0. Транспортирование электрической энергии

Передача электроэнергии от предприятий, вырабатывающих электроэнергию, непо- средственным потребителям осуществляется с помощь электрических сетей, представляю- щих собой совокупность подстанций (повысительных и понизительных), распределительных устройств и соединяющих их электрических линий (воздушных или кабельных), размещенных на территории района, населенного пункта, потребителя электрической энергии.

К основному оборудованию, производящему и распределяющему электроэнергию, от- носятся:

– синхронные генераторы, вырабатывающие электроэнергию (на ТЭС – турбогенерато-

ры);

• сборные шины, принимающие электроэнергию от генераторов и распределяющие ее

потребителям;

• коммутационные аппараты-выключатели, включающие и отключающие цепи в нор- мальных и аварийных условиях, и разъединители, снимающие напряжения с обесточенных частей электроустановок и создающие видимый разрыв цепи;

• электроприемники собственных нужд (насосы, вентиляторы, аварийное электриче- ское освещение и т. д.).

Вспомогательное оборудование предназначено для выполнения функции измерения, сигнализации, защиты и автоматики и т. д.

Энергетическая система (энергосистема) состоит из электрических станций, электри- ческих сетей и потребителей электроэнергии, соединенных между собой и связанных общ- ностью режима в непрерывном процессе производства, распределения и потребления элек- трической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом.

Электроэнергетическая (электрическая) система – это совокупность электрических час- тей электростанции, электрических сетей и потребителей электроэнергии, связанных общно- стью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления элек- троэнергии. Электрическая система – часть энергосистемы, за исключением тепловых сетей и тепловых потребителей. Электрическая сеть – совокупность электроустановок для распре- деления электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, воздушных и кабельных линий электропередачи. По электрической сети осуществляется рас- пределение электроэнергии от электростанций к потребителям. Линия электропередачи (воз- душная или кабельная) – электрическая линия, выходящая за пределы электростанции или подстанции и предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние.

В нашей стране применяются стандартные номинальные (междуфазные) напряжения трехфазного тока частотой 50 Гц в диапазоне 6-750 кВ, а также напряжения 0,66; 0,38 кВ. Для генератора применяют номинальные напряжения 3-21 кВ.

Передача электроэнергии от электростанций по линиям электропередачи осуществляет- ся при напряжении 110-750 кВ. т. е. значительно превышающих напряжение генераторов. Электрические подстанции применяются для преобразования электроэнергии одного на- пряжения в электроэнергию другого напряжения. Электрическая подстанция – это электро- установка, предназначенная для преобразования и распределения электрической энергии. Она состоит из трансформаторов, сборных шин и коммутационных аппаратов, а также вспо- могательного оборудования – устройств релейной защиты и автоматики, измерительных приборов. Подстанция предназначена для связи операторов и потребителей с линиями элек- тропередачи.

Классификация электрических сетей может осуществляться по роду тока, номиналь- ному напряжению, выполняемым функциям, характеру потребителя, конфигурации схемы сети и т. д. По роду тока различаются сети переменного и постоянного тока: по напряжению

– сверхвысокого (U_ном > 330 кВ), высокого (U_ном = 3 ... 220 кВ), низкого (U_ном < 1 кВ) напря- жения. По конфигурации схемы сети делятся на замкнутые и разомкнутые.

По выполняемым функциям различаются системообразующие, питающие и распреде- лительные сети. Системообразующие сети напряжением 330-1150 кВ осуществляют функ-

ции формирования объединенных энергосистем, включающих мощные электростанции, обеспечивают их функционирование как единого объекта управления и одновременно пере- дачу электроэнергии от мощных электростанций. Они же осуществляют системные связи, т. е. связи между энергосистемами очень большой длины. Основными системообразующими электрическими сетями будут сети 330 кВ, а распределительными – 0,4-110 кВ.

Питающие линии предназначены для передачи электроэнергии от подстанции системо- образующей сети и частично от шин 110-120 кВ электростанций центрам питания распреде- лительных сетей – районным подстанциям.

Распределительная сеть предназначена для передачи электроэнергии на небольшие расстояния от шин низшего напряжения районных подстанций к промышленным, город- ским, сельским потребителям.

Воздушные линии электропередачи (BЛ) предназначены для передачи электроэнергии на расстоянии по проводам. Основными конструктивными элементами ВЛ являются провода для передачи электроэнергии, тросы для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений, опоры для поддерживания проводов и тросов на определенной высоте, изоляторы для изоляции провода опоры и линейной арматуры, с помощью которой провода закрепляются па изоляторах, а изоляторы – на опорах.

Наиболее распространенными проводами являются алюминиевые, стале-алюминевые, а также из сплавов алюминия. Силовые кабели состоят из одной или нескольких токопрово- дящих жил, отделенных друг от друга и от земли изоляцией. Токопроводяшие жилы - из алюминия однопроволочные (сечением до 16 мм) или многопроволочные. Кабель с медными жилами применяется во взрывоопасных помещениях.

Изоляция выполняется из специальной, пропитанной минеральным маслом, кабельной бумаги, накладываемой в виде лет на токопроводяшие жилы, а также может быть резиновой или полиэтиленовой. Защитные оболочки, накладываемые поверх изоляции для предохране- ния ее от влаги и воздуха, бывают свинцовыми, алюминиевыми или поливинилхлоридными. Для защиты от механических повреждений предусмотрена броня из стальных лент или про- волок. Между оболочкой и броней - внутренние и внешние защитные покровы. Внутренний защитный покров (подушка под броней) - джутовая прослойка из хлопчатобумажной пропи- танной пряжи или из кабельной сульфатной бумаги. Наружный защитный покров - из джута, покрытого антикоррозионным составом.

Потери в электрической сети.

Передачу электроэнергии можно осуществлять при напряжении, вырабатываемом ис- точником, согласованным с потребителем, или изменяя напряжение в линии электропереда- чи (ЛЭП) с помощью трансформаторов (рис. 4.6).

Рассмотрим оба случая передачи электроэнергии, полагая, что полезная нагрузка Р, обусловленная сопротивлением потребителя R _H, остается постоянной и передается при со- противлении цепи R = const.

Рис. 4.6. Система передачи электроэнергии без повышения напряжения (а) и с повышением напряжения (б) в линии электропередачи

В основе анализа лежат закон Ома и формула для расчета мощности участка цепи:

I=U/R (4.4)

P=IU (4.5)

При принятых допущениях полезная мощность, передаваемая источником потребителю в обеих схемах, равна

P=I₁U₁ (4.6)

P=I₂U₂ (4.7)

где индексы 1 и 2 соответственно относятся к схемам а и б на рис. 4.6.

Потери энергии в обеих схемах, напротив, различаются:

Относительная величина потерь

Pⁿ 

1

2

Pⁿ 

I ² R

1

2

I ² R

(4.8)

(4.9)

n n 2 2 2 2

Откуда

P₁ / P₂ 

n n

I₁ R / I₂ R 

2

I₁ / I₂

2 2 2

(4.10)

P₁ / P₂ 

(P /U₁ )

/(P /U ₂ ) 

U ₂ / U₁

(4.11)

Таким образом, потери при передаче электроэнергии обратно пропорциональны квад- рату напряжения. По этой причине в линиях электропередачи используются высокие напря- жения, которые в настоящее время достигают 750-1150 кВ. Это позволяет без существенных потерь передавать электроэнергию на большие расстояния по проводам небольшого сечения, что также приводит к косвенной экономии энергии за счет снижения материалоемкости ЛЭП.

Наличие трансформаторов в передающих и распределительных системах переменного тока приводит к возникновению дополнительного индуктивного сопротивления Х_L и допол- нительным потерям за счет реактивной мощности Q (рис. 4.7).

Паразитную реактивную мощность можно уменьшить, последовательно включив в цепь емкостное сопротивление Х_C в виде батареи конденсаторов. Это следует из векторного ха- рактера рассматриваемых параметров (рис. 4.7). Полная мощность S зависит от коэффициен- та (косинуса угла φ), показывающего степень запаздывания тока от напряжения:

S  ^P ,

cos

cos 

P _ R _.

S Z

(4.12)

Потребителями реактивной мощности наряду с активной кроме трансформаторов яв- ляются электродвигатели, сварочные аппараты, индукционные электропечи, флюоресцент- ные лампы и другое электротехническое оборудование.

Составляющая реактивной мощности всегда присутствует в цепях переменного тока, содержащих катушки или обмотки, за счет ЭДС самоиндукции. Как и в рассмотренном слу- чае с трансформатором, ее можно уменьшить введением емкостного сопротивления.

Рис. 4.7. Определение полной мощности и сопротивления в цепи переменного тока:

а - электрическая цепь; б - векторный характер последовательного соединения сопротивле- ний; в - треугольник сопротивлений; г - треугольник мощностей

Пример. Электрическая цепь переменного тока содержит последовательно включенные активное сопротивление R=80 Ом и индуктивное сопротивление Х_L = 100 Ом. Для компенса- ции реактивной мощности в цепь добавлено емкостное сопротивление

Х_C = 40 Ом. Напряжение в цепи осталось без изменения и равно U=110 В. Определить, на какую величину изменилась потребляемая мощность.

X



Решение. Сопротивление цепи с активным и индуктивным сопротивлением

Z₁ 

R² 

² 128,1 Ом

L

L

Сопротивление цепи с активным, индуктивным и емкостным сопротивлением

Z₂ 

Потребляемая полная мощность:

R² 

( X ² 

X ² ) 

C

2

100 Ом

S  ^P 

cos

U _Z

R R

Первоначальная потребляемая мощность равна 242,1 Вт, а после установки емкостного сопротивления - 189 Вт. Таким образом, потребляемая мощность уменьшилась на 53,1 Вт.

Активная, реактивная и полная мощности связаны с соответствующими напряжениями и током в электрической цепи:

P= U_αI; Q= U_rI; S= UI

где U_α - активное (обычное) падение напряжения; U_r -реактивное падение напряжения;

U — полное падение напряжения в цепи.

Снижение потерь в линиях электропередачи может быть также достигнуто использова- нием постоянного тока или сверхпроводников. В первом случае требуются мощные преобра- зователи напряжения. Опытная эксплуатация таких линий показала их высокую стоимость и нерентабельность по сравнению с традиционными системами передачи электроэнергии. Во втором случае эксплуатация сверхпроводника ЛЭП требует криогенных систем, что еще вы- ше по стоимости.