3.3. Системы снабжения электрической энергией

3.3.1. Общие определения электрических цепей и параметров

Потребителям электрической энергии последняя поставляется в виде однофазного и/или трехфазного переменного синусоидального тока с промышленной частотой 50 Гц в широком диапазоне напряжений (от 127 В до 220 В). Переменный ток характеризуется амплитудой тока I_m или напряжения U_m, , периодом , частотой (линейной f =1/ или круговой =2f) и фазой  колебаний (рис. 3.8). Математически синусоидальные токи и напряжения описываются формулами

(3.12)

где _u и _i – начальные фазы напряжения и тока соответственно.

Углом сдвига фаз называется разность фаз двух синусоидальных величин, изменяющихся с одной и той же частотой. Угол сдвига фаз между напряжением и током

. (3.13)

Различают полную, активную и реактивную мощности. Полная мощность цепи переменного тока определяется как

S=UI (3.14)

и измеряется в вольт-амперах (ВА).

Активная мощность измеряется в ваттах (Вт) и равна величине

=UIcos, (3.15)

где R – активное сопротивление цепи (измеряется в омах).

Р и с. 3.8. Графики синусоидальных напряжения и тока

Реактивная мощность обусловливается наличием магнитных и электрических полей в индуктивностях и емкостях цепи и не имеет постоянной составляющей, измеряется в вольт-амперах реактивных (Вар). Определяется как

, (3.16)

где Х – реактивное сопротивление цепи, которое определяется характеристиками емкости и индуктивности. Если Х<0, то сопротивление носит емкостной характер, если Х>0 – индуктивный. При Х=0 происходит взаимная компенсация ёмкостной и индуктивной составляющих.

Полная активная и реактивная мощности связаны соотношением

. (3.17)

Коэффициент мощности, определяющий отсутствие или наличие реактивной составляющей мощности, равен

. (3.18)

Работа электрического тока за время Т определяется по формулам

. (3.19)

Если время Т измеряется в секундах, то работа А исчисляется в джоулях. Если время исчисляется в часах, а мощность в киловаттах, то принято измерять работу как израсходованную (потребленную) электрическую энергию в кВтчас. Таблицы пересчетов шкал энергии, работы и других физических единиц приведены в прил. 3.

Р и с. 3.9. Графики ЭДС трехфазной цепи

Трехфазной электрической цепью называется цепь переменного тока, в которой действуют три электродвижущие силы (э.д.с.) одинаковой амплитуды и частоты, смещенные друг относительно друга на углы 120º (рис. 3.9). Каждая из трех электрических цепей, входящих в систему, называется фазой. Трехфазная система обеспечивает наиболее выгодные условия передачи энергии по проводным линиям, позволяет строить простые конструктивно и с точки зрения эксплуатации силовые установки.

3.3.2. Структура системы централизованного энергоснабжения

Система централизованного электрического снабжения – часть энергосистемы, включающая генераторы, распределительные устройства, линии электропередачи (ЛЭП) и приёмники электроэнергии. Общая структура цепи централизованного энергоснабжения показана на рис. 3.10 [13-15, 65].

Электрическая сеть общего назначения – электрическая сеть энергоснабжающей организации, предназначенная для передачи электрической энергии различным потребителям электрической энергии. Линия электропередачи – электроустановка, состоящая из проводов и конструкций, предназначенная для передачи электроэнергии между двумя пунктами энергосистемы с возможным промежуточным отбором электроэнергии. Различают линии типа токопровода, шинопровода, воздушной линии (ВЛ) или кабельной линии (КЛ).

Центр питания – распределительное устройство генераторного напряжения электростанции или распределительное устройство вторичного напряжения понизительной подстанции энергосистемы, к которым присоединены распределительные сети данного района.

Точка общего присоединения – точка электрической сети общего назначения, электрически ближайшая к сетям рассматриваемого потребителя электрической энергии, к которым присоединены или могут быть присоединены электрические сети других потребителей.

При питании от локальных источников энергии часть звеньев, в первую очередь, связанных с ЛЭП и ГПП, исключается. Контроль и учет электроэнергии производится счетчиками электричества (W), измерителями активной (P) и реактивной (Q) мощности, анализаторами качества электричества (K), измерителями сопротивления изоляции (r_из), которые устанавливаются на узлах производителя, продавца и потребителя. Трансформаторная подстанция предназначена для повышения или понижения напряжений в электрической сети и для распределения электроэнергии; содержит силовые трансформаторы (см. прил. 2), устройства автоматического управления и защиты, распределительные устройства и др.

Повысительные трансформаторные подстанции обычно устанавливаются на электростанциях, понизительные – в местах потребления электроэнергии. С повышением напряжения уменьшаются электрические потери, поэтому напряжение генераторов электростанций повышают, особенно при передаче по протяжённым линям электропередачи (ЛЭП).

Р и с. 3.10. Трансформация напряжения в сети в процессе передачи электроэнергии от станции к потребителям

У потребителей это напряжение снижается с помощью понизительных трансформаторов на комплексных трансформаторных станциях и подстанциях (КТП). Основное предназначение КТП – подключение в сеть высокого напряжения 6 или 10 кВ (реже 15 и 35 кВ) силового трансформатора и обеспечение работы на стороне низкого напряжения нескольких линий напряжением 380 В трехфазной или 220 В однофазной сети промышленной частоты 50 Гц. Для электроснабжения потребителей применяют также напряжения переменного тока 127/660/1140 В и 6/10/35/110/150/220 кВ. Потери напряжения в цепи «трансформатор напряжения – электросчетчик» не должны превышать 0,25% номинального вторичного напряжения трансформатора напряжения.

На практике широкое распространение получили три схемы электроснабжения: радиальная, магистральная и смешанная (рис. 3.11). При радиальной системе (рис. 3.11, а) электроэнергия поступает по независимой питающей линии к каждому потребителю. Система целесообразна там, где имеются крупные сосредоточенные нагрузки. Она удобна в эксплуатации, поскольку повреждение или ремонт линии отражается на работе только одного потребителя. Магистральная система (рис. 3.11, б) предусматривает питание нескольких потребителей через одну или две параллельные линии с односторонним или двусторонним питанием. Эти схемы позволяют наиболее экономично использовать принцип дробления подстанций.

Смешанные схемы питания – радиально-магистральные (рис. 3.11, в) – получили распространение на крупных предприятиях, имеющих различные группы потребителей, различающихся мощностью и требованиями к надёжности.

а б в

Р и с. 3.11. Схемы электроснабжения: а – радиальная; б –магистральная; в – смешанная

Современные предприятия содержат сложный комплекс снабжения электричеством с различными номиналами напряжения. По этому признаку комплекс разделяется на внешнюю и внутреннюю системы. Система внешнего электроснабжения – комплекс сооружений, осуществляющих передачу энергии от районной подстанции до приёмной подстанции (ячейка на районной подстанции, ЛЭП, высокая сторона КТП). Система внутреннего электроснабжения – электрооборудование, подключаемое к приемной подстанции с понижающей стороны.