок и их пространственным расположением.

Расчет ведется в такой последовательности:

определяется местоположение ТП с учетом положения опасных зон, расположения подъездных путей и дорог. Трансформаторные подстанции желательно располагать ближе к мощным потребителям;

при определении мощности трансформатора необходимо одно­временно решать вопрос о компенсации реактивной мощности. При компенсации на стороне 0,4 кВ получается расчетная мощность трансформатора:

(11.7)

где Рр - расчетная активная мощность нагрузки, кВт; Qр - рас­четная реактивная мощность нагрузки, квар; QЭ - реактивная мощ­ность энергосистемы (как правило, QЭ = 0,33 Рр); В - коэффици­ент загрузки трансформатора (для однотрансформаторной подстан­ции В = 0,95... 1,0).

Из справочных данных выбирают ближайший трансформатор равной или большей мощности.

Электрические станции.

Электрическая энергия вырабатывается на электростан­циях. Различные виды природной энергии (топливо, атом­ная, падающей воды, ветра, морских приливов и отливов и т. д.) преобразуются на этих станциях в электрическую. Для работы электрических генераторов используют паро­вые поршневые машины и турбины, двигатели внутреннего сгорания, газовые и гидравлические турбины, ветряные двигатели и др. В зависимости от вида энергии, потребляе­мой первичными двигателями, электростанции бывают тепловыеу включая и атомные, гидравлические, ветряные. Некоторое значение для горных и южных районов имеют гелиостанции (солнечные установки). Однако мощность их пока незначительна, поэтому они имеют лишь местное зна­чение и ограниченное применение.

Городские станции обеспечивают потребителей не только электроэнергией, но и теплотой и называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Постепенное сокращение топливных ресурсов требуют поисков новых способов получения электроэнергии. Одним из наиболее перспективных является получение электроэнер­гии с помощью термоядерного синтеза. В этом направлении ведутся исследовательские работы во всем мире.

Следует отметить, что к.п.д. даже крупных тепловых электростанций не превышает 40-42%. Эффективным способом повышения к.п.д. тепловых электростанций является применение так называемых магнитогидродинамически х генераторов (МГД- генераторов).

Понятие об электрических системах. Передачу электрической энергии на большие расстоя­ния выгодно осуществлять при высоких напряжениях. Поэтому при электростанциях сооружаются трансформа­торные подстанции, на которых напряжение генераторов повышается до 35, 110, 220 кВ и более. При очень больших расстояниях, порядка не­скольких тысяч километров, передача энергии может осу­ществляться на постоянном токе высокого напряжения, что позволяет уменьшить потери энергии в линиях электро­передачи (ЛЭП). В ме­стах потребления постоянный ток вновь преобразуется в переменный на специальных преобразовательных подстан­циях. От сборных шин распределительного устройства под­станции (РУ) по линиям электропередачи энергия переда­ется на районные понизительные подстанции с вторичным номинальным напряжением 6-10 кВ. От районных пони­зительных подстанций электрическая энергия передается обычно по кабельным линиям на городские распредели­тельные пункты (РП), от которых распределяется между по­низительными подстанциями, расположенными вблизи по­требителей непосредственно в микрорайонах и жилых кварталах.

Совокупность электрических станций, линий электропередачи, подстанций, тепловых сетей, свя­занных в одно целое общностью режима, непрерывностью процессов производства и распределения электрической и тепловой энергии, называется энергосистемой.

В России имеется ряд крупных энергосистем, объединяю­щих большое количество электрических станций. Часть энергетической системы, состоящая из генера­торов, распределительных устройств, повысительных и понизительных подстанций, линий электрических сетей и электроприемников, называется электрической системой.

На рис. 11.10 приведена примерная схема электроснабже­ния крупного города:

Длительно допустимая расчетная токовая нагрузка для заданных условий

Iд ³ Imax /(ККп), (11.8)

где Imax — расчетная длительная максимальная токовая нагрузка элемента сети, А,

определяемая по формулам:

а) для трехфазной четырехпроводной и трехпроводной сетей

(11.9)

б) для двухфазной сети с нулевым проводом

, (11.10)

в) для однофазной сети

(11.11)

где Рmах — расчетная максимальная нагрузка, кВт; Uном — номинальное линейное

напряжение, В; UФ — номинальное фазное напряжение, В.

Для сетей, питающих люминесцентные лампы, при оп­ределении расчетного тока Imах следует вводить повышаю­щий коэффициент, учитывающий потери мощности в пуско­регулирующих аппаратах (ПРА), равный 1,25.