НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

 

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ.
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Конспект лекций
для студентов специальности 5В081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства

 

Алматы 2013

СОСТАВИТЕЛИ: В.А. Васильев, К.М. Асанова. Введение в специальность. Электрификация сельского хозяйства. Конспект лекций. Для студентов специальности 5В081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства. - Алматы: АУЭС, 2013. – 63 с.

В данном курсе лекций освещены вопросы электроснабжения сельского хозяйства в том объёме, который дает представление о многогранности дисциплины и о том, чем предстоит заниматься в процессе обучения на последующих курсах. Рассмотрены вопросы построения схем электроснабжения в сельских районах, их защиты от ненормальных режимов работы, оценки электроснабжения по технико-экономическим показателя, использования различных видов источников электрической энергии и оценка их применения в конкретных случаях. Даны понятия качества электрической энергии и его влияния на процессы сельскохозяйственного производства и быта.   

Ил. 21, библиогр. - 8 назв.

Рецензент: канд. техн. наук, профессор  Ю.А. Цыба

Печатается по плану издания Некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергети­ки и связи» на 2013 г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2013 г.

Содержание

Лекция 1. Особенности электроснабжения сельскохозяйственных предприятий и их усовершенствование в  условиях Республики Казахстан. Вероятностные нагрузки сельскохозяйственных потребителей

Лекция 2. Источники электроснабжения сельскохозяйственных производств. Различные схемы электроснабжения

Лекция 3. Основные схемы централизованного электроснабжения. Узловые районные подстанции и схемы подключения 

Лекция 4. Сельские электрические станции. Виды источников электроэнергии и их применение в различных климатических зонах 

Лекция 5. Затраты на производство и передачу электрической энергии. Выбор параметров систем электроснабжения сельскохозяйственных     предприятий и сельских населённых пунктов  

Лекция 6. Влияние качества электрической энергии на работу электроприёмников сельскохозяйственных производств и способы его улучшения 

Лекция 7. Сельские распределительные сети с двухсторонним питанием. Резервные электростанции как средство повышения надёжности электроснабжения 

Лекция 8. Определение числа и мощности потребительских подстанций  в крупных сельских  населённых пунктах 

Лекция 9. Защита от грозовых перенапряжений в сельских электрических сетях

Лекция 10 Мероприятия по снижению себестоимости электроснабжения. Частотное регулирование электроприводов. Многопозиционное регулирование электротехнологических процессов в сельскохозяйственном производстве 

Лекция 11. Варианты электроснабжения сельскохозяйственных потребителей. Виды различных источников электроснабжения  

Лекция 12. Учёт роста нагрузок при выборе  параметров системы электроснабжения сельскохозяйственного района 

Лекция 13. Сопоставление централизованного и местного электроснабжения. Расходы на содержание сетей и автономных источник питания 

Лекция 14. Релейная защита в распределительных сетях сельскохозяйственных потребителей 

Лекция 15. Применение энергосберегающих технологий. Широкое внедрение ветровой и солнечной энергии  

Список литературы

Лекция 1. Особенности электроснабжения сельскохозяйственных предприятий и их усовершенствование в условиях Республики Казахстан. Вероятностные нагрузки сельскохозяйственных потребителей

Цель лекции: дать общее представление о состоянии электроснабжения в условиях Республики  Казахстан.

Содержание лекции: возможности обеспечения и усовершенствования  электроснабжения сельскохозяйственных  предприятий в условиях РК; из чего складываются вероятностные нагрузки сельскохозяйственных потребителей.

Электрификация, т. е. производство, распределение и примене­ние электроэнергии, - основа устойчивого функционирования и развития всех отраслей промышленности и сельского хозяйства страны и комфортного быта населения.

Постепенно растет нагрузка на вводе в дома, в то же время прекращают свое существование животноводческие комплексы, уступая место мелким фермам, и т.д. Если электрическая нагрузка увеличивается, то пропускная способность электрических сетей становится недостаточной и появляется необходимость в их реконструкции.   

Основное преимущество таких сетей - высокая надежность и большой срок службы. Проводятся работы по реконструкции электрических сетей с применением самонесущих проводов и кабелей. От электрических сетей в сельских районах обычно питается большое число разнообразных потребителей электрической энергии, под которыми понимают приемник или группу приемников электрической энергии, объединенных технологическим процессом и размещенных на определенной территории. Приемником электрической энергии (электроприемником), в свою очередь, называют аппарат, агрегат или механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию другого вида. В сельских районах находятся следующие потребители электрической энергии: жилые дома рабочих и служащих, фермерские хозяйства; больницы, школы, магазины, пекарни, прачечные и другие предприятия, обслуживающие население; производственные потребители питания, как животноводческие фермы, зерноочистительные пункты, теплицы, хранилища сельскохозяйственной продукции, мельницы, гаражи, котельные и т.п.; предприятия агропромышленного комплекса по переработке сельскохозяйственной продук­ции.

Электрическая нагрузка непрерывно изменяются, следуя особенностям самой структуры сельскохозяйственного производства и занятости сельского населения, носящих непостоянный характер, связанный как с сезонностью, так и с занятостью в течение суток. Одни потребители включаются, другие отключаются. Это является характерной особенностью ведения сельского хозяйства, что совсем не похоже на работу промышленного производства. Эти изменения, как правило, носят случайный характер, однако они подчиняются вероятностным законам, которые могут быть установлены с большой точностью. В графике электроснабжения сельского хозяйства следует учитывать его особенности, которые связаны с большой разбросанностью потребителей электроэнергии. Жилой фонд в сельской местности представляет собой небольшие подсобные хозяйства, в которых проживает сельское население, занимающие  большую территорию. Потребление электроэнергии таких хозяйств невелико. Однако наличие крупных сельскохозяйственных комплексов в целом меняет картину электроснабжения, так как мощность этих комплексов может достигать сотни или тысячи кВт. Поэтому для точной информации о потреблении электроэнергии сельскохозяйственным районом необходимо составлять как индивидуальные, так и групповые графики нагрузок. Групповой график составляется из индивидуальных.

Таким образом, обстоятельное изучение электрических нагрузок в сельском хозяйстве является необходимым условием при создании схем электроснабжения, отвечающих современным требованиям. Нами будет рассмотрено частичное  изучение этих нагрузок, которое сводится в первую очередь к определению расчетных нагрузок, т. е. наибольших значений полной мощности у потребителей или в электрической сети за промежуток времени 0,5 ч в конце расчетного периода. Различают дневной SД и вечерний SB максимум нагрузок потребителя или группы потребителей. За расчетный период принимают время, истекшее с момента ввода установки в эксплуатацию до достижения нагрузкой расчетного значения. В сельских электроустановках продолжительность такого периода принимают равной 5-10 годам. Необходимо также знать коэффициент мощности (косинус  расчетных нагрузок, который определяется по приборам учёта активной и реактивной мощности. Графиком нагрузки называют зависимость активной Р, реактивной Q или полной S мощности нагрузки от времени:

P(t) =∑ pi(t);                                           (1.1)

Q(t) = ∑qi(t);                                          (1.2)

                                         (1.3)

                                                             (1.4)

Графики нагрузки могут быть суточными.

Для практических целей удобен годовой график нагрузки по продолжительности (см.рисунок 1.1). На этом графике по оси абсцисс откладывают время (в году 8760 часов), а по оси ординат - минимальную нагрузку, которая соответствует этому времени.

а)  по месяцам года; б) по продолжительности.

Рисунок 1.1 - Годовые графики нагрузки

Годовой график по продолжительности составляют на основе суточных графиков (см. рисунок 1.2) за все дни года.

Р* - мощность в относительных единицах (по отношению к максимальной)

а) для зимних дней графика; б) летних дней.

Рисунок 1.2 - Суточные графики нагрузки

Допущенные ошибки в составлении графиков нагрузки в любом случае, в конце концов, сказываются на экономической  составляющей  схемы электроснабжения, что обязательно приводит к корректировке проекта и изменению самой схемы электроснабжения. И здесь приоритетно и наиболее эффективно использование систем и технических средств энергообеспечения децентрализованного типа.

Лекция 2. Источники электроснабжения сельскохозяйственных производств. Различные схемы электроснабжения

Цель лекции: ознакомить студента с различными видами источников электроснабжения и передачи электрической мощности

Содержание лекции: приведены характеристики источников электроснабжения сельскохозяйственных районов и их различные схемы подключения

Повышение эффективности сельскохозяйственного производства неразрывно связано с развитием энерго-ресурсосберегающих систем энергообеспечения. Именно они существенно влияют на снижение себестоимости и энергоемкости производимой сельскохозяйственной продукции. В перспективе в связи с необходимым ростом сельскохозяйственной продукции будут расти и масштабы потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на эти цели. Так, на 1% прироста валовой продукции сельхозпроизводства приходится до 2 % прироста энергопотребления.

Аграрная отрасль и особенно ее производство является крупным потребителем топливно-энергетических ресурсов в стационарных процессах в объеме около 10 млн. т.у.т. Из них свыше 60% ТЭР используется в системах теплообеспечения производственных объектов. Например, к 2020 году ожидается рост потребления ТЭР на 20-25%. Поэтому существует острая необходимость экономного использования электрической и тепловой энергии.  Обеспечение микроклимата – один из наиболее энергоемких процессов в системах энергообеспечения животноводческих ферм. На это направляется до 60% тепловой энергии от общих затрат на энергообеспечение объекта в целом. Резервы снижения энергозатрат – точное автоматическое регулирование температурно-влажностного режима, а также использование теплоты удаляемого воздуха. Так, использование теплоутилизаторов рекуперативного типа позволяет экономить расход энергии в системах микроклимата до 50%. В настоящее время важным приоритетом стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на период до 2015 г. является снижение удельных затрат на производство и использование энергоресурсов за счет внедрения энергосберегающих технологий и оборудования, позволяющих использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Основное направление инвестиций в Республике Казахстан должно быть направленно на:

1) Разработку и внедрение ветровых энергетических установок (ВЭУ) в системах энергообеспечения различных объектов в РК. Для районов, удаленных от сетей мощных энергосистем, энергия ветра может служить источником электроснабжения.

2) Использование энергии водных ресурсов - строительство мини - ГЭС для автономного энергообеспечения отдаленных населенных пунктов и фермерских хозяйств в РК; Гидравлические электрические станции (ГЭС) имеют ряд преимуществ по сравнению с тепловыми. Себестоимость вырабатываемой на них электроэнергии ниже, расход электроэнергии на соб­ственные нужды во много раз меньше, чем на тепловых станциях. Пуск и набор нагрузки на гидрогенератор происходят в течение нескольких минут, кроме того, ГЭС используют возобновляемые природные ресурсы.

3) Разработку и внедрение энергосберегающих технологий с использованием солнечной энергии в системах энергообеспечения различных объектов в РК; разработку и внедрение энергосберегающих технологий с использованием теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения объектов в различных климатических зонах РК  для переработки продуктов питания как альтернативный источник теплоты в системе отопления и горячего водоснабжения жилых, гражданских и производственных здании.

Потребление различных видов энергоресурсов в сельском хозяйстве возрастает под влиянием роста растениеводства и животноводства, механизации, увеличения расхода электроэнергии в жилищном и коммунальном хозяйстве сельской местности. В отраслях, производящих средства производства для сельского хозяйства, и в пищевой промышленности также нарастает энергопотребление.

Традиционно сложившаяся схема выработки и потребления электроэнергии представляет из себя сложный процесс, который регулируется по всем законам экономики. Электрическую энергию вырабатывают в основном крупные электрические станции, которые объединены в энергетические системы. Часть энергосистемы, состоящей из генераторов, распределительных устройств, повысительных и понизительных трансформа­торных подстанций, электрических сетей и приемников электроэнергии, называют электрической системой. Электрическими сетями называют части электрической системы, состоящие из подстанций и линий электропередачи различных напряжений. В зависимости от назначения электрические сети разделяют на распределительные и питающие.

Распределительной называют электрическую сеть, подводящую электроэнергию от источника питания (ИП) к потребительским ТП или самим потребителям (см.рисунок 2.1 а), если это линия низкого напряжения.

Питающей называют электрическую сеть (см. рисунок. 2.1 б), подводящую электроэнергию к распределительным пунктам РП или подстанциям. На рисунке 2.2, а показана принципиальная схема небольшой электрической системы, состоящей из трех районных электрических станций.

Напряжение генератора электростанций составляет 10 кВ (может быть до 24 кВ). Его повышают на наиболее удаленной станции до 220 кВ, а на ближе расположенной - до 110 кВ и затем передают энергию в общее кольцо напряжением 110 кВ. При этом в конце линии от удаленной станции сооружена подстанция на 220/110 кВ.

Кроме того, система обычно имеет линии связи с другими системами (на рисунке не показаны). От общего кольца 110 кВ через понижающие подстанции 110/35 кВ питаются линии напряжением 35 кВ.

Рисунок 2.1 - Схемы электрических сетей

Электрическая энергия передается через эти линии подстанциям на напряжение 35/10 кВ. От подстанций расходятся распределительные сети напряжением 10 кВ с понижающими трансформаторными пунктами. На трансформаторных пунктах напряжение понижают с 10 кВ до рабочего - 380 В. Таким образом, электрическая энергия, прежде чем она достигнет потребителя, несколько раз трансформируется, что вызывает необходимость сооружения большого числа трансформаторных подстанций. Соединенные системы образуют системы отдельных зон страны, а затем и Единую энергетическую систему Казахстана. На рисунке 2.2 б, изображена схема сельской электрической системы. Она состоит из двух ГЭС и тепловой электростанции (ТЭС), работающих на общую сеть напряжением 10 кВ.

а) небольшой; б) сельской.

Рисунок 2.2 - Схемы небольших электрических систем

На малых станциях обычно устанавливают генераторы низкого напряжения (400 В), а на более крупных - генераторы высокого напряжения (6,3 кВ). И в том, и в другом случае электрические станции соединяют сетью через повышающие трансформаторные подстанции. Потребители получают электрическую энергию либо непосредственно от шин электростанций, либо от линии, связывающей отдельные станции. Сельские системы соединяют с мощными электрическими системами. В некоторых удаленных сельских районах еще есть одиночные сельские электростанции, не связанные с другими. На таких станциях обычно устанавливают генераторы на напряжение 400 В, которое повышают до 10 кВ.

Лекция 3. Основные схемы централизованного электроснабжения. Узловые и районные подстанции и схемы подключения

Цель лекции: дать понятие централизованного электроснабжения в сельской местности.

Содержание лекции: рассмотрены основные схемы электроснабжения и подключение узловых и районных подстанций к ним.

Для экономичной передачи и распределения электроэнергии требуется ее преобразование (повышение или понижение напряжения). 

Электроустановку, предназначенную для преобразования и распределения электроэнергии, состоящую из трансформаторов, распределительных устройств, устройств управления и других вспомогательных сооружений, называют трансформаторной подстанцией. В сельскохозяйственных районах в основном используют районные трансформаторные подстанции (РТП), обеспечивающие понижение напряжения сети с 35-220 кВ, при котором передается электроэнергия от основного централизованного источника электроснабжения энергосистемы, до 6-35 кВ (в первую очередь до 10 кВ) для распределения ее в районе, и потребительские подстанции (ТП), обеспечивающие понижение напряжения с 6-35 кВ до 0,38 кВ для распределения электроэнергии между потребителями и передачи ее токоприемникам. Часть подстанции, предназначенной непосредственно для приема и распределения электроэнергии и содержащей коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, устройства защиты, автоматики и измерительные приборы, а также другую вспомогательную аппаратуру называют распределительным устройством (РУ).

На рисунках 3.1 приведены основные типовые схемы РУ на напряжение 35-110 кВ (главные схемы электрических соединений, т. е. совокупность основного оборудования первичной цепи со всеми выполненными между ними соединениями). Блочные схемы (см. рисунок. 3.1, а, б) применяют на тупиковых или ответвительных подстанциях, присоединяемых к линиям с односторонним или двухсторонним питанием. Схема блока «линия-трансформатор» с предохранителями (см. рисунок. 3.1, а) использовалась ранее на напряжение 35 кВ.

Схема блока «линия - трансформатор» с отделителем (см. рисунок 3.1) служит для автоматического отключения поврежденного трансформатора от линии, питающей несколько подстанций, а для напряжения 35 кВ применялась также, когда нельзя было использовать предохранители. Хотя одновременно усложняется защита и утяжеляется работа выключателя на головном участке питающей линии.  Поэтому на подстанциях напряжением 35/10 кВ рекомендуется применять выключатель со стороны высшего напряжения. Эта схема более дорогая, чем с предохранителем или отделителем. На подстанциях напряжением 110 кВ, учитывая высокую стоимость выключателей напряжением 110 кВ, широко применя­ют схемы с короткозамыкателями и отделителями.

Схемы, показанные на рисунках 3.1, б, представляют собой два блока «линия - трансформатор» с неавтоматической перемычкой со стороны питающей линии. Схемы подстанций всех напряжений должны выполняться, исходя из следующих основных положений:  применение простейших схем с минимальным количеством выключателей; желательного применения одной системы сборных шин с разделением её на секции; раздельной работы линий и трансформаторов; применение блочных схем. На вводах подстанций 6-10 кВ и на выводах вторичного напряжения трансформаторов ГПП и ПГВ следует устанавливать выключатели для защиты трансформаторов и автоматического включения резерва.

       

а - блок «линия - трансформатор» с выключателем (предохранителем - пунктир, отделителем - штрих пунктир); б - два блока с выключателями и неавтоматической перемычкой со стороны линий; в - мостик с  выключателями на перемычке и в цепях  трансформаторов.

Рисунок 3.1 - Главные схемы соединений РУ на  напряжение 35 кВ

При секционировании при помощи разъединителей следует устанавливать два разъединителя последовательно, тем самым создавая условия для работы персонала на отключённой секции при работе другой секции. Схема подстанции должна выполняться таким образом, чтобы при отключении одного из трансформаторов вместе с ним  отключалось питание электроприёмников сопряжённого с ним технологического процесса, подключённых к сборным шинам данного трансформатора. При этом не будет нарушаться работа параллельных технологических процессов. Для уменьшения токов короткого замыкания в сетях 6 -10 кВ следует применять трансформаторы с расщеплённой вторичной обмоткой. В случае использования реакторов не следует увлекаться чрезмерным реактированием, так как это приводит к увеличению отклонения напряжения, особенно в случае наличия электроприёмников с резкопеременными ударными нагрузками. Пропускная способность всех электрических аппаратов в цепи прохождения тока должна обеспечивать прохождение максимальной мощности в послеаварийном режиме, т.е. при отключении одной питающей линии или одного трансформатора. Широкое внедрение получают сухие трансформаторы, что исключает использование трансформаторного масла и в свою очередь отсутствие масляного хозяйства на подстанциях. На смену масляным выключателям уже давно пришли современные малогабаритные вакуумные и элегазовые выключатели с улучшенными техническими характеристиками. Следует уделять внимание распределительным сетям напряжением 0,4-20 кВ, исходя из следующих соображений. За последнее время наблюдается устойчивый рост электропотребления в коммунально-бытовом секторе села. Это связано с тем, что производство из общественного сектора села переносится в сферу личного подсобного хозяйства и в крестьянские подворья. Ожидается увеличение электрических нагрузок, в связи с этим, в 2-4 раза. Электроснабжение в этих условиях децентрализуется и потребуется расширение распределительной сети. Более 30 лет назад перед учёными была поставлена задача – разработать новый тип воздушных линий электропередачи. В результате работы появилась система с использованием проводов с защитным покровом.  Первенство  принадлежало скандинавским учёным. На рынке стран СНГ с 1997 года появился, похожий по характеристикам на скандинавский, провод типа СИП-1 и СИП-2 на напряжение 0,4 кВ и СИП-3 на напряжение 20 кВ. Провода защищены от схлёстывания; на них  практически, не образуется гололёд; не подлежат вторичной переработке, что исключает их воровство; существенно уменьшают габариты линий; создают простоту монтажных работ и уменьшают их сроки.

Лекция 4. Сельские электрические станции. Виды источников электроэнергии и их применение в различных климатических зонах

Цель лекции: дать понятие сельской электростанции и возможности её адаптации к местным условиям.

Содержание лекции: рассмотрен вопрос сельских электрических станций с различными источниками энергии и их применение в различных климатических зонах.

В малонаселенных и не охваченных сетями электрических систем районах сооружают автономные электростанции постоянного действия. Они считаются сельскими, если более 50 % нагрузки составляют сельскохозяйственные потребители. Первичными двигателями на сельских станциях могут служить двигатели внутреннего сгорания либо гидравлические турбины.

Электростанции с двигателями внутреннего сгорания сооружают в качестве основного источника питания, когда потребители находятся далеко от энергетических систем, а по местным условиям не может быть сооружена гидроэлектростанция. В качестве первичных двигателей на таких станциях чаще всего применяют дизели.

Кроме дизельных электрических станций сооружают станции, с двигателями внутреннего сгорания, которые используют газ. Он получается в газогенераторных установках, работающих на местном твердом топливе, включая органические отходы сельскохозяйственного, деревообрабатывающе-

го и других производств. Однако такие станции требуют больших затрат на подготовку топлива и производство газа.

В местах, где имеется гидроэнергия, целесообразно сооружать гидравлические электростанции малых мощностей. Использование потенциала небольших рек выгодно даже в районах, где есть сети энергосистем. Гидроэнергетические ресурсы малых рек в нашей стране составляют десятки миллиардов киловатт-часов. Однако первоначальная стоимость сооружения гидроэлектростанций значительно выше стоимости сооружения тепловых электростанций из-за больших объемов земляных и строительных работ. Лучшее использование водного потока обеспечивается параллельной работой гидравлических электростанций с тепловыми электростанциями или энергосистемой.

Дизельные электрические станции (ДЭС) применяют в качестве основного источника электроснабжения потребителей в районах, удаленных от сетей энергосистем. ДЭС - это стационарные установки. Их местоположение и мощность определяют с учетом схем развития электрических сетей и энергосистем района строительства. В состав стационарных ДЭС входят следующие основные элементы и системы: дизель-электрический агрегат, топливное хозяйство, хозяйство смазочных масел, система пуска, воздухоочистительная система, щит управления, аккумуляторное хозяйство и распределительное устройство низкого напряжения. В ДЭС сельскохозяйственного назначения используют преимущественно четырехтактные дизели. Число цилиндров колеблется от 2 до 12 в зависимости от типа и конструкции дизеля. С повышением частоты вращения масса дизеля уменьшается, но одновременно возрастают силы инерции и трения, что приводит к более быстрому износу деталей.

Дизели агрегатов и станций выполняют с различными системами охлаждения: воздушной, водовоздушной (радиаторной), водо-водяной (двухконтурной).

Дизели комплектуют синхронными генераторами трехфазного переменного тока с горизонтальным расположением вала. Генера­торы изготовляют на номинальное напряжение 0,22; 0,4; 6,3 и 10,5 кВ. Обмотки статора у генераторов напряжением 0,23 и 0,4 кВ имеют нулевую точку, соединяемую с нулевым проводом электрической сети.

Обычно на электростанции устанавливают несколько агрегатов, так как нагрузка постоянно меняется. При одновременном включении нескольких генераторов предусматривается их параллельная работа, что обеспечивает большую надежность электроснабжения, повышает эксплуатационные показатели и качество отпускаемой электроэнергии.

На параллельную работу генераторы обычно включают методом самосинхронизации. Мощность ДЭС выбирают по максимальной нагрузке станции Рмах.

Общая мощность выбранных агрегатов должна быть больше Рэ. Перегрузка агрегатов автономно работающей электростанции по мощности недопустима, так как влечет за со­бой снижение частоты переменного тока.

Номинальная мощность генераторов Рэ должна быть больше максимальной нагрузки генераторов электростанции Рмах или равняться ей:

                                                             (4.1)

Мощность на зажимах генераторов          

                                                      (4.2)

где n число агрегатов станции;

Ре - эффективная мощность двигателя по паспорту;

ƞген - КПД генератора;

ƞпер - КПД передачи (при ременной передаче с вала двигателя на генератор).

Правила технической эксплуатации рекомендуют при непрерывной работе дизеля свыше 24 ч снижать нагрузку для четырехтактного дизеля до 90 %, а для двухтактного - до 85 %. В соответствии с этим мощность на зажимах генератора

                                             (4.3)

В основу выбора числа агрегатов  дизельной электрической станции положены экономические соображения. Мощность агрегата не должна более чем в 2 раза превышать минимальную нагрузку суточного графика. Число агрегатов (округляемое до целого) определяют по формуле:

                                                             (4.4)

К числу агрегатов, определенных по формуле (4.5), должны быть добавлены резервные агрегаты, число которых составляет:

                                                        (4.5)

где Вр - продолжительность всех видов ремонтов дизеля, в том числе и капиталь­ного, за период моторесурса, ч;

Мр - моторесурс дизеля по данным завода-изгото­вителя, ч.

Электрические схемы дизельных электрических станций различны по мощности агрегатов и назначению станций. Рекомендуется применять упрощенные главные схемы электрических соединений с минимальным числом выключателей. При наличии потребителей электроэнергии, расположенных от электростанций в пределах до 1 км, их питание осуществляется на напряжении 380 В, и на станциях применяют генераторы напряжением 400 В.

Для электростанций, расположенных на значительных расстояниях (до 20 км) от потребителя и имеющих мощность 4-5 тыс. кВт, выбирают генераторы на напряжение 6,3 или 10,5 кВ. Для более экономичной работы электростанции и повышения надежности электроснабжения потребителей применяют связь с другими подстанциями. Как правило, линию связи выполняют на напряжение 35 кВ, для чего на электростанциях устанавливают трансформаторы напряжением 6 - 10/35кВ. Генераторы станции присоединяют к шинам через высоковольтные выключатели и разъединители (см.рисунок 4.1), отходящие линии напряжением 6 - 10кВ защищают предохранителями.

Рисунок 4.1 - Электрическая схема дизельной электростанции мощностью  400-1200 кВт

Повышающий трансформатор соединяют с шинами напряжением 6,3 - 10,5 и 35 кВ выключателями соответствующих напряжений. Выключатель напряжением 35 кВ необходим при авариях на линии связи и при ревизиях и ремонтах трансформатора напряжением 6,3 - 10,5/35 кВ.

Дизель-агрегаты, применяемые в сельском хозяйстве как основные источники энергии, имеют первую или вторую степень автоматизации. Проблема загрязнения воздуха выбросами при работе тепловых и дизельных электростанций обусловливает поиск нетрадиционных возобновляемых источников энергии (солнца, ветра, теплоты земли, морей и океанов, малых водных потоков, биомассы).

Для сельских ГЭС характерны небольшие мощности. На начальной стадии развития сельской электроэнергетики в стране было построено много сельских электростанций на мелких реках. При переводе сельского хозяйства на электроснабжение от государственных энергетических систем число сельских ГЭС уменьшилось во много раз. Применение ГЭС малой мощности становится необходимым. Строительству сельских ГЭС способствует тот факт, что значительно усовершенствована технология серийного изготовления железобетонных изделий сложных форм и решена проблема их транспортировки. ГЭС состоит из гидравлической турбины, синх­ронного генератора трехфазного тока и повышающего трансформатора, если энергия распределяется на повышенном напряжении. У сельских ГЭС мощностью до 60 кВт, питающих потребители в радиусе 0,5 - 1 км, целесообразно распределять энергию на генераторном напряжении (обычно 400 В). Иногда гидравлические турбины сельских ГЭС имеют номинальную частоту вращения значительно ниже, чем у синхронного генератора. При этом на ГЭС мощностью до 120 кВт турбина соединяется с генератором через промежуточную связь (например, редуктор). На ГЭС мощностью выше 120 кВт турбину с генератором размещают на одном валу. Сельские ГЭС относят в основном к низконапорным. Исключение составляют ГЭС, построенные на горных реках. На низконапорных сельских ГЭС применяют осевые, радиально-осевые и поворотно-лопастные турбины, которые характеризуются более высоким КПД на большом диапазоне нагрузки. Мощность, кВт, развиваемая турбиной,

                                                      (4.4)

где ƞ - коэффициент полезного действия турбины;

Q - расход воды через турбину, м3/с;

Н - напор, м. Рабочая характеристика турбины представляет собой зависимость ее ƞ от нагрузки ƞ =f(P) при постоянном напоре и постоянной частоте вращения.

По выражению (4.4) можно получить расходную характеристику турбины с использованием имеющейся рабочей. Расходная характеристика дает зависимость расхода воды через турбину от нагрузки Q =f(P) при H= const и n = const., где n - частота вращения вала турбины. Потенциал электроэнергии, получаемой от ветроэлектрических станций, в несколько раз превышает выработку электроэнергии на действующих электрических станциях страны.

Для ВЭС применяют специальные устройства, аккумулирующие в той или иной степени энергию ветра, а также регуляторы напряжения и частоты вращения. Это позволяет снабжать потребителей электроэнергией для освещения и электропривода. На ветроустановках применяют различные аккумулирующие устройства, сглаживающие пульсации получаемой от ветра энергии и в ряде случаев ограничивающие мощность, развиваемую ветродвигателем, а также запасающие энергию на период штилевых дней. По принципу действия используемых в ветроэнергетике аккумулирующих устройств различают механические, электрические, гидравлические, тепловые, пневматические и водородные.

Механические аккумуляторы запасают избыток энергии и отдают ее при недостатке с помощью маховика, пружины, подъемника и т. п. Посредством этих механизмов накопленная энергия может отдаваться рабочей машине сразу либо в определенные моменты времени. Этот тип аккумулятора не нашел широкого применения, так как значительная часть энергии при падении скорости ветра вообще не используется, а часть энергии теряется в самом маховике.

Электрические аккумуляторы - устройства для накопления и сохранения электрической энергии в виде химической. Коэффициент полезного действия аккумуляторов достигает 70-85 %. Такие аккумуляторы работают только на постоянном токе. Поэтому в сетях переменного тока необходимо преобразование постоянного тока в переменный. При этом снижается коэффициент полезного действия аккумуляторных батарей, и увеличиваются капитальные вложения в установку. Для больших мощностей применение электрических аккумуляторов ограничено из-за больших габаритов и дороговизны.

Кроме того, они требуют тщательного ухода - своевременной зарядки, замены электролита, замеров его плотности и т. д. Поэтому они нашли применение только в схемах с малой мощностью потребителей.

Гидравлические аккумуляторы представляют собой силовую установку, в которой энергия ветра преобразуется в потенциальную энергию поднятой на некоторую высоту воды: при обратном падении вода может приводить в движение генератор. При достаточном количестве воды ее можно использовать в орошении.

Коэффициент полезного действия гидроаккумуляторной установки превышает 50 %. Для ее сооружения лучше подыскивать естественные водоемы, расположенные на необходимой высоте. При сооружении искусственных напорных бассейнов требуются большие емкости. Оптимальным считают использование водохранилищ гидростанций, вода в которых накапливается за счет ветростанций, работающих параллельно с гидростанцией.

Тепловые аккумуляторы - устройства, в которых энергия ветра превращается в теплоту, запасаемую либо в виде горячей воды для подогрева помещений, либо в виде пара, используемого турбиной или для отопления. В периоды, когда мощность ветроустановки превышает  нагрузку, избыток электроэнергии  направляется  в электрокотлы, в которых вода нагревается до парообразования, а затем используется в отопительных системах.

Пневматические аккумуляторы - устройства, в которых кинетическая энергия ветра с помощью ветрокомпрессорной установки может быть преобразована в потенциальную энергию сжатого воздуха, которую можно использовать для работы воздушных турбин.

Водородные аккумуляторы представляют собой установки, где происходит электролитическое разложение воды на кислород и водород. Кислород используют для промышленных целей, а водород - для сжигания в двигателе внутреннего сгорания. Водород можно запасать в баллонах, а затем по мере надобности расходовать на работу теплового двигателя. Такой способ аккумулирования сложен для условий сельского хозяйства и небезопасен.

Лекция 5. Затраты на производство и передачу электрической энергии. Выбор параметров систем

Цель лекции: ознакомить с вопросами экономного производства электрической энергии в сельской местности.

Содержание лекции: рассматривается вопрос параметров систем электроснабжения сельскохозяйственных предприятий и сельских населённых пунктов.

Удельные затраты на 1 кВт×ч при производстве и передаче элек­троэнергии - превращенная форма стоимости отпущенной потребителю электроэнергии. Поэтому показателю устанавливают цену выработанного и переданного по сети 1 кВт×ч. Приведенные затраты на производство и передачу электрической энергии сельскохозяйственным потребителям зависят от затрат на сооружение энергетической системы: затрат на сеть, передающую электроэнергию от энергосистемы по сельским питающим и распределительным сетям напряжением 110, 35, 10 кВ, включая подстанции напряжением 35(110)/10кВ, и затрат на передачу электроэнергии по линиям напряжением 0,38 кВ и подстанции напряжением 10/0,38 кВ:

                                                      (5.5)

где К - капитальные затраты;

Ен - нормативный коэффицмент, равный 0,12;

И - годовые издержки производства, равные себестоимости продукции.

           (5.6)

                                              (5.7)

где

                                     (5.8)

                                   (5.9)

В этом показателе учтены затраты на собственные нужды элект­ростанций, потери мощности и энергии в электрических сетях, а также наличие резерва в энергосистеме.

Средние удельные затраты на передачу электроэнергии по сель­ским сетям напряжением 110, 35 и 10 кВт, тенге/(кВт×ч):

                                            (5.10)

                                                   (5.11)

Средние удельные затраты на передачу электроэнергии по се­тям напряжением 0,38 кВ, тенге/кВт × ч):

                                        (5.12)

где Р10/0,4 - максимальная мощность ТП;

Т0,38 - число часов максимальной мощности.

Для потребителя, присоединенного непосредственно к сети на­пряжением 10 кВ, приведённые затраты, тенге/(кВт×ч), равны:

                                                    (5.13)

где Зс - критерий экономичности Зс=∑Зt×βt-1, а Т10-определённый расчётный срок.

Затраты на электроэнергию для потребите­лей, питающихся от сетей напряжением 0,38 кВ, определяют в со­ответствии с выражением:  

                                            (5.13)

З на Т при определении Зн так же, как и для сетей высшего напряжения, принимают равным числу часов использования максимальной мощности рассматриваемых потребителей. На рисунке 5.1 приведены зависимости удельных затрат Св и Сн на передачу электроэнергии по сетям высшего и низшего напряжения от числа часов использования максимальной мощ­ности Т для сети, включающей в себя питающую линию напряжением 35 кВ, подстанцию напряжением 35/10 кВ, линии напряжением 10 и 0,38 кВ. При расчетах приведенных затрат на электроэнергию, получаемую от местной дизельной электростанции, используют те же формулы, но в них должны быть учтены стоимость самой ДЭС и затраты на топливо для нее:

                                     (5.14)

где К - капитальные вложения (тенге);

р - норма реновац. отчислений (тенге/год), в-уд. расход топлива (кг/кВт×ч);

к - затраты на топливо (тенге/кг);

Р - мак. мощность на шинах, кВт;

Т - число часов исп. мак. мощности(ч/год);

В-зарплата и др. издержки (тенге/год).

Приведенные затраты на электроэнергию, вырабатываемую на резервных электростанциях, значительно выше затрат на ДЭС, применяемых в качестве основного источника:

                             (5.15)

Для повышения эффективности резервного электроснабжения предложено использовать синхронные генераторы резервных станций для выработки реактивной мощности.

Выбор схем электроснабжения включает в себя выбор номинальных напряжений сети, ее конфигурацию, выбор и размещение трансформаторных подстанций различных напряжений, схемы их присоединения к источникам питания. Особенность распределительных сетей напряжением 110кВ оп­ределяется большой разбросанностью потребителей по террито­рии при малой плотности нагрузки.

Рисунок 5.1 -  Зависимости удельных приведенных затрат на электроэнергию от числа часов использования максимальной мощности

С этим связано использование разветвленных (с глухими ответвлениями) радиальных сетей. Проводят большую работу по уменьшению протяженности и разветвленности электрических линий, кольцеванию сетей напряжением 10 кВ и использованию двухстороннего питания подстанций напряжением 35,110 кВ. Конфигурация схем электрических сетей зависит от ряда факторов: числа потребителей, их размещения и категорийности по надежности электроснабжения потребителей, числа и размещения опорных подстанций энергосистем. Абсолютное большинство сельскохозяйственных потребителей получает электроэнергию от централизованного источника - государственных энергосистем. При этих условиях основа системы сельского электроснабжения - электрические сети. К ним относят те, по которым более 50% расчетной нагрузки передается и распределяется между производственными сельхозпотребителями, непроизводственными и бытовыми потребителями в сельской местности. Схемы сетей 10 кВ выполняют в увязке со схемами сетей 35-110 кВ. Особенность распределительных сетей напряжением 10 кВ определяется большой разбросанностью потребителей по территории при малой плотности нагрузки. С этим связано использование разветвленных (с глухими ответвлениями) радиальных сетей. Схемы электрических сетей 35-110 кВ следует строить таким образом, чтобы шины (секции шин) 110кВ подстанций 35-110 кВ, от которых осуществляется питание взаимно резервирующих линий 10 кВ, были независимыми источниками питания. Номинальные мощности районных трансформаторных подстанций (РТП) 35-110/10 и 110/35/10  кВ зависят от значения, характера и размещения нагрузки.  В сельскохозяйственных районах на РТП обычно используют трансформаторы, имеющие мощность: на напряжение 35/10кВ – 630-6300 кВА, на 110/10 кВ – 2500-10 000кВА, на 110/35/10 кВ – 6300-16 000 кВА.

Рекомендуется устанавливать трансформаторы с автоматическим регу­лированием напряжения под нагрузкой (РПН). Установку двух трансформаторов на РТП необходимо предусматривать в следующих случаях: при расчетной нагрузке на шинах 10 кВ, требующей установки трансформатора мощностью выше 6300 кВА; при числе отходящих линий 10 кВ шесть и более; при расстоянии до ближайшей соседней подстанции 35-110 кВ, превышающем 45 км; при невозможности зарезервировать хотя бы одну из линий 10 кВ, питающую потребителей первой и второй категорий по надежности от соседней подстанции 35-110 кВ двухтрансформаторные подстанции рекомендуется присоединять к линии по схеме «заход - выход». Число отходящих от РТП линий 10 кВ не превышает 5-6. Схемы электрических сетей 10 кВ следует основывать на использовании воздушных взаимно резервирующих секционированных линий. Схемы этих сетей нужно строить по магистральному принципу. На рисунке 5.2, а приведена одна из возможных схем ОТП, а на рисунке 5.2, б - вариант схемы присоединения ТП 10/0,38 кВ, питающих потребителей первой категории. Линия 10 кВ, как пра­вило, обеспечивается только одним сетевым резервом от независимого источника питания. ТП 10/0,38 кВ, присоединенные к магистрали ответвлениями, следует по возможности переводить на питание от шин 10 кВ ОТП (РП). На трансформаторных подстанциях напряжением 10/0,38 кВ в большинстве случаев устанавливают трансформаторы мощностью 25-630кВА.

При наличии потребителей первой категории предусматривают двухтрансформаторные ТП. Их целесообразно присоединять к линии 10 кВ по схеме «заход-выход» (см. рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 - Схемы присоединения ТП напряжением10/0,38 кВ, питающих потребителей первой категории

При меньшей нагрузке применяют, как правило, однотрансформаторные подстанции. Для электроснабжения потребителей второй категории с рас­четной нагрузкой 120 кВт и более применяют схему с двухсторонним питанием ТП 10/0,38 кВ. Допускается присоединять ТП с нагрузкой меньше 120 кВт к линии 10 кВ ответвлением, если длина нерезервируемого участка линии 10 кВ не более 0,5 км. Для питания потребителей второй категории с нагрузкой 250 кВт и более следует применять двухтрансформаторные комплектные ТП 10/0,38 кВ. Более надежные, но дорогие ТП закрытого типа рекомендуется применять в следующих случаях: для электроснабжения потре­бителей первой категории при суммарной мощности трансформаторов 250 кВА и более; со сложными схемами распределительных устройств, к которым присоединяется более двух линий 10 кВ; в условиях стесненной застройки поселков городского типа, центральных усадеб хозяйств; в районах с холодным климатом (до -40°С), или с загрязненной атмосферой (III степени и более), или со значительным снежным покровом (более 2 м). ТП 10/0,38 кВ, от которых обычно отходят по три-четыре линии, располагают в «центре тяжести» нагрузок или при наличии более крупных потребителей — вблизи них. В схемах электрических сетей 0,38 кВ используют радиальные не резервируемыех линии напряжением 0,38/ 0,22 кВ, отходящие от ТП 10/0,38 кВ. Электроснабжение электроприемников первой категории должно осуществляться по двум отдельным линиям 0,38 кВ, подключенным к независимым источникам питания, по четырёхпроводной линии. Проводимость нулевого провода линий 0,38 кВ, питающих более 50 % по мощности однофазные электроприемники, а также животноводческие и птицеводческие фермы, должна быть не менее проводимости фазного провода.

Лекция 6. Влияние качества электрической энергии на работу электроприёмников сельскохозяйственных производств и способы его улучшения

Цель лекции: дать оценку качества электроэнергии на работу сельскохозяйственных производств и указать на способы его улучшения.

Содержание лекции: рассматривается влияние качества электрической энергии на работу электроприёмников и способы его улучшения.

Обеспечение требуемого качества электроэнергии, надежности и экономичности - основные задачи сельского электроснабжения.   

Качество электрической энергии при питании электроприемни­ков от трехфазных электрических сетей общего назначения, т. е. для основного варианта сельского электроснабжения, определяют ста­бильностью и уровнями частоты тока и напряжения у потребите­лей, а также степенью несимметрии и несинусоидальности.

Изменение частоты в пределах нескольких процентов от номи­нальной в основном влияет только на работу асинхронных двигате­лей. При снижении частоты тока соответственно уменьшается частота вращения электродвигателей, несколько увеличиваются ток, максимальный момент и нагрев двигателя, а при увеличении частоты - наоборот. Однако при небольших изменениях частоты нормальная работа электродвигателей и большинства других электроприемников практически не нарушается.

В соответствии с требованиями нормативных документов отклонения частоты тока в нормальном режиме, т.е. не менее 95 % времени суток, не должны превышать ±0,1 Гц (допускается временное увеличение отклонения частоты до ±0,2 Гц). Указанные нормы не распространяются на электроприемники, присоединенные к сетям автономно работающих электростанций мощностью до 1000 кВт. Для них считают допустимыми отклонениями частоты в пределах ±0,5 Гц, а при мощности до 250 кВт - ±2 Гц. Однако это не относится к основным задачам сельского электроснабжения, так как его система обеспечивает в первую очередь распределение, а не производство электроэнергии. Важная задача сельского электроснабжения - поддержание требуемых уровней напряжения у потребителей. Изменение напряжения, особенно сверх допустимого значения, оказывает значительное влияние на работу потребителей. Весьма чувствительны к этому осветительные приборы.

При повышении напряжения сверх номинального резко снижается срок службы ламп накаливания, а при понижении заметно падает их световой поток. Для люминесцентных ламп, которые все более широко применяют в сельскохозяйственных осветительных установках, срок службы сокращается как при повышении, так и при понижении напряжения. Изменение напряжения оказывает серьезное влияние на работу наиболее распространенных в сельскохозяйственном производстве короткозамкнутых асинхронных двигателей. При снижении напряжения уменьшаются вращающий момент двигателя, который практически пропорционален квадрату напряжения, а также пусковой момент; снижается частота вращения; увеличиваются ток и нагрев двигателя; из-за ускоренного износа изоляции уменьшается срок службы. При значительном снижении напряжения из-за уменьшения вращающего момента могут произойти полная остановка («опрокидывание») нагруженного двигателя и соответственно нарушение технологического процесса. Если двигатель не отключить от сети, то он будет

поврежден. В результате снижения напряжения падает мощность и, следовательно, ухудшаются нагрев электронагревательных приборов, работа телевизоров, радиоприемников, холодильников и других бытовых приборов. Повышение напряжения также вредно влияет на работу последних, уменьшая в большинстве случаев срок их службы. На зажимах электроприемников в течение не менее 95 % времени суток допускают нормальные отклонения напряжения в пределах ±5 % номинального. Максимальные отклонения напряжения ±10 %. Они распространены на все потребители, и в частности на потребители, питающиеся от сельских электрических сетей. Для поддержания требуемых уровней напряжения у потребителей в системе сельского электроснабжения используют специальные устройства для регулирования напряжения (сетевые регуляторы различных типов, конденсаторы, включаемые последовательно и параллельно в сеть, а также регуляторы напряжения генераторов сельских электростанций). На работу потребителей также влияют несимметрия напряжения и несинусоидальность формы его кривой. Несимметрия напряжения наблюдается в первую очередь в сельских электрических сетях напряжением 0,38/0,22 кВ, где преобладает однофазная нагрузка. В этих сетях даже нормальные режимы часто несимметричны. В результате несимметрии отклонения напряжения у однофазных приемников, присоединенных к разным фазам, будут различны, а у некоторых могут выходить за допустимые пределы. Несимметрия трехфазной системы напряжений характеризуется появлением в ней составляющих нулевой и обратной последовательностей. При этом токи обратной последовательности в трехфазных асинхронных электродвигателях могут достигать больших значений даже при малом значении напряжения обратной последовательности (из-за малого сопротивления обратной последовательности двигателей). Это приводит к дополнительному нагреву двигателей и сокращению сроков их службы. Несимметрия напряжений может вызвать также вибрацию двигателей, снижающую их долговечность.

Значение другого показателя несимметрии - коэффициента нулевой последовательности напряжений (отношения напряжения нулевой последовательности основной частоты к номинальному фазному напряжению) для трехфазных распределительных сетей, питающих однофазные осветительные и бытовые нагрузки, не должно превышать тех же значений. Для уменьшения влияния несимметрии нагрузок на качество напряжения необходимо обеспечивать по возможности симметричное распределение однофазных приемников по фазам и включение более мощных из этих приемников на линейное напряжение. Этому способствует также увеличение сечения проводов, и в первую очередь нулевого провода. В результате уменьшаются сопротивление и ток нулевой последовательности. С этой же целью целесообразно вместо распространенных трансформаторов 10/0,4 кВ со

схемой соединения обмоток «звезда – звезда - нуль» устанавливать трансформаторы со схемой «звезда – зигзаг - нуль» (см. рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Соединение обмоток НН в равноплечный  зигзаг и векторная диаграмма

Наконец, можно использовать также специальные симметрирующие устройства. Несинусоидальность формы кривой напряжений  приводит к повышению нагрева асинхронных двигателей, увеличению потерь мощности и энергии во всех элементах сетей.  На зажимах электроприемников значение коэффициента несинусоидальности на­пряжения длительно допускается в пределах до 5 % и максимально - до 10%.

Результаты исследования несимметрии напряжений показали, что в сельских распределительных сетях коэффициент несимметрии практически повсеместно превышает допустимые значения и достигает 8%. Включение компенсирующих устройств позволит несколько снизить остроту этой проблемы. Однако в основном несимметрия вызвана нерациональным подключением однофазных потребителей к трехфазной сети. Выравнивание загрузки отдельных фаз позволит улучшить режимы напряжения в сети и снизить в ней потери электроэнергии. Ввиду увеличения удельного веса «искажающих» электроприемников, в перспективе ожидается ухудшение гармонического состава в распределительных сетях.  Поскольку искажения в большей мере «обязаны» 3 гармонике, эффективным будет применение понижающих трансформаторов 10(6)/0,4 кВ со схемой соединения обмоток «звезда-зигзаг». Такие трансформаторы одновременно обеспечивают и уменьшение несимметрии напряжений. Для повышения качества напряжения необходимо использовать сезонные переключения регулировочных отпаек силовых трансформаторов. Целесообразно применять местные средства регулирования напряжения. Для этой цели могут быть использованы вольтодобавочные регуляторы напряжения. Себестоимость передачи и распределения электроэнергии включает стоимость эксплуатационного и ремонтного обслуживания сетей (заработная плата и материальные расходы), амортизационные отчисления и стоимость технологического расхода электроэнергии при передаче и распределении ее в сетях. К необоснованному увеличению стоимости схемы электроснабжения приводит завышение мощностей трансформаторов и строительной части линий электропередач. Замена трансформаторов, где это экономически целесообразно, может дать значительный эффект. Для снижения потерь энергии и мощности в распределительных сетях и повышения надежности электроснабжения целесообразно сокращение радиуса сетей 10 кВ и разукрупнение подстанций напряжением 35 и 110 кВ. Сокращение протяженности линий осуществляют при реконструкции существующих сетей путем сооружения новых трансформаторных подстанций напряжением 10/0,4 и 35/10 кВ. На вновь строящихся крупных объектах (птицефабриках, животноводческих комплексах) практикуются подстанции глубокого ввода высокого напряжения, которые значительно уменьшают протяженность распределительных сетей и потери электроэнергии. Приближение подстанции более высокого напряжения к потребителю снижает технологический расход электроэнергии на величину, равную квадрату отношения уровней напряжения, т.е. при передаче мощности к подстанции потребителя по линии на напряжении 35 кВ вместо 10 кВ снижает потери в ней в 12 раз. Заметное снижение расхода энергии дает замена проводов на участках. При замена провода АС-35 на АС-70 дает снижение потерь активной мощности на 84%. В действующих сетях увеличить загрузку одного из трансформаторов двухтрансформаторной подстанции можно, выведя в холодный резерв один из двух малозагруженных трансформаторов или заменив незагруженные трансформаторы трансформаторами меньшей мощности. В сельских сетях стоит задача повышения коэффициента мощности с доведением его до 0,95. Компенсация реактивной мощности у сельскохозяйственных потребителей достигается установкой конденсаторных батарей, главным образом на низкой стороне трансформаторов 10/0,4 кВ. Снижению перетоков реактивной мощности способствует замена малозагруженных асинхронных двигателей на двигатели меньшей мощности. Уменьшить технологический расход энергии можно внедрением в сети технологически принципиально нового электрооборудования. Переход от воздушных линий к воздушно-кабельным дает снижение технологического расхода электроэнергии в сетях напряжением 0,38-10 кВ. Уменьшение полосы отчуждения, экологическая совместимость линий при прохождении трасс по лесным и сельскохозяйственным угодьям дают дополнительный экономический эффект.

Проектирование и строительство электропередач пульсирующего тока, которые представляют собой устройства для одновременной передачи по линии постоянного и переменного токов, позволит существенно снизить технологический расход электроэнергии в сетях вследствие снижения емкостных токов и ослабления влияния поверхностного эффекта.

Лекция 7. Сельские распределительные сети с двухсторонним питанием. Резервные электростанции как средство повышения надёжности электроснабжения

Цель лекции: рассказать о решении вопросов надёжности электроснабжения с использованием двухстороннего питания и резервных электростанций.  

Содержание лекции: рассмотрены вопросы надёжности с использованием двухстороннего питания.

 

К техническим средствам и мероприятиям по повышению надежности электроснабжения относят следующие:

1) Повышение надежности отдельных элементов сетей.

2) Сокращение радиуса действия электрических сетей.

Воздушные электрические линии - наиболее повреждаемые элементы системы сельского электроснабжения. Число повреждений растет примерно пропорционально увеличению длины линий и сокращается с радиусом действия сетей, который для линий напряжением 10 кВ должен быть повсеместно снижен до 15 км, а в дальнейшем - примерно до 7 км, как это принято во многих зарубежных странах.

3) Применение подземных кабельных сетей. Значительные пре­имущества перед воздушными линиями имеют подземные кабель­ные. Они короче воздушных, так как их не нужно прокладывать по обочинам полей севооборотов, а можно вести по кратчайшему рас­стоянию. Основное же преимущество кабельных линий - их высокая надежность в эксплуатации. Число аварийных отключений снижается в 8-10 раз. Особенно существенно, что капиталовложения на кабельные ли­нии при прокладке кабелеукладчиками оказываются практически одинаковыми по сравнению с капиталовложениями на воздушные. Благодаря этим преимуществам кабельные линии напряжением 10 кВ весьма перспективны для развития сельских электрических сетей.

Сетевое и местное резервирование. Сельские электрические сети работают в основном в разомкнутом режиме, т.е. они обеспе­чивают одностороннее питание потребителей. При таком режиме можно снизить значения токов короткого замыкания, применить более дешевую аппаратуру, в частности выключатели, разъединители и др., снизить потери мощности в сетях, облегчить поддержание требуемых уровней напряжения на подстанциях и т.п. При этих условиях надежность электроснабжения потребителей значительно ниже, чем при замкнутом режиме, т.е. при двухстороннем питании потребителей (см.рисунок 7.1). В качестве резервного источника может быть использована вторая линия электропередачи от другой подстанции (или от другой секции шин двухтрансформаторной подстанции). Такое резервирование называют сетевым.

Однако особенно в районах с повышенными гололёдно-ветровыми на­грузками возможно повреждение обеих линий и прекращение подачи энергии. Более независимым источником служит резервная электростанция (местное резервирование). В системе сельского электроснабжения в качестве резервной используют дизельные электростанции небольшой мощности. Автоматизация сельских электрических сетей способствует повышению надёжности. К техническим средствам и мероприятиям по повышению надежности электроснабжения относят следующие:

1) Повышение надежности отдельных элементов сетей, в том числе опор, проводов, изоляторов, различного линейного и подстанционного оборудования.

2) Сокращение радиуса действия электрических сетей. Воздушные электрические линии - наиболее повреждаемые элементы системы сельского электроснабжения. Число повреждений растет примерно пропорционально увеличению длины линий. В системе сельского электроснабжения проведена значительная работа по разукрупнению трансформаторных подстанций и сокра­щению радиуса действия сетей, который для линий напряжением 10 кВ должен быть повсеместно снижен до 15 км, а в дальнейшем - примерно до 7 км, как это принято во многих зарубежных странах.

Петлевая  схема распределительной сети

Рисунок 7.1 - Схема с двухсторонним питанием и резервированием на вводе 0,4 кВ

3) Применение подземных кабельных сетей. Значительные пре­имущества перед воздушными линиями имеют подземные кабельные линии. Они короче воздушных, так как их можно вести по кратчайшему расстоянию. При этом полностью устраняются помехи сельскохозяйственному производству. Число аварийных отключений снижается в 8 - 10 раз. Особенно существенно, что капиталовложения на кабельные ли­нии при прокладке кабелеукладчиками оказываются практически одинаковыми по сравнению с капиталовложениями на воздушные. Благодаря этим преимуществам кабельные линии напряжением 10 кВ весьма перспективны для развития сельских электрических сетей и в будущем все большее число линий будут кабельными, а воздушные линии 0,38 кВ будут выполняться с использованием изолированных проводов.

При автоматизации сетей как средства повышения надежности электроснабжения требуются относительно малые затраты при широких возможностях использования в эксплуатируемых сетях без их серьезной реконструкции. Автоматизация - одно из основных и наиболее эффективных средств повышения надежности электроснабжения.

Следует отметить, что максимальный эффект от повышения надежности электроснабжения может быть получен при комплексном использовании различных мероприятий и средств. Из-за частых повреждений воздушных распределительных сетей напряжением до 35 кВ, которые вызывают около 25 отключений на 100 км этих сетей в год, разработка наиболее совершенных и в то же время сравнительно недорогих способов управления этими сетями является одной из важнейших проблем электроэнергетики. В решении этой проблемы достигнут прогресс, связанный с созданием и применением в распределительных сетях нового поколения высоковольтных аппаратов, получивших название реклоузер (recloser – дословно перевключатель).

Отличительная особенность всех этих схем распределительных сетей, имеющих место и в сельских распределительных сетях, получивших название централизованные схемы, состоит в том, что для повышения надежности электроснабжения в ВЛ среднего напряжения, питающих потребителей, применяется секционирование коммутационными аппаратами. Очевидно, что при такой централизованной схеме восстановления электроснабжения приходится использовать большое количество техники и оперативного персонала. При этом время, затрачиваемое на переезды в случае протяженных линий, может составлять несколько часов и даже суток, что ведет к крайне низкой надежности электроснабжения. Поэтому вместо приведенного выше ручного подхода к управлению аварийными режимами распределительных сетей все большее распространение получило ручное дистанционное управление аварийными режимами. Очевидным преимуществом такого подхода к повышению надежности электроснабжения является сокращение времени на локализацию поврежденных участков сети. В то же время существенным недостатком такого централизованного подхода является необходимость гарантированной 100% связи с каждым управляемым элементом сети, поскольку в случае её отсутствия сеть становится полностью неуправляемой и теряется весь эффект от телемеханизации разъединителей. Таким образом, централизованный подход к секционированию и управлению аварийными режимами работы сети (независимо от того, является такое управление ручным или дистанционным) не позволяет существенно повысить надежность электроснабжения потребителей, поскольку большую роль играет человеческий фактор. Поэтому дальнейшие поиски эффективных способов повышения надежности электроснабжения потребителей велись в направлении разработки интеллектуальных устройств (прежде всего, реклоузеров), способных реализовать требуемые алгоритмы децентрализованного управления. При децентрализованном подходе к управлению аварийными режимами работы распределительных сетей обеспечивается полная независимость работы пунктов секционирования от внешнего управления, поскольку каждый отдельный аппарат электросети, являясь интеллектуальным устройством. Автоматика без вмешательства диспетчера (что исключает человеческий фактор), осуществляется локализация места повреждения и восстановление электроснабжения потребителей неповрежденных участков сети. При этом время восстановления питания на неповрежденных участках сети не превышает нескольких секунд. Для реализации управления аварийными режимами необходимо иметь надежную необслуживаемую систему бесперебойного питания.

Лекция 8. Определение числа и мощности потребительских подстанций в крупных сельских  населённых пунктах

Цель лекции: следует показать как правильно мощности и число потребительских подстанций.

Содержание лекции: рассмотрен вопрос числа и мощности потребительских подстанций в крупных сельских населённых пунктах.

Рассмотрим вопросы расчета и проектирования схемы электроснабжения сельского микрорайона, а также соответствие нормам и правилам принятых решений. Данный микрорайон включает в себя жилые здания, особенности которых нам необходимо учесть при выборе схемы питания для обеспечения потребителей качественной электроэнергией при надежном и бесперебойном электроснабжении. Вопрос рационального использования топливно-энергетических ресурсов особо остро стоит в сельском хозяйстве, то состояние электрических сетей сельскохозяйственного назначения, особенно распределительные сети напряжением 0,38 кВ, находится в настоящий момент на сложном этапе, выраженном в первую очередь резким сокращением развития сетей в количественном соотношение, что связанно с переходом к рыночным условиям хозяйствования. Кроме того, необходимо отметить, что в настоящее время существенно возросли цены на сооружение высоковольтных ЛЭП. Все чаще становится вопрос об оплате стоимости, отводимой под строительство опор участков земли, а также об арендной плате земельного коридора вдоль линии. Решение этого вопроса связанно с максимальным использованием линий за счет увеличения их пропускной способности и управлением передаваемой по ним мощности. Использования электрической энергии применяется во всех отраслях хозяйственной деятельности: в промышленности, городском, сельском и коммунальном хозяйстве, в быту и на транспорте. Особенности энергетического производства определяют трудности управления в отрасли, вызывающие необходимость реагирования на все изменения потребления электрической энергии, накладывают на энергопредприятие и потребителей электрической энергии особую ответственность за поддержание нормируемых параметров электроэнергии и снижение части потерь.

Недостаточность знаний о распределении полученных мощностей и влиянии роста нагрузок на параметры энергетической системы не позволяют разработать комплекс мероприятий по стабилизации режима энергопотребления. Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях, располагаемых, как правило, у источников первичной энергии. Электростанции связаны между собой и с потребителями электрическими системами, объединяющими их в энергосистемы, которые имеют централизованное управление. Чтобы уменьшить стоимость электрической энергии, необходимо распределять электрическую нагрузку определенным образом. Например, при достаточном запасе воды в водохранилище нагрузку на гидравлических станциях (ГЭС) увеличивают, одновременно разгружая тепловые станции (ТЭС) и экономя топливо. Качество электрической энергии, как неотъемлемый атрибут любого товара, является наиболее всеобъемлющей характеристикой как товаропроизводителя (энергоснабжающей организации), так и непосредственно потребителя, являющегося источником вносимых искажений в работу энергосистемы в целом.

В качестве примера можно рассмотреть сельский микрорайон, состоящий из 74 одноквартирных, 28 двухквартирных, жилых зданий. Также в этом населенном пункте имеется общеобразовательная школа, котельная, магазины.

Средняя температура воздуха зимой -230С, летом +200С. Почва нормальная - чернозем. Влажность 10%, удельное сопротивление земли для расчета принято 35 Ом*м. Питание распределительной сети населенного пункта осуществляется по воздушной линии 10 кВ. Для питания потребителей сельского населенного пункта предусматривается в качестве источников питания 6 однотрансформаторных комплектных  подстанций киоскового типа КТПН-10/0,4-У1 с камерами КСО-392 в РУ 10 кВ и щитами одностороннего обслуживания ЩО-70 в РУ 0,4 кВ. Основным критерием при определении мощности ТП проектируемого участка электрической сети является расчет электрических нагрузок потребителей. За расчетную нагрузку принимается наибольшее среднее значение полной мощности за 0,5 часа, которое может иметь место на вводе у потребителя электрической энергии либо в электрической сети в расчётном году с вероятностью не ниже 0,95. При этом различают дневные и вечерние нагрузки. За расчетный год принимается последний год расчетного периода, который в сельском хозяйстве рекомендуется принимать равным 10 годам. Расчёт нагрузок в сети 0,38 кВ проводится суммированием нагрузок на вводе или участках сети с учётом коэффициента одновременности отдельно для дневного и вечернего максимумов нагрузки. Нагрузки уличного освещения принимают по соответствующим нормам. В зависимости от типа покрытия и ширины проезжей части дорог и улиц удельная мощность осветительных установок при средней освещённости от 1 до 4 лк составляет от 3 до 13 Вт на 1 м2. Нагрузки линий напряжением 0,38 кВ и ТП напряжением 6…35/0,38 кВ складываются из нагрузок жилых домов, общественных и коммунальных учреждений и производственных потребителей, а также нагрузки уличного и наружного освещения. С учётом того, что от одной трансформаторной подстанции число отходящих линий принимается 3-4, распределяем равномерно по участкам  населённого пункта электрическую нагрузку с учётом равной доступности к трансформаторной подстанции. С учётом дневного и вечернего режимов и коэффициента одновременности рассчитываем нагрузку на трансформатор. Трансформаторную подстанцию (ТП) следует располагать в центре тяжести нагрузок, и от неё должны отходить три-четыре линии электропередачи. Трансформаторный пункт будет получать питание по воздушной линии 10 кВ. Основными требованиями при выборе числа трансформаторов являются: надежность электроснабжения потребителей; минимум приведённых затрат на трансформаторы с учётом динамики роста электрических нагрузок.

Правильное определение числа и мощности ТП возможно только на основе проведения сравнительных технико-экономических расчетов (ТЭР). Для крупных сельскохозяйственных населенных пунктов количество ТП определяют по приближённым методам. Количество ТП обычно определяют, ссылаясь на географию местности, объединяя  в группы потребителей, каждую из которых обслуживает одна подстанция. К тому же следует обращать внимание на выбор количества ТП, так как это является оптимальным числом в условия современной застройки населенного пункта, легкости монтажа и эксплуатации, сокращения длин воздушных линий.  Трансформаторный пункт будет получать питание по воздушной линии 10 кВ, следовательно, его напряжение составит 10/0,4 кВ. Координаты места установки ТП находят по известным выражениям. Следует иметь в виду, что питание коммунально-бытовой и производственной нагрузки по одной отходящей линии запрещается. Рекомендуется коммунально-бытовую и производственную нагрузки питать от разных ТП, в крайнем случае, по разным отходящим линиям. Расположение сети 0,38 кВ осуществляется вдоль улиц. Необходимо избегать пересечения ВЛ проезжей части улиц. Питание потребителей осуществляется по 4-х проводной системе. Для питания светильников уличного освещения прокладывают дополнительный пятый  провод. На концевых участках линий при питании коммунально-бытовых потребителей допускается сооружение двухпроводной линии (две фазы, нулевой провод).

На основании полученных результатов строится картограмма нагрузок, на которой расчетные полные мощности потребителей показаны в виде кругов, площади которых эквивалентны величинам данных мощностей. Выбор установленной мощности трансформаторов одно - и двухтрансформаторных подстанций производится по условиям их работы в нормальном режиме по экономическим интервалам нагрузки, исходя из технических требований, учитывающих:

- расчётную нагрузку подстанции, кВА;

- n - количество трансформаторов проектируемой подстанции;

- минимальную и максимальную границы экономического интервала нагрузки трансформатора, принятой номинальной мощности, которые определяются в зависимости от зоны сооружения подстанции и вида нагрузки потребителей по справочным данным.

Принятые номинальные мощности трансформаторов проверяются по условиям их работы в нормальном режиме эксплуатации - по допустимым систематическим нагрузкам и в послеаварийном режиме - по допустимым аварийным перегрузкам. Для нормального режима эксплуатации подстанции номинальные мощности трансформаторов проверяются по допустимой систематической нагрузки трансформатора, определяемой по справочным данным в зависимости от нагрузки подстанции и номинальной мощности трансформатора для приведённых в справочнике  значений среднесуточных температур расчётного сезона и номинальных мощностей трансформаторов. Проверка принятой номинальной мощности по допустимым аварийным нагрузкам не требуется. На однотрансформаторной подстанции  резервирование по сетям низшего напряжения отсутствует.

Если по всем критериям трансформатор проходит, то он принимается для установки согласно расчётной нагрузке.

Лекция 9. Защита от грозовых перенапряжений в сельских электрических сетях

Цель лекции: получить представление об опасности грозовых перенапряжений и борьбе с ними.

Содержание лекции:

- рассмотрены вопросы защиты  сельских электрических сетей от грозовых  перенапряжений и применяемые для этой цели устройства.

Распределительные электрические сети (PC) напряжением 0,4-10 кВ в последние годы оснащаются электрооборудованием, аппаратами, устройствами, изоляторами и проводами, изготовленными на новой основе новых современных технологий, использующих последние достижения науки и техники. Эксплуатация таких сетевых объектов требует надежной системы защиты от грозовых перенапряжений с использованием современных технических средств. Для расчетов плотности прямых ударов молнии на землю используется информация об интенсивности грозовой деятельности. При этом необходимо учитывать экранирование сетевых объектов зданиями, сооружениями, деревьями и т.п. Экранирование в отдельных случаях может снизить количество прямых ударов в сетевые объекты на ~ 70%. Для защиты PC напряжением 0,4-10 кВ от грозовых перенапряжений применяются:

- ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН);

- разрядники длинно-искровые (РДИ);

- разрядники вентильные (РВ) и трубчатые (РТ);

 - защитные искровые промежутки (ИП).

Для магистральных линий напряжением 6-10 кВ, выполненных в габаритах ВЛ напряжением 35 кВ, рекомендуется применять тросовые молниеотводы на подходах к подстанциям и распределительным пунктам. Проблема защиты от грозовых перенапряжений ВЛ и подстанций весьма актуальна для PC напряжением 0,4-10 кВ, так как они имеют низкую импульсную прочность изоляции по сравнению с электроустановками других классов напряжения и имеют большую протяженность. Причинами грозовых перенапряжений на ВЛ являются прямые удары молнии (ПУМ) в линию, а также близкие удары в землю, вызывающие индуктированные (наведенные) перенапряжения на проводах линии. На изоляцию оборудования подстанций воздействуют волны грозовых перенапряжений, приходящие с ВЛ при их поражениях молниями, и перенапряжения при прямых ударах молний в оборудование и конструкции подстанций. Грозоупорность ВЛ напряжением 0,38-10 кВ существенно повышается при использовании изоляции дерева на сооружаемых ВЛ с деревянными опорами, а на ВЛ с железобетонными и металлическими опорами  - при применении изоляционных траверс.

Защита РУ 6-10 кВ. Распредустройства 6-10 кВ, к которым присоединены ВЛ, должны быть защищены ОПН (или РВ), установленными на шинах или у трансформаторов (см.рисунки 9.1 и 9.2).

http://nordoc.ru/img/57-57668-x002.jpg

Рисунок 9.1 - Защита РУ 10 кВ от набегающих грозовых волн с ВЛ напряжением 10 кВ на деревянных опорах

В обоснованных случаях применяются дополнительно защитные емкости. Ограничитель перенапряжения (или вентильный разрядник) в одной ячейке с трансформатором напряжения должен быть присоединен до его предохранителя. При применении воздушной связи трансформаторов с шинами РУ 6-10 кВ расстояния от ОПН (или РВ) до защищаемого оборудования не должны превышать 60м при ВЛ на деревянных опорах и 90 м при ВЛ на железобетонных опорах.

При присоединении трансформаторов к шинам кабелями расстояния от установленных на шинах ОПН (или РВ) до трансформаторов не ограничиваются. При установке на всех вводах линий в РУ аппаратов защиты (ОПН или РВ) с расстояниями до оборудования на шинах ПС аппараты защиты могут не устанавливаться.

http://nordoc.ru/img/57-57668-x004.jpg

Рисунок 9.2 - Схема защиты от грозовых перенапряжений РУ 10 кВ с отходящими ВЛ на деревянных опорах

 

Защита ТП 6-10/0,4 кВ (ЗТП, КТП, столбовых (СТП) и мачтовых (МТП) подстанций) осуществляется комплектом ОПН (или РВ). На МТП и СТП аппараты защиты устанавливаются на опорах (опоре) после или до разъединителя. На КТП шкафного или киоскового исполнения с воздушным вводом аппараты защиты устанавливаются на шкафу устройства ввода высокого напряжения. На ЗТП с воздушным вводом аппараты защиты устанавливаются на шинную сборку 6-10 кВ.

Защита электрооборудования ТП 6-10/0,4 кВ (см.рисунок 9.3), непосредственно связанного с ВЛ напряжением 0,38 кВ, осуществляется путем установки на шинах 0,4 кВ ОПН (или РВ), а на подходах ВЛ - двух защитных заземлений на расстоянии ~50 м от трансформатора и на таком же расстоянии друг от друга с присоединением их к нулевому проводу и к крюкам или штырям изоляторов фазных проводов.

http://nordoc.ru/img/57-57668-x006.jpg

Рисунок 9.3 - Схема защиты ТП 6-10/0,4 кВ от воздействия грозовых перенапряжений

Сопротивление заземления должно быть не более 30 Ом.

Защита ВЛ напряжением 0,38 кВ. От грозовых перенапряжений должны быть защищены:

- электрооборудование и аппараты, установленные на опорах ВЛ;

- ответвления от магистрали к вводам в здания;

- защита изоляции проводов ВЛИ.

Защита ответвлений от магистрали к вводам в здания и снижение величины грозовых перенапряжений, проникающих во внутренние проводки, достигается путем отвода тока молнии в заземлитель через заземляющий спуск, смонтированный на опоре с ответвлением к вводу потребителя.

ВЛ напряжением 0,38 кВ, проходящие по населенной местности с одно и двухэтажной застройкой, должны иметь заземляющие устройства, предназначенные для защиты от грозовых перенапряжений. Сопротивление заземляющих устройств опор должно быть не более 30 Ом. Расстояния между опорами с заземляющими устройствами не должно превышать:

- 200 м для районов с  продолжительностью гроз  40 ч;

- 100 м - для районов с продолжительностью гроз более 40 ч.

Дополнительно, заземляющие устройства должны быть выполнены: на опорах с ответвлениями к вводам в здания, в которых может быть сосредоточено большое количество людей (школы, ясли, больницы, а также животноводческие, птицеводческие помещения, склады).

На вводах в здания и на концевых опорах линий рекомендуется дополнительно устанавливать ОПН низкого напряжения.

Для защиты электронного оборудования (компьютеры, телевизоры и т.д.) от грозовых перенапряжений, проникающих в проводку здания, следует применять специальные разрядники и ОПН, расположенные в непосредственной близости от защищаемого оборудования. Крюки, штыри деревянных опор заземлению не подлежат, за исключением крюков и штырей на опорах, где выполнены повторные заземления для защиты от грозовых перенапряжений.

Защита ВЛИ напряжением 0,38 кВ. На ВЛ напряжением 0,38 кВ с изолированными самонесущими проводами (ВЛИ 0,38 кВ) должны быть выполнены заземляющие устройства, предназначенные для повторного заземления нулевого провода, защиты от грозовых перенапряжений, заземления электрооборудования, установленного на опорах ВЛИ 0,38 кВ. Заземляющие устройства для повторного заземления нулевого провода и для целей защиты от грозовых перенапряжений должны выполняться с помощью прокалывающего зажима.

Для защиты электрооборудования, аппаратов и ВЛИ 0,38 кВ должны применяться ОПН (или РВ), установленные в непосредственной близости от защищаемых объектов.

Ограничители перенапряжения и разрядники, устанавливаемые на опорах ВЛИ 0,38 кВ для защиты кабельных вставок от грозовых перенапряжений, должны быть присоединены к заземлителю отдельным спуском.

Зона защиты молниеотвода - это часть пространства, внутри которого здание или сооружение защищено от ПУМ с определенной степенью надежности. По мере продвижения по поверхности внутрь зоны надежность защиты увеличивается. В сетях 6-10 кВ молниеотводами от ПУМ должны быть защищены ОРУ 6-10 кВ, подстанции 35 кВ и выше, а также шинные мосты и гибкие связи 6-10 кВ от понижающих трансформаторов до ОРУ 6-10 кВ. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h < 150 м представляет собой круговой конус (см.рисунок 9.4) с вершиной на высоте    h0 < h. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте hx представляет собой круг радиусом rх. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r0. Граница зоны защиты (при вероятности прорыва 0,05) описывается формулами:

                                           (9.16)

http://nordoc.ru/img/57-57668-x016.jpg

http://nordoc.ru/img/57-57668-x018.jpg

 

1 - граница зоны защиты на уровне земли; 2 - то же на высоте hx.

Рисунок 9.4 - Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 150 м

 

Высота одиночного стержневого молниеотвода при известных для защищаемого объекта величинах hx и rх определяется по формуле:

                                       (9.17)

Торцевые области зоны защиты (габариты h0, r0, rх1, rх2) определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов. Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода (при вероятности прорыва 0,05) имеют следующие габариты:

При L < 1,5h: hc = h0; rcx = rx; rc = r0.

 

                       (9.18)

 

При 5h > L > 1,5h:

При известных hc и L (при rсх = 0) высота молниеотвода определяется по формуле:

 

                                      (9.19)

 

Стержневые молниеотводы, находящиеся на расстоянии L >5h, следует рассматривать как одиночные.

                                                 

Лекция 10. Мероприятия по снижению себестоимости электроснабжения. Частотное регулирование электроприводов. Многопозиционное регулирование электротехнологических процессов в сельскохозяйственном производстве

Цель лекции:

- понять сущность себестоимости электроэнергии и осуществление мероприятий по её снижению. Рассмотреть регулирование электротехнологических процессов в сельскохозяйственном производстве. 

Содержание лекции:

- рассмотрены мероприятия по снижению себестоимости электроснабжения и как инструмент для их осуществления – частотное регулирование скорости электроприводов и многопозиционное регулирование технологических процессов.

Себестоимость передачи и распределения электроэнергии включает стоимость эксплуатационного и ремонтного обслуживания сетей (заработная плата и материальные расходы), амортизационные отчисления и стоимость технологического расхода электроэнергии при передаче и распределении ее в сетях. К необоснованному увеличению стоимости схемы электроснабжения приводит завышение мощностей трансформаторов и строительной части линий электропередач. Замена трансформаторов, где это экономически целесообразно, может дать значительный эффект. Для снижения потерь энергии и мощности в распределительных сетях и повышения надежности электроснабжения целесообразно сокращение радиуса сетей 10 кВ и разукрупнение подстанций напряжением 35 и 110 кВ. На вновь строящихся крупных объектах (птицефабриках, животноводческих комплексах) практикуются подстанции глубокого ввода высокого напряжения, которые значительно уменьшают протяженность распределительных сетей и потери электроэнергии. Находит применение двухступенчатая система распределения электроэнергии (110/35/0,38; 110/20/0,38; 110/10/0,38 кВ), при которой снижается потребность в трансформаторной мощности и уменьшается технологический расход энергии. Приближение подстанции более высокого напряжения к потребителю снижает технологический расход электроэнергии на величину, равную квадрату отношения уровней напряжения. Заметное снижение расхода энергии дает замена проводов на участках, где нагрузка превышает экономически допустимые уровни, что также целесообразно с  точки зрения механической прочности. В каждом конкретном случае можно выявить возможности увеличения загрузки трансформатора. Уменьшение перетоков реактивной мощности также снижает потери мощности в сети. В сельских сетях стоит задача повышения коэффициента мощности с доведением его до 0,95. Компенсация реактивной мощности у сельскохозяйственных потребителей достигается установкой конденсаторных батарей, главным образом на низкой стороне трансформаторов 10/0,4 кВ. Уменьшить технологический расход энергии можно внедрением в сети технологически принципиально нового электрооборудования. Переход от воздушных линий к воздушно-кабельным. Широкое использование самонисущих изолированных проводов типа: СИП-1, СИП-2, СИП-3 даёт:

- упрощение конструкций опор;

- увеличение длины пролетов; исключение металлоконструкций  контуров заземления;

- возможность монтажа воздушных кабелей по стенам промышленных и жилых зданий;  ускорение монтажных работ при строительстве;

- уменьшение полосы отчуждения; экологическую совместимость линий при прохождении трасс по лесным и сельскохозяйственным угодьям;

- даёт дополнительный экономический эффект.

Проектирование и строительство электропередач пульсирующего тока, которые представляют собой устройства для одновременной передачи по линии постоянного и переменного токов, позволит существенно снизить технологический расход электроэнергии в сетях вследствие снижения емкостных токов и ослабления влияния поверхностного эффекта. Технологический расход активной мощности в линиях электропередач пульсирующего тока уменьшается примерно в 3,5 раза при наложении постоянного напряжения на каждую фазу переменного тока, которое в разы  выше фазного напряжения. Можно использовать существующие электрические сети для передачи энергии постоянным током, что повышает экономичность и пропускную способность действующих сетей.

Значительного эффекта можно добиться использованием в действующих энергосистемах нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.

В настоящее время разработаны и внедряются унифицированные проекты малых и микро-ГЭС, а также ветроэлектростанции, которые становятся серьезной альтернативой крупным электростанциям. Рост цен на органическое топливо и электроэнергию, значительная удаленность сельскохозяйственных потребителей от центра питания и рост их энерговооруженности способствуют развитию малой энергетики на селе.

Все более широкое распространение получают солнечные энергоустановки. В сельском хозяйстве используются низкотемпературные установки по преобразованию солнечной энергии в тепло. Эффективен солнечный обогрев теплиц, основанный на парниковом эффекте, работают солнечные водонагреватели, водоподъемники, сушилки.

Частотное регулирование электроприводов. Возможность управления частотой вращения короткозамкнутых асинхронных электродвигателей была доказана сразу же после их изобретения. Реализовать эту возможность удалось лишь с появлением силовых полупроводиниковых приборов - сначала тиристоров, а позднее транзисторов IGBT имеющих частоту коммутации 30 кГц и выше. В настоящее время во всём мире широко реализуется способ управления асинхронной машиной, которая сегодня рассматривается не только с точки зрения экономии энергии, но и с точки зрения совершенствования управления технологическим процессом. Существует два основных типа преобразователей частоты: с непосредственной связью и с промежуточным контуром постоянного тока. Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным контуром постоянного тока, выполненные на базе инверторов напряжения. Структурная схема такого преобразователя приведена на рисунке 10.1.

http://ru.teplowiki.org/wiki/images/thumb/4/4f/Shema1dan.jpg/300px-Shema1dan.jpg

Рисунок 10.1 - Структурная схема преобразователя частоты с промежуточным контуром постоянного тока

Создание системы с частотно-регулируемыми приводами, в которых управление частотой осуществляется наряду с контролем целого комплекса различных технологических параметров, позволяет снизить не только потребление электрической энергии, но и обеспечивает экономию потребления энергоресурсов всей системы. Применение частотно-регулируемых электроприводов производства в системах водоснабжения, прежде всего, позволяет существенно снизить потребление электроэнергии электроприводами насосов, так как избыточный напор в этом случае не создается.

Во многих областях приводной техники все чаще требуется применение бесступенчатого регулирования асинхронных приводов в широком диапазоне скоростей вращения, которое обеспечивает экономию электроэнергии; производственную безопасность; экологичность; минимизацию затрат на обслуживание. В системах кондиционирования воздуха, как правило, применяют электрические или пневматические приборы автоматического регулирования, осуществляющие: двух- и трех позиционный, пропорциональный, интегральный пропорционально-интегральный и пропорционально-интегрально-дифференциальный.

Позиционные регуляторы применяют главным образом в схемах защиты калориферов первой ступени подогрева и реверса воздушных клапанов. В контурах регулирования температуры и влажности большинства систем комфортного и технологического кондиционирования применяют пропорциональные (П) или интегральные (И) регуляторы. П – регуляторы обладают большим быстродействием, но осуществляют процесс регулирования с ошибкой, величина которой пропорциональна возмущающему воздействию на систему автоматического регулирования. В системах с И – регулированием ошибка регулирования меньше, однако, они обладают и меньшим быстродействием.

Лекция 11. Варианты электроснабжения сельхозпотребителей. Виды различных источников электроснабжения

- показать разнообразие схем электроснабжения в сельской местности и их лучшие варианты в конкретных условиях с использованием различных источников электроснабжения.

Содержание лекции: рассмотрены различные схемы электроснабжения с использованием комплектных трансформаторных подстанций открытого и закрытого типа. В качестве источников электроснабжения рассмотрены источники традиционного типа, и нетрадиционные, использующие энергию ветра, солнца, воды.

Сельскохозяйственное производство всё в большей мере базируется на современных технологиях, широко использующих электрическую энергию. В связи с этим возрастают требования к надёжности электроснабжения сельскохозяйственных объектов, к качеству электрической энергии, к ее экономному использованию и рациональному расходованию материальных ресурсов.

Абсолютное большинство сельскохозяйственных потребителей получают электроэнергию от централизованного источника - энергосистемы. Влияние качества электроснабжения на конечные результаты неодинаково для предприятий различного уровня и  в наибольшей степени оно сказывается на крупных специализированных предприятиях. Качество электрической энергии общего назначения определяют стабильностью и уровнями частоты тока и напряжения у потребителей, а также степенью несимметрии и несинусоидальности напряжений. Обычно на фермах располагаются предприятия, производящие продукцию животноводства и птицеводства. В зависимости от потребляемой мощности по ферме выбирается типовая  трансформаторная подстанция (см.рисунок 11.1) и разрабатывается схема электроснабжения. При разработке схем внешнего электроснабжения в технико-экономических расчетах рекомендуется рассматривать для комплексов с расчетной нагрузкой до 1000 кВт, размещенных от центров питания (опорных трансформаторных подстанций 35 или 110 кВ) на расстоянии до 10 км, возможность строительства отдельных ВЛ 10 кВ. При расстоянии более 10 км целесообразно рассмотреть возможность строительства отдельной трансформаторной подстанции 35 или 110 кВ. Для комплексов с расчетной нагрузкой более 1000 кВт независимо от расстояния до центра питания следует рассмотреть возможность строительства отдельной тупиковой трансформаторной подстанции 35 или 110 кВ.

Схема трансформаторной подстанции закрытого типа

Рисунок 11.1 - Схема ТП закрытого типа напряжением 20/0,4 кВ

 с двумя трансформаторами мощностью до 400 кВА

Не рекомендуется присоединять к BЛ 10 кВ, предназначенных для электроснабжения комплексов и птицефабрик, других потребителей. Распределение электроэнергии наряду с воздушными и кабельными линиями может выполняться шинопроводами.

Виды источников электроснабжения. В малонаселенных и не охваченных сетями энергетических систем районах сооружают автономные электростанции постоянного действия. Они считаются сельскими, если более 50 % нагрузки составляют сельскохозяйственные потребители. Первичными двигателями на сельских станциях могут служить двигатели внутреннего сгорания либо гидравлические турбины. Электростанции с двигателями внутреннего сгорания сооружают в качестве основного источника питания, когда потребители находятся далеко от энергетических систем, а по местным условиям не может быть сооружена гидроэлектростанция. В качестве первичных двигателей на таких станциях чаще всего применяют дизели.

Кроме дизельных электрических станций, сооружают станции с двигателями внутреннего сгорания. Они используют газ. Дизельные электрические станции (ДЭС) применяют в качестве основного источника электроснабжения потребителей в районах, удаленных от сетей энергосистем.

В состав стационарных ДЭС входят следующие основные элементы и системы: дизель-электрический агрегат, топливное хозяйство, хозяйство смазочных масел, система пуска, воздухоочистительная система, щит управления, аккумуляторное хозяйство и распределительное устройство низкого напряжения.

В ДЭС сельскохозяйственного назначения используют преимущественно четырехтактные дизели. Число цилиндров колеблется от 2 до 12 в зависимости от типа и конструкции дизеля. Дизели комплектуют синхронными генераторами трехфазного переменного тока с горизонтальным расположением вала. Генераторы изготовляют на номинальное напряжение 0,22; 0,4; 6,3 и 10,5 кВ. Обмотки статора у генераторов напряжением 0,23 и 0,4 кВ имеют нулевую точку, соединяемую с нулевым проводом электрической сети. У синхронных генераторов ДЭС могут быть машинная и статическая системы возбуждения. Генераторы мощностью более 150 кВ А снабжают устройствами форсировки возбуждения, обеспечивающими увеличение на­пряжения при коротких замыканиях, а также устойчивость при параллельной работе генераторов. Автоматическое регулирование напряжения на сельских электрических станциях выполняют также с помощью компаундирова­ния возбуждения генераторов. Обычно на электростанции устанавливают несколько агрегатов, так как нагрузка постоянно меняется. При одновременном включении нескольких генераторов предусматривается их параллельная работа, что обеспечивает большую надежность электроснабжения, повышает эксплуатационные показатели и качество отпускаемой электроэнергии. Проблема загрязнения воздуха выбросами при работе тепловых и дизельных электростанций обусловливает поиск нетрадиционных возобновляемых источников энергии (солнца, ветра, теплоты земли, морей и океанов, малых водных потоков). Первое, что использовал человек, была энергия водных потоков. В местах, где имеется гидроэнергия, целесообразно сооружать гидростанции малых мощностей. Использование потенциала небольших рек выгодно даже в районах, где есть сети энергосистем.

Гидравлические электрические станции (ГЭС) имеют ряд преимуществ по сравнению с тепловыми. Себестоимость вырабатываемой на них электроэнергии ниже, чем на тепловых станциях. Пуск и набор нагрузки на гидрогенератор происходят в течение нескольких минут. Сельские ГЭС относят в основном к низконапорным. Исключение составляют ГЭС, построенные на горных реках. Мощность ГЭС определяется по формуле:

                                      (11.20)

где η - коэффициент полезного действия турбины;

Q - расход воды через турбину, м3/с;

Н - напор, м.

На низконапорных сельских ГЭС в процессе работы напор меняется от 10 до 20 %. Особенно велики его изменения в паводко­вые периоды. Оптимальный режим работы турбины ожидается при макси­мальном значении произведения Нη:

                                      (11.21)

Расход воды в реке в течение суток, как правило, меняется незначительно, и при работе в соответствии с водным режимом реки мощность на шинах гидростанции также постоянна. Но нагрузка гидростанции в течение суток колеблется. Пример изменения нагрузки ГЭС за сутки показан на рисунке 11.2. Разделив суточное потребление электроэнергии (площадь графика нагрузки) на 24 ч, получим среднесуточную мощность. Если при ГЭС имеется водохранилище, то в периоды избытка мощности в нем можно накапливать воду, а в периоды недостатка срабатывать созданный запас. Для суточного регулирования требуется водохранилище относительно небольшой вместимости.

Рисунок 11.2 – Суточный график нагрузки гидроэлектростанции

Для лучшего обеспечения потребителей электрической энергией и совершенствования работы гидростанции она должна работать параллельно с тепловой электростанцией или энергосистемой.

Ветроэлектрические станции. Для районов, удаленных от сетей мощных энергосистем, энергия ветра может служить источником электроснабжения. Ветер - один из нетрадиционных источников энергии. Установлено, что современные ветроэнергетические установки могут быть эффективно использованы в районах со среднегодовой скоростью ветра, превышающей 3-5 м/с. Для районов, удаленных от сетей мощных энергосистем, энергия ветра может служить источником электроснабжения. Для ВЭС применяют специальные устройства, аккумулирующие в той или иной степени энергию ветра, а также регуляторы напряжения и частоты вращения. Это позволяет снабжать потребителей электроэнергией для освещения и электропривода. По принципу действия используемых в ветроэнергетике аккумулирующих устройств различают механические, электрические, гидравлические, тепловые.

Механические аккумуляторы запасают избыток энергии и отдают ее при недостатке с помощью маховика, пружины, подъемника и т. п. Этот тип аккумулятора не нашел широкого применения.

Электрические аккумуляторы — устройства для накопления и сохранения электрической энергии в виде химической. Такие аккумуляторы работают только на постоянном токе. Поэтому в сетях переменного тока необходимо двойное преобразование переменного тока в постоянный и обратно.

Гидравлические аккумуляторы представляют собой силовую установку, в которой энергия ветра преобразуется в потенциальную энергию поднятой на некоторую высоту воды.

Тепловые аккумуляторы — устройства, в которых энергия ветра превращается в теплоту, запасаемую либо в виде горячей воды для подогрева помещений, либо в виде пара, используемого турбиной или для отопления.

Лекция 12. Учёт роста нагрузок при выборе  параметров системы  электроснабжения сельскохозяйственного района

Цель лекции: дать понятие того, что система электроснабжения сельскохозяйственного района постоянно меняющийся объект, в котором происходит обновление нагрузок.

Содержание лекция: при проектировании и дальнейшей эксплуатации всегда стоит вопрос  о росте нагрузок потребителей. Приведённый в лекции материал позволяет сделать правильный выбор оборудования и схем, чтобы минимизировать затраты при расширении производства и приросте населения в районе.

При проектировании электрических сетей рассматриваются следующие виды работ: новое строительство, расширение и реконструкция. Новое строительство включает сооружение новых линий электропередачи и подстанций. Расширение электросетей, как правило, относится только к подстанциям - это установка второго трансформатора на действующей подстанции с проведением необходимых строительных работ.

Реконструкция действующих сетей подразумевает изменение параметров электросетей, при сохранении частично или полностью строительной части объектов, для повышения пропускной способности сетей, надежности электроснабжения и качества передаваемой электроэнергии. В задание на проектирование линий 0,38 кВ и трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ включают: основание для проектирования; район строительства; вид строительства; длина линий 0,38 кВ; тип трансформаторных подстанций; стадийность проектирования; капитальные вложения. Кроме этого, к заданию на проектирование сетей 0,38 кВ прилагают: технические условия энергосистемы на присоединение к электрическим сетям. Линии электропередачи 0,38...10 кВ, как правило, должны выполняться воздушными. Кабельные линии используются в случаях, когда согласно ПУЭ строительство воздушных линий не допустимо, для электроснабжения ответственных потребителей (хотя бы одну из линий основного или резервного питания) и потребителей, расположенных в зонах с тяжелыми климатическими условиями (IV - особый район по гололеду) и ценными землями. Схемные решения электросетей выбирают по нормальным, ремонтным и послеаварийным режимам. Распределение потерь напряжения между элементами электросети выполняется на основании расчета, исходя из допустимого отклонения напряжения у электроприемников и уровней напряжения на шинах центра питания (допустимое нормальное отклонение напряжения у потребителя составляет ±5% номинального, максимальное отклонение допускается до ±10%). Потери напряжения не должны превышать в электрических сетях 10 кВ - 10%, в электрических сетях 0,38/0,22 кВ - 8%, в электропроводках одноэтажных жилых домов - 1%, в электропроводках зданий, сооружений, двух и многоэтажных жилых домов - 2%. При отсутствии исходных данных для расчета отклонения напряжения у электроприемников потери напряжения в элементах сети 0,38 кВ рекомендуется принимать: в линиях, питающих коммунально-бытовые потребители - 8%, производственные - 6,5%, животноводческие комплексы - 4% от номинального. При проектировании электрических сетей сельскохозяйственного назначения обеспечения оптимального коэффициента реактивной мощности мощность компенсирующих устройств должна определяться по условию, при котором достигается минимум приведенных затрат на снижение потерь электроэнергии. На участках параллельного следования линий 0,38 и 10 кВ следует рассматривать технико-экономическую целесообразность использования общих опор для совместной подвески на них проводов обеих ВЛ. Электрические линии напряжением 0,38 кВ должны быть с глухозаземленной нейтралью, на линиях, отходящих от одной подстанции 10/0,4 кВ, необходимо  предусматривать не более двух-трех сечений проводов.

Провода уличного освещения следует располагать со стороны проезжей части улицы. Фазные провода должны располагаться выше нулевого. Светильники уличного освещения присоединяются к специально предназначенным для этого фазным проводам и общему нулевому проводу электрической сети. В районах с одноэтажной застройкой для ответвлений от линий к вводам в здания рекомендуется применять самонесущие провода с атмосферостойкой изоляцией. Номинальное междуфазное напряжение распределительных сетей выше 1000 В следует принимать не ниже 10 кВ. При реконструкции и расширении действующих сетей напряжением 6 кВ следует предусматривать их перевод на напряжение 10 кВ с использованием, по возможности, установленного оборудования, проводов и кабелей.   Кабельные линии рекомендуют выполнять кабелем с алюминиевыми жилами с пластмассовой изоляцией. Воздушные линии могут строиться с применением железобетонных на вибрированных и центрифугированных стойках, деревянных и металлических опор. Стальные опоры ВЛ 10 кВ рекомендуется использовать на пересечениях с инженерными  сооружениями (железные и шоссейные дороги), с водными пространствами, на стесненных участках трасс, в горной местности, на ценных сельскохозяйственных землях, а также в качестве анкерно-угловых опор двухцепных линий. Двухцепные опоры ВЛ10 кВ рекомендуется применять на больших переходах через водные препятствия, а также на участках ВЛ, проходящих по землям, занятыми сельскохозяйственными культурами. ВЛ 10 кВ выполняют с применением штыревых и подвесных изоляторов, как стеклянных, так и фарфоровых, но предпочтение следует отдавать стеклянным изоляторам. Подстанции 10/0,4 кВ должны размещаться: в центре электрических нагрузок; в непосредственной близости от подъездной дороги с учетом обеспечения удобных подходов воздушных и кабельных линий; на незатопляемых местах и, как правило, на местах с уровнем грунтовых вод ниже заложения фундаментов. Электроснабжение бытовых и производственных потребителей рекомендуется предусматривать от разных подстанций или их секций. Подстанции с воздушными вводами не рекомендуется размещать вблизи школ, детских и спортивных сооружений. Выбор схем присоединения подстанций 10/0,4 кВ к источникам питания производится на основании экономического сравнения вариантов в зависимости от категории электроприемников по надежности электроснабжения. Подстанции 10/0,4 кВ, питающие потребителей второй категории с расчетной нагрузкой 120 кВт и более должны иметь двухсторонне питание. Подстанции 10/0,4 кВ должны проектироваться однотрансформаторными. Двухтрансформаторные подстанции 10/0,4 кВ должны проектироваться для питания потребителей первой категории и потребителей второй категории, не допускающих перерыва в электроснабжении более 0,5 часа, а также потребителей второй категории при расчетной нагрузке 250 кВт и более. Устройствами автоматического включения резервного питания на шинах 10 кВ рекомендуется оборудовать двухтрансформаторные подстанции при совокупности следующих обязательных условий: наличие электроприемников I и II категории; присоединение к двум независимым источникам питания; если одновременно с отключением одной из двух питающих линий 10 кВ одновременно теряет электроснабжение один силовой трансформатор. Подстанции 10/0,4 кВ закрытого типа следует применять: при сооружении опорных трансформаторных подстанций, к распределительным устройствам 10 кВ которых присоединяются более двух линий 10 кВ; для электроснабжения потребителей первой категории при суммарной расчетной нагрузке 200 кВт и более; в условиях стесненной застройки поселков; в районах с холодным климатом при температуре воздуха ниже -40°С; в районах с загрязненной атмосферой III степени и выше; в районах со снежным покровом более 2 м. Трансформаторы 10/0,4 кВ, как правило, используются с переключением ответвлений без возбуждения (ПБВ) для регулирования напряжения. Для питания коммунально-бытовых сельскохозяйственных потребителей трансформаторы 10/0,4 кВ мощностью до 160 кВА включительно следует применять со схемой обмоток «звезда-зигзаг» с выведенной нейтралью обмотки 0,4 кВ.

Лекция 13. Сопоставление централизованного и местного электроснабжения Расходы на содержание сетей и автономных источников питания

Цель лекции:

- путём сопоставления схем электроснабжения ввести понятие расходов на содержание сетей и автономных источников питания.

Содержание лекции: сопоставляются схемы централизованного и местного электроснабжения для выявления эффективности выбора и оценки расходов на содержание и расширение электрической части объектов  электроснабжения.

Каждый, кто использует в быту электроэнергию, хотя бы раз сталкивался с ее внезапным отключением. Что говорить о сельской местности? Оперативность местных служб и организаций, в чьем ведении находится ремонт систем энергоснабжения, существенно ниже. Это объясняется рядом вполне объективных факторов: большая территория обслуживания, дефицит квалифицированных кадров, проблемы с транспортом, а иногда и с подъездом к объектам, нуждающимся в ремонте, плохое материально-техническое обеспечение. На надежность электроснабже-

ния в сельской местности может влиять и человеческий фактор. Согласно ПУЭ, первая группа потребителей будет застрахована от возникновения таких ситуаций, когда перерыв электроснабжения может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный материальный ущерб, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения. Отключение же от электричества потребителей второй категории в этом случае приведет лишь к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей. К третьей группе электроприемников относятся те,  перерыв в электроснабжении которых, согласно ПУЭ, может затянуться на сутки. Чтобы оградить себя от неприятностей, связанных с внезапным отключением электричества, нужно установить резервный источник питания. Автономные источники энергии можно разделить на две большие группы. В первую входят агрегаты, которые преобразуют другие виды энергии в электрическую, при этом их работа не зависит от основной системы электроснабжения. Они полностью автономны и при соблюдении ряда условий могут использоваться долговременно или даже в качестве основного источника электроснабжения. Ко второй группе следует отнести устройства, которые накапливают электричество (заряжаются) в то время, когда основной источник исправно поставляет энергию потребителю. Их автономность ограниченна, хотя период времени, в течение которого они способны обеспечивать электроэнергией, может оказаться довольно продолжительным В свою очередь устройства, относящиеся к первой группе, делятся на те, что преобразуют какой-либо вид энергии (генераторы на базе двигателей внутреннего сгорания, гидро- и ветрогенераторы) и те, что превращают в электричество излучение того или иного спектра (солнечные батареи, термоэлементы). Электрогенераторы на основе двигателей внутреннего сгорания меньше других зависят от таких факторов, как количество солнечных дней в году, сила ветра, гидро- и терморесурсы, которые необходимы для эффективного и экономически целесообразного применения солнечных батарей, ветро- и гидрогенераторов, термоэлементов.

Мини-электростанция вырабатывают электроэнергию со стандартизированными потребительскими параметрами: три фазы (380 В) или одна фаза (220 В, 50 Гц).

Мини-электростанции могут строиться на основе двигателей внутреннего сгорания, работающих на различных типах углеводородного топлива. Наибольшее распространение на данный момент получили дизельные и бензиновые агрегаты.

Если потребитель не намерен ограничивать расход электроэнергии в период эксплуатации автономного источника и планирует пользоваться всеми  благами цивилизации, задача упрощается - в качестве отправной точки для расчета берется электрическая мощность, выделенная централизованным   поставщиком энергии на электроустановку. В случае с трехфазной схемой электропроводки и, соответственно, с трехфазной мини-электростанцией важно соблюсти примерное равенство электрических мощностей потребителей на разных фазах (разница не должна превышать 20-25%), чтобы избежать "перекоса фаз". Выбор бензогенераторной установки оправдан только в том случае, если перебои в централизованном электроснабжении кратковременны и редки. В ситуациях, когда электроэнергия отключается надолго или мини-электростанция будет использоваться в качестве основного источника, или же требуемая мощность достаточно велика, предпочтение стоит отдать дизельному электроагрегату.

Одной из важных проблем в энергетике является обеспечение возможностей ее хранения и транспортирования. Химические источники тока позволяют вырабатывать, хранить и преобразовывать энергию. Они являются непременными спутниками любых автономных источников энергии. Запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены для промышленного применения. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий. Нельзя утверждать, что широкомасштабное использование солнечной энергии не будет иметь никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике. До того как мы научимся получать энергию в больших количествах из принципиально новых источников будут использоваться традиционные виды топлива. Поэтому разрабатываются новые месторождения и исследуются процессы, позволяющие эффективнее использовать энергию ископаемого топлива и уменьшить связанное с этим загрязнение окружающей среды.
Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели (двигатели карусельного типа), возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. Традиционная компоновка ветряков  с горизонтальной осью вращения - неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась менее эффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и  возникает опасность разрушения лопастей. Однако, несмотря на это,
ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) нашли широкое применение на практике. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные и ортогональные) также находят применение, занимая свой сегмент на рынке ветроэнергетики.

Солнце - гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины.

Верхней границы атмосферы Земли за год достигает поток солнечной энергии в количестве 5,6*1024 Дж. Атмосфера Земли отражает 35 % этой энергии обратно в космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности. Среднегодовое количество солнечной энергии, поступающей за 1 день на 1м2 поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м2 на севере до 21,4 МДж/м2 в пустынях и тропиках. Отсюда вывод, что наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии - это направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах нашей планеты. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перемещать туда, где существует дефицит солнечной энергии. Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 Вт установленной мощности. Опыт эксплуатации свидетельствует, что солнце уже в состоянии обеспечить энергопотребности, по меньшей мере, всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории. Солнечные установки практически не требуют эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте и требуют затрат лишь на их сооружение и поддержание в чистоте. Работать они могут бесконечно.

Лекция 14. Релейная защита в распределительных сетях сельскохозяйственных потребителей

Цель лекции: дать понятие того, что ни один элемент распределительных сетей не должен оставаться без внимания и быть надёжно защищён от аварийных режимов при помощи специальных средств. К устройствам релейной защиты предъявляют следующие требования: автоматическое отключение оборудования действием релейной защиты должно быть избирательным (селективным).

Содержание лекции: рассмотрены вопросы устройства защиты электрических сетей и оборудования потребителей как  непременное условие надёжности и длительного срока работы электрооборудования.

Автоматическое отключение оборудования при КЗ должно быть, по возможности, быстрым, чтобы уменьшить объем повреждения и не нарушать режим работы потребителей.

Релейная защита должна обладать определенной чувствительностью, т.е. должна приходить в действие при КЗ в любом месте защищаемой зоны и при минимальном токе КЗ. Релейная защита должна быть надежной. Устройства релейной защиты в распределительных сетях дополняются устройствами автоматики, позволяющими быстро устранять опасные послеаварийные режимы и восстанавливать электроснабжение потребителей без вмешательства оперативного персонала.

Максимальная токовая защита при междуфазных КЗ реагирует на увеличение тока в защищаемой линии. Применяется для защиты линий, имеющих одностороннее питание. Выполняется с помощью первичных реле тока прямого действия серии РТВ, а также с помощью индукционных реле тока косвенного действия РТ-80. Схемы максимальных токовых защит на реле РТВ и РТ-80 приведены на рисунке 14.1,а и 14.1,б. Селективность защит обеспечивается подбором выдержек времени, нарастающих ступенями в сторону источника питания (см.рисунке 14.2). Ступень времени At = t2 - t, 0,4 - 0,8 с. Так, при междуфазном КЗ в точке К по реле защит КА1 и КА2 будет проходить ток одного и того же значения Iк. На рисунке 14.1, б приведена схема защиты с так называемым дешунтированием электромагнитов отключения.

Включения реле в схемах максимальных токовых защит
Рисунок 14.1 - Включения реле РТВ (а) и РТ-80 (б) в схемах максимальных токовых защит

Схема участка сети  и согласование характеристик реле максимальных токовых защит

Рисунок 14.2 - Схема участка сети  и согласование характеристик реле

На пунктах автоматического секционирования и АВР для обеспечения селективности в режимах двустороннего питания устанавливаются два комплекта максимальных токовых защит, один из которых выполняется направленным в сторону основного источника питания, другой - не направленным.

Токовая отсечка. Токовая отсечка - быстродействующая токовая защита с ограниченной зоной действия. В отличие от МТЗ токовая отсечка отстраивается не от максимального рабочего тока защищаемого элемента, а от максимального тока к.з., протекающего через защиту при повреждении вне защищаемого элемента. Этим, по существу, и достигается селективность действия отсечки. Как следует из рисунка 14.3, величина тока к.з. увеличивается по мере приближения места повреждения к источнику питания и в пределах участка, являющегося зоной действия отсечки, становится больше тока срабатывания отсечки 1С0, что и приводит к срабатыванию последней. Срабатывания отсечки выбирают из условия

                                      (14.22)

коэффициент надежности (Кн = 1,3...1,4 для реле тока РТ-40 и 1,6 для реле тока РТ-80 и РТМ.

Рисунок 14.3 - Выбор тока срабатывания токовой отсечки и определение зоны действия

При расчете тока срабатывания отсечки линии напряжением 6-10 кВ, питающей несколько трансформаторных подстанций напряжением 10/0,4 кВ, ток срабатывания отсечки выбирают из условия отстройки от броска токов намагничивания всех трансформаторов, подключённых к линии:

                                      (14.22)

                                               (14.23)

Ток срабатывания реле отсечки. Коэффициент чувствительности токовой отсечки определяют как отношение минимального тока к.з. в месте установки защиты к току срабатывания:

                                      (14.24)

В соответствии с ПУЭ Кч = 2.  Для токовой отсечки, устанавливаемой на линии электропередачи и выполняющей функции дополнительной защиты линии, коэффициент чувствительности находят при максимальном токе к.з. в месте установки защиты:

                                      (14.25)

Коэффициент чувствительности Кч ~ 1,2.

Оценка токовой отсечки. Защита характеризуется абсолютной селективностью, обеспечивающей при к.з. избирательное отключение только поврежденного элемента в сетях различной конфигурации с любым числом источников питания. Достоинства защиты: простота устройства, надежность и экономичность. Основной недостаток токовой отсечки; защита не всего элемента, а только его части, причем зона ее действия зависит от режима работы системы и вида короткого замыкания. 

Максимальная токовая направленная защита. В  распределительных сетях с двухсторонним питанием обычная МТЗ не обеспечивает селективного отключения поврежденного участка. Если максимальные токовые защиты снабдить специальным органом, срабатывающим при положительном направлении мощности (от шин в линию). Защита, реагирующая как на ток в защищаемом элементе, так и на направление мощности к.з., получила название направленной максимальной токовой защиты (НМТЗ). Ток срабатывания токового пускового органа НМТЗ определяется из следующих  условий:

                                      (14.26)

где Iраб - максимальное значение рабочего тока при направлении мощности нагрузки от шин в линию (в направлении действия защиты); выдержки времени защит выбирают по встречно-ступенчатому принципу.

Защиты, действующие в одном направлении, объединяют в группу и в пределах каждой группы оценка максимальной токовой направленной защиты. Защита обеспечивает селективное отключение поврежденного элемента в сетях с двухсторонним питанием и кольцевых сетях с одним источником питания. Защита не является быстродействующей, достаточна, проста и надежна в работе. Ее применяют в качестве основной в сетях с двухсторонним питанием напряжением до 35 кВ, в качестве резервной - в сетях более высокого напряжения.

Дифференциальная токовая защита основана на непосредственном сравнении токов по концам защищаемого участка (продольная дифферен­циальная защита) или токов параллельных цепей с мало отличающимися параметрами (поперечная защита). Продольную дифференциальную защиту используют для защиты генераторов, трансформаторов, электродвигателей, линий небольшой длины, а поперечную - для защиты параллельных линий электропередач и обмоток мощных синхронных генераторов, имеющих параллельные цепи.

Участок, ограниченный трансформаторами тока, называют зоной действия дифференциальной защиты. Благодаря тому, что дифференциальная защита не реагирует на короткие замыкания за пределами своей зоны, т.е. обладает абсолютной селективностью, она может выполняться без выдержки времени и выполняется на реле типа РНТ.

Дифференциальная защита с реле ДЗТ-10. В этих реле исполнительный орган включают через БНТ, но последний имеет так называемые тормозные обмотки, в результате чего ток срабатывания реле увеличивается при внешних коротких замыканиях.

Лекция 15. Применение энергосберегающих технологий. Широкое внедрение ветровой и солнечной энергии

Цель лекции: расширить кругозор понятия энергосберегающих технологий в сельскохозяйственном производстве и рассмотреть внедрение нетрадиционных источников энергии.

Содержание лекции: рассказано о том, что одним из непременных условий эффективности электроснабжения в сельском хозяйстве является широкое использование энергосберегающих технологий и внедрение ветровой и солнечной энергии в процессы сельскохозяйственного производства.

Повышение эффективности сельскохозяйственного производства неразрывно связано с развитием энерго-ресурсосберегающих систем теплообеспечения. Именно они существенно влияют на снижение себестоимости и энергоемкости производимой сельскохозяйственной продукции. Наблюдается прямая связь производства продукции с энергозатратами, доля которых в ее себестоимости возросла с 3-8 % до 15-30 %, а по некоторым видам сельскохозяйственных объектов (теплицы, птицефабрики, другие) – до 30-50% и более. Поэтому существует острая необходимость экономного использования электрической и тепловой энергии. Обеспечение микроклимата – один из наиболее энергоемких процессов в системах теплообеспечения  животноводческих ферм. На это направляется до 60% тепловой энергии от общих затрат на теплообеспечение объекта в целом. Резервы снижения энергозатрат – точное автоматическое регулирование температурно-влажностного режима. Так, использование теплоутилизаторов рекуперативного типа позволяет экономить расход энергии в системах микроклимата до 50%.

Локальный электрообогрев молодняка животных и птицы. За счет снижения теплового фона в помещении экономия энергии на обогрев помещения достигает 30% и более. В средней и северных широтах солнечное отопление эффективно в течение 7-8 месяцев, а в зимнее время необходимо использовать ветроустановки, котлы на пеллетах и тепловые насосы.

Основными направлениями работ по электрификации тепловых процессов на перспективу должны являться:

- обоснование и разработка эффективных энергосберегающих систем и средств комплексного энергообеспечения;

- создание и широкое внедрение теплоэнергетических установок, работающих на местных видах топлива;

- обоснование и разработка новых способов и технических средств непосредственного применения электроэнергии;

- разработка и внедрение новых технических средств для электронагрева воздуха и локального обогрева молодняка животных и птицы, растений;

- создание автоматизированных систем управления электротепловыми процессами (АСУ ЭТП) на животноводческих фермах.

Основной задачей сельскохозяйственной теплоэнергетики следует считать снижение энергоемкости сельскохозяйственной продукции. Общая структура теплоэнергетических ресурсов для сельского хозяйства, помимо традиционных источников энергии – нефти, газа, электроэнергии, включает также солнечную энергию, энергию биологической массы, вторичные энергоресурсы и т.д.

В настоящее время важным приоритетом стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на период до 2015 г. является

снижение удельных затрат на производство и использование энергоресурсов за счет внедрения энергосберегающих технологий и оборудования. Вот те направления, в которые должны и будут направляться инвестиции в РК:

- разработка и внедрение энергосберегающих технологий с использованием теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения объектов;  

- разработка и внедрение ветровых энергетических установок (ВЭУ) РК;

- использование энергии водных ресурсов - строительство мини – ГЭС в РК;  

- разработка и внедрение энергосберегающих технологий с использованием солнечной энергии.

Современное состояние и перспективы развития энергетики в РК.
Угольная энергетика. 72% электроэнергии в Казахстане вырабатывают 37 тепловых электростанций, работающих на углях Экибастузского, Майкубинского, Тургайского и Карагандинского бассейнов. Наибольшую выработку электроэнергии осуществляет Аксусская (Ермаковская) ГРЭС.  Мешает полному использованию два фактора: низкий уровень добычи углей и неразвитость казахстанской инфраструктуры ЛЭП, угольная энергетика, к сожалению, дает и основное загрязнение природной среды.

Гидроэлектроэнергия. В Казахстане имеются значительные гидроресурсы, теоретически мощность всех гидроресурсов страны составляют 170 млрд. кВт·ч в год. Крупнейшие ГЭС: Бухтарминская, Шульбинская, Усть-Каменогорская (на реке Иртыш) и Капчагайская (на реке Или) обеспечивающие 10 % потребностей страны. В Казахстане планируется увеличение использования гидроресурсов в среднесрочном периоде. В стадии строительства находится Мойнакская ГЭС (300 МВт), проектируются Булакская ГЭС (78 МВт), Кербулакская ГЭС (50 МВт) и ряд малых ГЭС.

Электроэнергия из природного газа. В Казахстане имеются значительные ресурсы попутного газа, добываемого вместе с нефтью. Его сжигание дает до 10% электроэнергии страны, составляя основную ее часть на западе Казахстана.

Атомная энергия. Единственная атомная электростанция в Казахстане находилась в городе Актау с реактором на быстрых нейтронах с мощностью в 350 МВт. АЭС работала в 1973 - 1999 годах. В настоящий момент атомная энергия в Казахстане не используется, несмотря на то, что запасы урана в стране оценены в 469 тысяч тонн. Атомная энергетика является источником повышенного риска катастрофического типа, когда все текущие малые преимущества по ее использованию перекрываются ущербом от возможных и реально происходящих катастроф таких, как Чернобыльская катастрофа и Фукусимская катастрофа.                                                                   

Удельный вес альтернативных энергоресурсов в Казахстане сегодня составляет не более 0,2 % суммарной выработки электроэнергии.

Ветровая энергетика в Казахстане не развита, несмотря на то, что для этого есть подходящие природные условия. Например, в районе Джунгарских ворот и Чиликского коридора, где средняя скорость ветра составляет от 5 до 9 м/с. Развитие ветровой энергетики требует квалифицированного подхода, который может осуществить лишь профессионально подготовленный инженерно-конструкторский корпус. Сложность разработки эффективных ветровых электростанций определяется многими проблемами: рассеянность энергии ветра; крайняя неравномерность выработки энергии; спорадическое возникновение ураганов и наледей, разрушающих аэродинамические устройства ветровых электростанций.

Солнечная энергетика. Использование солнечной энергии в Казахстане также незначительно, при том, что годовая длительность солнечного света составляет 2200 - 3000 часов в год, а средняя мощность - 130 - 180 Вт/м2. Такое положение связано с тем, что стоимость электрической энергии и энергоносителей в Казахстане относительно низка, а поэтому солнечным электростанциям трудно конкурировать с тепловыми и дизельными.

Ветровая, солнечная энергетики являются идеально экологичными, так как совершенно не загрязняют природную среду. Кроме того, при правильной организации солнечные электростанции могут улучшить инсоляционный баланс поверхности в условиях аридной переинсоляции на юге, и тем самым создать микроклимат для более эффективного сельскохозяйственного использования земли.

Список литературы

1.  Будзко Н.А., Левин М.С. Электроснабжение сельскохозяйственных предприятий и населённых пунктов. 1985 -319 с.

2.  Фёдоров А.А. Основы электроснабжения промышленных  предприятий. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: «Энергия», 1972. -416 с. с  ил.

3.  Справочник по проектированию электроснабжения. Под редакцией Ю.Г.Барыбина и др. – М.: Энергоатомиздат,1990. – 576 с.

4.  Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие. -2-е изд., стер. – М.: « КноРус». 2012. – 240 с.

5.  Андреев В.А. Релейная защита, автоматика и телемеханика в системах электроснабжения. Учебник. 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Высшая школа, 1985. – 391 ., ил.

6.  Иерусалимов М.Е., Орлов Н.Н. Техника высоких напряжений: Учебное пособие для техникумов.- Киев: Издательство Киевского университета, 1967. – 444 с.

7.  Воротницкий В., Бузин С. Реклоузер – новый уровень автоматизации и управления ВЛ 6(10) кВ. – журнал «Новости Электротехники» №3(33), 2005.

8.  Кудрин Б.И. Электроснабжение: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования – М.: Издательский центр «Академия», 2012.- 2-е издание.-352 с.

 

Св. по план 2013 г., поз. 239

Васильев Владимир Алексеевич
Асанова Камиля Майдиновна

 

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ.
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Конспект лекций
для студентов специальности
5В081200 – Энергообеспечение сельского хозяйства

 

Редактор Л.Т.Сластихина
Специалист по стандартизации   Н.К. Молдабекова

 

Подписано в печать ________
Формат 60х84 1/16
Тираж  50экз.
Бумага типографская №1
Объем  3,9уч.-изд.л.
Заказ ____.Цена  390 тг.

 

Копировально-множительное бюро
Некоммерческое акционерное общество
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013, Алматы, ул. Байтурсынова, 126