Алматинский институт энергетики и связи
Кафедра « Электрические станции, сети и системы»
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
Конспект лекций для студентов специальности 050718
“Электроэнергетика”
(специализация «Электроэнергетические
системы и сети»)
Алматы 2006
CОСТАВИТЕЛИ: В.Н. Сажин, Н.А. Генбач. Электроэнергетика. Конспект лекций (для студентов всех форм обучения специальности 050718 - Электроэнергетика). - Алматы: АИЭС, 2006. - 39 с.
В методической разработке описаны основные преимущества электроэнергетических систем, приведены конструкции основных элементов воздушных и кабельных линий, рассмотрены характеристики и параметры элементов электрических сетей, проблемы, связанные с передачей электроэнергии на расстояние, а также новые перспективные способы передачи энергии.
Ил. 17, табл.1, билиогр.-5 назв.
Рецензент: канд. техн. наук, проф. В.Н. Борисов
С Алматинский
институт энергетики и связи,
Введение
Электрическая энергия является наиболее универсальным видом энергии. Она очень просто и экономично может быть преобразована в другие виды энергии – тепловую, механическую, световую и т.д. Электрическая энергия находит значительное применение в устройствах автоматики, электроники и т.п., без которых невозможны современные аппараты и технические сооружения. Поэтому в настоящее время электрическая энергия широко используется во всех отраслях хозяйственной деятельности нашей республики.
Вопросы составления энергетического баланса, определения перспектив развития отдельных районов и использования сырьевых ресурсов, выбора мощности и месторасположения электростанций, размещения крупных энергоемких предприятий, объединения энергосистем не могут быть решены без учета электрических сетей. При этом нельзя выбирать отдельно наивыгоднейшие параметры электростанций, электрических сетей и т.п. Эти вопросы необходимо решать комплексно с учетом взаимного влияния таким образом, чтобы было обеспечено наиболее эффективное и рациональное использование имеющихся энергетических ресурсов. Только после этого можно вести рабочее проектирование отдельных элементов электрических систем: электростанций, электрических сетей различных напряжений, устройств защиты и автоматики и т.п.
Линии электропередачи и оборудование электростанций и подстанций в период их работы могут повреждаться под влиянием различных воздействий, например атмосферных. В результате может возникать нарушение электроснабжения потребителей. При объединении электростанций на параллельную работу необходимо учитывать предельные значения мощностей, которые могут быть переданы по этим линиям. В случае превышения предельных значений может быть нарушена устойчивость параллельной работы электростанций, что приведет к нарушению электроснабжения потребителей.
Таким образом, с условиями работы электрических сетей связаны условия работы всех объектов, входящих в электрические системы и, в частности, электростанций. Условиями работы сетей определяются требования ко всем устройствам зашиты и автоматики, а также требования к устройствам грозозащиты и защиты от коммутационных перенапряжений.
Лекция 1. Общие понятия об электроэнергетических системах и электрических сетях
Содержание лекции:
- назначение электроэнергетических систем и электрических сетей и их характерные особенности.
Цели лекции:
- изучение преимуществ электроэнергетических систем, рассмотрение классификации электрических сетей и требований, предъявляемых к ним.
1.1 Общие положения
Под электроэнергетической,
или электрической системой, обычно
понимают электрическую часть энергетической системы. При этом под энергетической системой понимают
совокупность всех звеньев цепочки получения, преобразования, распределения и использования
всех видов энергии. Таким образом, энергетическая система состоит из источников
энергоресурсов, котлов, турбин, генераторов, бойлеров, линий электропередачи,
трансформаторов и потребителей электрической энергии.
Электроэнергетическая система производит,
преобразует, распределяет и потребляет исключительно электрическую энергию.
Обеспечивает объединение электростанций между собой, которые с помощью линий
электропередачи связываются с потребителями электроэнергии. При этом получаются
существенные технико-экономические преимущества:
- возможность увеличения единичной
мощности генераторов и электростанций. Это снижает стоимость 1 кВт
установленной мощности;
- значительное повышение надежности
электроснабжения потребителей;
- повышение экономичности работы различных типов электростанций. При этом обеспечиваются наиболее эффективное использование мощности ГЭС и более экономичные режимы работы ТЭС;
- снижение необходимой резервной мощности
на электростанциях.
Электрические
сети – это элементы электроэнергетической системы, предназначенные для передачи и распределения электрической
энергии. Они состоят из линий электропередачи, подстанций, распределительных и
переключательных пунктов.
1.2 Классификация электрических сетей
Электрические сети целесообразно
классифицировать по ряду показателей, основными из которых являются:
конструктивное исполнение, род тока, номинальное напряжение, назначение сети,
конфигурация схемы сети.
По конструктивному исполнению различают воздушные,
кабельные линии и внутренние проводки. Воздушной называется линия, выполненная
неизолированными проводами, которые с помощью изоляторов подвешиваются над
землей на опорах.
Кабелем называется система проводов, изолированных взаимно и от окружающей среды. Линии, выполненные кабелем, или кабельные линии, обычно прокладываются в земле. Это имеет свои преимущества – безопасность, сокращение территории, необходимой для отчуждения, но и свои недостатки – большая стоимость, затрудненность эксплуатации и устранения повреждений, сложность изготовления.
Внутренние
проводки выполняются изолированными проводами, прокладываемыми на изоляторах
или в трубах по стенам и потолкам зданий или внутри стен, а также специальными шинопроводами.
По роду тока различаются сети переменного и постоянного тока.
Основные сети переменного тока имеют трехфазное исполнение.
Сети
постоянного тока выполняются в настоящее время относительно редко, для сетей
промышленных предприятий (например, в цехах электролиза, на алюминиевых
заводах).
По напряжению электрические сети можно разделить на низковольтные (до 1000 В) и высоковольтные (выше 1000 В).
По
назначению разделяются сети на питающие и
распределительные. Питающей линией называется линия, питающая распределительный
пункт или подстанцию от центра питания без распределения электроэнергии по ее
длине. Распределительной линией считается линия, питающая ряд трансформаторных
подстанций или вводы к электроустановкам потребителей.
По
конфигурации схемы сети различаются на разомкнутые
и замкнутые. К разомкнутым относятся сети,
образованные линиями, нагрузки которых могут получать электроэнергию только с
одной стороны (рисунок 1.1). Замкнутыми сетями называются такие сети, по
которым возможно осуществить электроснабжение потребителей не менее, чем с двух
сторон (рисунок 1.2 а,б).
Рисунок 1.1
Рисунок
1.2
1.3 Требования, предъявляемые к электрическим сетям
Электрические сети должны обеспечивать надежное
электроснабжение потребителей и требуемое количество электроэнергии. При этом
работа сетей должна соответствовать требованиям наибольшей экономичности. Это
относится и к условиям проектирования, и к условиям эксплуатации. Можно
выделить пять основных требований к сетям:
Надежность
работы. Вопрос о надежности электроснабжения потребителей возникает в связи
с тем, что практически все элементы сети с течением времени повреждаются.
Повреждения могут происходить при
повышении грозовой деятельности, усиленных ветровых воздействиях, тяжелых
гололедных образованиях и т.п. Повышение надежности электроснабжения может
обеспечиваться не только снижением повреждаемости и резервированием элементов
сети, но и другими способами, которые могут оказаться более
оправданными экономически. Для осуществления надежного электроснабжения,
кроме резервирования, необходимы надежно действующие устройства релейной защиты
и автоматики: АПВ – автоматического повторного включения, АРВ – автоматического
включения резерва, АЧР – автоматической частотной разгрузки и др.
Качество
электроэнергии. Каждый потребитель должен получать качественную
электроэнергию. Это определяется основными показателями качества энергии:
уровнем напряжения, уровнем частоты, симметрией трехфазного напряжения и формой
кривой напряжения.
Качество электроэнергии в современных
протяженных электрических сетях с большим количеством электроприемников
зависит от многих условий работы сети. Оно оказывается практически различным в
разных местах сети, но может регулироваться
применением специальных устройств.
Экономичность. Чтобы сеть была
экономичной, необходим выбор наиболее целесообразных конфигураций схем сети,
напряжений сечений проводов и т.д. Поэтому намечается ряд вариантов, которые
сравниваются между собой по установленному критерию, называемому “приведенные
затраты”. Этот критерий учитывает потери энергии, капитальные вложения и ущерб.
Вариант, у которого приведенные затраты минимальные, является оптимальным.
Безопасность
и удобство эксплуатации. Для обеспечения безопасности персонала согласно
Правилам технической эксплуатации (ПТЭ) применяют заземления, ограждения,
сигнализацию, специальную одежду и другие приспособления.
Кроме обеспечения безопасности, должно быть
предусмотрено также удобство эксплуатации: удобство различного рода
переключений, подхода к ремонтируемому оборудованию, достаточного прохода для
осмотров и т.д.
Возможность
дальнейшего развития. Электрическая сеть вследствие увеличения нагрузок, а
также непрерывного появления новых потребителей все время находится в состоянии
развития и реконструкции. Заменяются, реконструируются линии и трансформаторные
подстанции. Необходимо так проектировать электрическую сеть, чтобы была
возможность дальнейшего расширения без коренного переустройства сети.
Лекция 2. Конструктивные элементы воздушных линий
электропередачи
Содержание лекции:
- провода ВЛ и грозозащитные
тросы, опоры ВЛ, изоляторы и линейная
арматура.
Цели
лекции:
- изучение конструктивных особенностей воздушных линий электропередачи.
2.1 Общие положения
Воздушные линии электропередачи (ВЛ) предназначены для передачи электроэнергии на расстояние
по проводам. Основными конструктивными элементами являются провода,
грозозащитные тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура. Провода служат для передачи электроэнергии. Для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений в верхней части опор над
проводами монтируют грозозащитные тросы.
Опоры
поддерживают провода и тросы на определенной высоте над уровнем земли или воды.
Изоляторы предназначены для изоляции
провода от опоры. Линейная арматура
предназначена для крепления провода к изоляторам и изоляторов к опорам.
Наибольшее распространение получили одно- и двухцепные ВЛ. Одна цепь трехфазной ВЛ состоит из проводов разных фаз. Две цепи могут располагаться на одной опоре.
2.2
Провода ВЛ и грозозащитные тросы
На воздушных линиях применяются
неизолированные провода. Наибольшее распространение получили алюминиевые, сталеалюминиевые провода, а также из сплавов алюминия – АН,
АЖ. Грозозащитные тросы, как правило, изготавливаются из стали. Кроме защиты ВЛ от грозовых перенапряжений, тросы используются для
организации высокочастотных каналов связи. Такие тросы выполняются сталеалюминиевыми.
На
рисунке 2.1 представлены конструкции
проводов ВЛ. Однопроволочный провод состоит из одной
круглой проволоки. Такие провода дешевле многопроволочных, однако
они имеют меньшую механическую прочность. Многопроволочные провода из одного
металла (рисунок 2.1б) состоят из
нескольких свитых между собой проволок. При увеличении сечения растет
количество проволок. В многопроволочных проводах из двух металлов - сталеалюминиевых проводах ( рисунок
2.1 в) – внутренние проволоки
(сердечник провода) выполняются из стали, а верхние - из алюминия.
а) б) в)
Рисунок 2.1 - Конструкции проводов воздушных линий
Стальной сердечник предназначен для
увеличения механической прочности. Алюминий служит токопроводящей частью
провода.
Алюминиевые однопроволочные
провода вообще не выпускаются из-за их низкой прочности. Многопроволочные
алюминиевые провода обычно применяются в распределительных сетях до 35 кВ, а в
сетях с более высоким напряжением применяются сталеалюминиевые
провода. Выпускаются алюминиевые провода марок А и
АКП.
Сталеалюминиевые
провода наиболее широко применяются на ВЛ. Проводимость стального сердечника не
учитывается, а за электрическое сопротивление принимается сопротивление
алюминиевой части. Выпускаются сталеалюминиевые
провода марок АС, АСКС, АСКП, АСК.
В обозначение марки провода вводится
сечение алюминиевой части провода и сечение стального сердечника, например АС
120/19 или АСКС 150/34.
2.3 Опоры ВЛ
Опоры ВЛ делятся
на анкерные и промежуточные. Эти опоры различаются способом подвески проводов.
Промежуточные опоры служат для поддержания провода с помощью поддерживающих гирлянд
изоляторов. Анкерные опоры предназначены
для натяжения проводов. Расстояние между промежуточными опорами
называется промежуточным пролетом или просто пролетом, а расстояние между
анкерными опорами – анкерным пролетом.
Анкерные опоры предназначены для жесткого
закрепления проводов в особо ответственных точках ВЛ:
на пересечениях важных инженерных сооружений ( например, железных и
автомобильных дорог), на концах ВЛ и на концах прямых ее участков. Анкерные
опоры значительно сложнее и дороже промежуточных, и поэтому их число на каждой
линии должно быть минимальным.
В точках поворота линии устанавливают
угловые опоры. Они могут быть анкерного или промежуточного типа.
На ВЛ применяются
специальные опоры следующих типов: транспозиционные – для изменения порядка
расположения проводов на опорах; ответвительные – для
выполнения ответвлений от основной линии; переходные – для пересечения рек, ущелей и т.д.
По материалу опоры делятся на деревянные, металлические и железобетонные.
Деревянные опоры применяются на ВЛ до 110 кВ включительно в основном в районах, богатых
лесными ресурсами. Недостаток деревянных опор – подверженность древесины
гниению и вследствие этого небольшой срок службы.
Металлические опоры (стальные) применяются на ВЛ 35
кВ и выше, обладают высокой механической прочностью и большим сроком службы
(рисунок 2.2). Однако они требуют большого количества металла и регулярной
окраски.
а) б)
Рисунок 2.2 - Промежуточные металлические
опоры двухцепных
линий:
а – напряжением 220 кВ; б-
330 кВ ( размеры в метрах)
Железобетонные опоры (рисунок 2.3) применяются для всех классов напряжений до 500 кВ
включительно, долговечней деревянных, отсутствует коррозия деталей, просты в
эксплуатации и поэтому получили широкое распространение. Они имеют меньшую
стоимость, но обладают большой массой и относительной хрупкостью поверхности
бетона, а также малую прочность на поперечный изгиб.
а) б) в)
Рисунок 2.3 - Промежуточные железобетонные
опоры одноцепных
линий:
а - напряжением 35 кВ; б – 110 кВ; в – 220 кВ (размеры в метрах)
2.4
Изоляторы и линейная арматура
Изоляторы изготавливаются из фарфора или
закаленного стекла и бывают двух видов: штыревые – для линий до 1 кВ и 6 –35
кВ; на линиях 35 кВ они применяются редко – только для малых сечений;
подвесные - для линий 35 кВ и выше.
Подвесные изоляторы собираются в поддерживающие провод гирлянды на
промежуточных опорах, а натяжные
гирлянды – на анкерных опорах.
а) б)
Рисунок 2.4 - Штыревые фарфоровые
изоляторы:
а -
напряжением до 1 кВ; б - напряжением 10 кВ
В подвесных гирляндах
провод только поддерживается с помощью зажимов, в натяжных – закрепляется
наглухо. Натяжные гирлянды находятся в более тяжелых условиях, чем
поддерживающие. Поэтому на линиях до 110 кВ число изоляторов принимается на
один больше.
а) б)
Рисунок 2. 5 - Подвесные
изоляторы ПФ (а) и ПС (б)
Лекция 3. Основные сведения о конструкции
кабельных линий
Содержание лекции:
-
основные элементы силового кабеля.
Цели
лекции:
- изучение конструктивных особенностей элементов
силовых кабелей и их характеристик.
Силовые кабели состоят из одной или
нескольких токоведущих жил, отделенных друг от друга и от земли изоляцией.
Поверх изоляции для ее предохранения от влаги, кислот и механических повреждений накладывают
защитную оболочку и стальную ленточную броню с защитными покровами. Токоведущие жилы, как правило,
изготавливаются из алюминия как однопроволочными (сечением до 16 мм2),
так и многопроволочными.
Изоляция
выполняется из специальной пропитанной минеральным маслом кабельной бумаги,
накладываемой в виде лент на токоведущие жилы. При прокладке кабелей на
вертикальных и крутонаклонных трассах возможно
перемещение пропитывающего состава вдоль кабеля. Поэтому для таких трасс
изготавливаются кабели с обедненно-пропитанной
изоляцией и с нестекающим пропитывающим составом.
Изготавливаются также кабели с резиновой или полиэтиленовой изоляцией.
Защитные
оболочки, накладываемые поверх изоляции для ее предохранения от влаги и
воздуха, бывают свинцовыми, алюминиевыми или поливинилхлоридными. Рекомендуется
широко использовать кабели в алюминиевой оболочке. Кабели в свинцовой оболочке
предусмотрены для прокладки под водой, в угольных и сланцевых шахтах, в особо
опасных коррозионно- активных средах. В остальных случаях выбор кабелей в
свинцовой оболочке необходимо специально технически обосновать.
Свинцовые, алюминиевые или
поливинилхлоридные оболочки надо защитить от механических повреждений. Для
этого на оболочку накладывают броню из стальных лент или проволок. Алюминиевая
оболочка и стальная броня в свою очередь подлежат защите от коррозии и химического воздействия. Для этого между
оболочкой и броней, а также поверх брони накладывают внутренний и внешний
защитные покровы. Внутренний защитный покров (или подушка под броней) – это
джутовая прослойка из хлопчатобумажной пропитанной пряжи или из кабельной
сульфатной бумаги. Поверх этой бумаги накладывают еще две поливинилхлоридные
ленты. Наружный защитный покров также из джута, пропитанного антикоррозийным
составом. Для прокладки в туннелях и других местах, опасных в пожарном
отношении, применяют специальные кабели с негорючими защитными покровами.
На рисунке 3.1 показан трехжильный кабель 1
– 10 кВ с бумажной изоляцией.
Рисунок 3.1-Устройство трехжильного кабеля напряжением 1-10 кВ с секторными жилами:
1 – алюминиевые токоведущие жилы; 2 – бумага, пропитанная маслом (фазная изоляция ); 3- джутовые заполнители; 4 – бумага, пропитанная маслом (поясная изоляция); 5 – свинцовая или алюминиевая оболочка; 6 – прослойка из джута; 7 – стальная ленточная броня; 8 - джутовый покров.
Марки кабелей состоят из начальных букв слов, характеризующих их конструкцию. Первая буква А соответствует алюминиевым жилам. Оболочки кабелей обозначаются буквами: А – алюминиевая, С – свинцовая, В – поливинилхлоридная, Н – резиновая, наиритовая; П – полиэтиленовая; кабели с отдельно освинцованными жилами маркируются буквой О. Обозначения марок кабелей с различными бронированными защитными покровами отмечаются следующими буквами: Б – стальные ленты, П – плоские стальные оцинкованные проволоки, К - такие же проволоки, но круглые.
Рядом с маркой кабеля обычно указывают число и сечение токоведущих жил кабеля. Например, ААБ 3х120 означает: кабель с алюминиевыми жилами в алюминиевой оболочке, бронированный стальными лентами, с тремя жилами сечением 120 мм2.
Газонаполненные
кабели применяются при напряжении 10 – 110 кВ. Это освинцованные кабели с
изолирующей бумагой, пропитанной относительно малым количеством компаунда.
Кабель находится под небольшим избыточным давлением инертного газа (обычно
азота), что значительно повышает изолирующие свойства бумаги. Постоянство давления
обеспечивается тем, что утечки газа компенсируются непрерывной подпиткой.
Кабели переменного тока напряжением 110 и
220 кВ изготавливаются маслонаполненными.
Масло находится под давлением. В зависимости от этого отличают кабели среднего
(для сетей 110 кВ) и высокого (для 220 кВ) давлений. Давление масла
поддерживается баками давления, установленными по трассе линии. Давление масла
предотвращает появление воздуха и его ионизацию, устраняя одну из основных
причин пробоя. Для нахождения мест утечек масла кабели снабжаются сигнализацией
давления масла.
Лекция 4. Схемы замещения, параметры воздушных и кабельных линий
Содержание лекции:
- схемы замещения, параметры линий с одиночными и расщепленными проводами, параметры кабельных линий.
Цели лекции:
- определение параметров схем замещения воздушных и кабельных линий
Воздушные линии электропередачи напряжением
110 кВ и выше длиной до 300-
Рисунок 4.1
Активное
сопротивление проводов и кабелей определяется материалом токоведущих жил и
их сечениями. Погонное активное сопротивление (на
r= , (4.1)
где r - удельное сопротивление
материала проводника ();
F - сечение
провода, мм.
Активное сопротивление линии, длиной l определяется
R=r×l .
Реактивное сопротивление. Величина погонного индуктивного сопротивления линии определяется
х= w×(4,6×lg + 0,5m)×10, (4.2)
где w = 314 - угловая частота при 50 Гц;
D - среднегеометрическое расстояние между проводами;
r - радиус провода.
Для проводов из цветного металла (μ=1) при промышленной частоте 50 Гц формула (4.2) примет вид
х= 0,144×lg + 0,016. (4.3)
Среднегеометрическое расстояние между проводами одноцепной трехфазной линии
D= ,
где D, D, D - расстояние между проводами отдельных фаз.
При расположении проводов по вариантам равностороннего треугольника все провода находятся на одинаковом расстоянии относительно друг друга, и среднегеометрическое расстояние D=D (рисунок 4.2).
При горизонтальном расположении проводов (рисунок 4.3).
.
Рисунок 4.2 Рисунок 4.3
На линиях 330 кВ и выше применяются расщепленные провода. На таких линиях каждая фаза имеет не один, а несколько проводов. Это приводит к увеличению радиуса фазы, который определяется по выражению
, (4.4)
где - радиус отдельных проводов, входящих в расщепленную
фазу линии;
n - число проводов в одной фазе;
а - расстояние между проводами в фазе.
Индуктивное сопротивление линии с расщепленными проводами
.
Для линии длиной l индуктивное сопротивление
.
Активная проводимость линий обусловлена потерями активной мощности от токов утечки через изоляцию и от электрической короны на проводах.
Если утечкой в линиях пренебречь, то активная проводимость, обусловленная короной определяется
, (4.5)
где - потери мощности на корону, кВт/км;
U - номинальное напряжение.
Основными мерами по снижению потерь на корону является увеличение сечений проводов, расщепление или применение полых проводов.
Реактивная проводимость обусловлена наличием емкости между проводами и землей и имеет емкостной характер. Она определяется известным выражением.
b=w×С,
где С - рабочая емкость линии, Ф/км.
Рабочая емкость линии зависит от диаметра проводов, их взаимного расположения, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды.
В практических расчетах электрических сетей рабочую емкость трехфазной воздушной линии с одним проводом на фазу определяют по формуле
С=. (4.6)
При частоте переменного тока 50 Гц
b=. (4.7)
Емкостная проводимость всей линии
B = b×l.
Зарядный ток линии. Под действием приложенного к линии переменного напряжения в емкости линии возникает переменное электрическое поле и возникает реактивный ток. Этот ток называется емкостным или зарядным током линии.
I×b=U×b=b. (4.8)
Зная емкостной ток линии, легко определить емкостную или зарядную мощность линии.
Qb= ×U×I×b= ×U××b= U×b , (4.9)
где U – рабочее линейное напряжение, кВ.
Кабельные линии электропередачи представляются такой же П-образной схемой замещения, что и воздушные линии. Погонные активные и реактивные сопротивления r и x определяют по справочным таблицам так же, как и для воздушных. Из выражений (4.3) и (4.7) видно, что х уменьшается, b растет при сближении фазных проводов. Для кабельных линий расстояние между фазами значительно меньше, чем для воздушных и х очень мало. При расчетах режимов для кабельных сетей напряжением 10 кВ и ниже можно учитывать только активное сопротивление. Емкостной ток и зарядная мощность в кабельных линиях больше, чем в воздушных. В кабельных линиях высокого напряжения учитывают Q. Активную проводимость G учитывают для кабелей 110 кВ и выше.
Лекция 5. Схемы замещения, параметры трансформаторов и автотрансформаторов
Содержание лекции:
- схемы замещения, параметры двухобмоточных, трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов.
Цели лекции:
- определение параметров схем замещения трансформаторов и автотрансформаторов.
Двухобмоточные трансформаторы обычно имеют Г-образную схему замещения (рисунок 5.1)
Рисунок 5.1
К числу основных параметров трансформаторов относятся: потери короткого замыкания , потери холостого хода , напряжение короткого замыкания и ток холостого хода i. Эти данные позволяют определить все сопротивления и проводимости схемы замещения трансформатора.
Активная мощность, потребляемая трансформатором в опыте короткого замыкания, практически целиком расходуется на нагрев его обмоток.
откуда (5.1)
Напряжение короткого замыкания U складывается из двух составляющих: падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях от тока, протекающего в режиме короткого замыкания. Причем в современных крупных трансформаторах первая составляющая намного меньше, чем вторая, так как R<<Х. Пренебрегая падением напряжения в активном сопротивлении трансформатора, можно считать
(5.2)
откуда (5.3)
Проводимости G и B схемы замещения трансформатора определяются по результатам опыта холостого хода, в котором при разомкнутой вторичной обмотке к первичной обмотке подводится номинальное напряжение.
откуда (5.4)
(5.5)
Мощность S в относительных единицах равна току холостого хода в процентах, который указывается в паспортных данных трансформаторов
.
Трехобмоточные трансформаторы представляются схемой замещения в виде трехлучевой звезды (рисунок 5.2)
Рисунок 5.2
Современные трехобмоточные трансформаторы выполняются с соотношением мощностей обмоток 100/100/100%, т.е. каждая из обмоток расчитана на передачу всей мощности.
Активные сопротивления лучей звезды в схеме замещения трехобмоточного трансформатора определяют по общему сопротивлению трансформатора.
При равенстве мощностей обмоток
R=R=R=0,5R.
Общее сопротивление трансформатора R определяют по формуле (5.1), в которую подставляют DР максимальные потери мощности короткого замыкания при номинальной нагрузке обмотки НН, обозначенные в паспортных данных трансформатора.
Для трехобмоточных трансформаторов напряжения короткого замыкания даются заводами для каждой пары обмоток в процентах от номинального U, U, U.
Согласно эквивалентной схеме замещения лучей трансформатора при одной из обмоток, остающейся разомкнутой, можно записать
. (5.6)
Решив совместно эти уравнения относительно U, U,U, найдем
. (5.7)
Подставив эти значения в выражение (5.2), получим индуктивное сопротивление каждой обмотки трансформатора.
Проводимости не зависят от числа обмоток в трансформаторе и определяются так же, как и для двухобмоточного.
Автотрансформаторы так же, как и трансформаторы, характеризуются номинальными напряжениями и номинальной мощностью. Под номинальной мощностью автотрансформатора понимается предельная мощность, которая может быть передана через автотрансформатор на стороне высшего напряжения
S=×I×U.
На рисунке 5.3 приведена схема соединения обмоток одной фазы автотрансформатора.
Рисунок 5.3
Из схемы видно, что часть обмотки высшего напряжения ВСО, заключенная между точками С и О, является обмоткой среднего напряжения U и называется общей обмоткой, а другая ее часть ВС – последовательной обмоткой. Таким образом, у автотрансформаторов обмотка среднего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, т.е. эти обмотки связаны между собой электрически, а обмотка низшего напряжения U имеет магнитную связь с ними.
Для характеристики автотрансформаторов введено понятие типовой мощности, на которую рассчитывается последовательная обмотка.
. (5.8)
Умножим и разделим это выражение на U, получим
, (5.9)
где a=1 - - коэффициент выгодности автотрансформатора.
В понижающем автотрансформаторе ток в общей обмотке равен разности токов обмоток высшего и среднего напряжений, т.е.
I=II.
Поэтому эта обмотка рассчитывается на ток, меньший номинального тока автотрансформатора, протекающего на высшей обмотке. Расчетная мощность этой обмотки меньше номинальной мощности автотрансформатора и равна его типовой мощности. Обмотка низшего напряжения рассчитывается также на передачу типовой мощности.
Схема замещения автотрансформатора так же, как и у трехобмоточного, в виде трехлучевой звезды. При соотношении мощностей обмоток автотрансформатора 100/100/50% активные сопротивления лучей определяются
R=R, R=2R=2R.
Индуктивные сопротивления определяются так же, как и для трехобмоточных трансформаторов.
Лекция 6. Расчеты режимов разомкнутых
электрических сетей
Содержание
лекции:
-
расчет линии с нагрузкой на конце по потере напряжения.
Цели лекции:
-
изучение методов расчета разомкнутых сетей.
Рассмотрим простейшую линию
трехфазного тока с симметричной нагрузкой на конце (рисунок 6.1).
Рисунок 6.1
Нагрузка задана либо током I и cosj при фазном напряжении U на конце линии, либо
мощностью S = P + jQ.
Расчет проводится с
помощью векторной диаграммы токов и напряжений для одной фазы линии, что
допускается, так как нагрузка во всех фазах симметрична.
Рисунок 6.2 - Векторная
диаграмма линии с нагрузкой на конце
Известны ток
нагрузки I, cosj и напряжение U. Необходимо определить U. По действительной оси
откладываем вектор заданного напряжения в конце линии U (ОА). Из начала координат
откладываем вектор тока I под углом j. Его активная составляющая направлена по
действительной оси I, а реактивная составляющая
-jI- по мнимой оси в
отрицательном направлении. Таким образом, при принятом расположении вектора
напряжения и тока на векторной диаграмме знак минус у мнимой части комплекса
тока характеризует индуктивный (отстающий) ток нагрузки потребителя.
Далее из точки А
откладываем параллельно вектору тока I вектор падения напряжения в
активном сопротивлении линии IR (АВ) и под углом 90 к
нему в сторону опережения – вектор падения напряжения в реактивном
сопротивлении IX (ВС). Соединив точку А с точкой С, получим вектор полного падения напряжения в
рассматриваемой линии IZ (АС). Чтобы найти
напряжение U, соединим точку С с началом координат, получаем
вектор фазного напряжения в начале линии U (ОС).
Падение
напряжения в линии
IZ =
может быть разложено на
составляющие:
а) продольную DU = АD;
б) поперечную d U = DC,
т.е. IZ = DU + jd U.
Определим эти составляющие.
Для этого опустим перпендикуляры из точек В и С на
действительную и мнимую оси. В результате получим отрезки
АЕ = IRcosj, ED = BF = IXsinj,
CF = IXcosj, BE = DF = IRsinj.
Отсюда продольная
составляющая
DU = AD = AE + ED = IRcosj + IXsinj = IR + IX, (6.1)
d U = DC = CF - DF = IXcosj - IRsinj = IX + IR.
(6.2)
Напряжение в начале линии
= U + DU + jdU,
а модуль напряжения
U = .
(6.3)
В результате построения
диаграммы выше был получен вектор полного падения напряжения в линии. Следует
отметить, что под падением напряжения понимают геометрическую разность
потенциалов между началом и концом линии.
При расчете сетей 35
кВ и ниже обычно вводятся упрощения, заключающиеся в том, что напряжение в
начале линии определяют не по падению, а по потере
напряжения. Под потерей напряжения понимают алгебраическую разность
абсолютных значений напряжений в начале и в конце линии.
Для определения
потери напряжения на диаграмме совместим отрезок ОС с осью действительных
величин (отрезок О).
Отрезок А = О - ОА
= U - U
представляет собой потерю
напряжения.
Так как для сетей
35 кВ и ниже углы между U и U очень малы, а значит мал и отрезок D, то можно считать, что
потеря напряжения приблизительно равна продольной составляющей падения
напряжения
АD » A » DU» IRcosj + IXsinj. (6.4)
Потеря линейного напряжения
DU = DU = I(Rcosj + Xsinj) .
(6.5)
Векторная диаграмма линейных
напряжений будет выглядеть аналогично диаграмме фазных напряжений.
При задании
нагрузки активной и реактивной мощностью Р+jQ величина потери напряжения определяется следующим
образом.
Так как I= Icosj = и I= Isinj = , то, подставив эти значения в (6.5), получим
DU = (IRcosj + IXsinj) =
или DU = . (6.6)
Часто при расчетах напряжение у
потребителей бывает неизвестно, то вместо действительного в конце линии можно
принимать номинальное напряжение
DU = . (6.7)
При расчетах сети с несколькими
нагрузками величина потери напряжения определяется как сумма потерь напряжений
на всех участках сети
DU = . (6.8)
Лекция 7. Передача электроэнергии на
расстояние
Содержание лекции:
-
передача энергии переменным и постоянным током на расстояние.
Цели лекции:
- изучение возможностей передачи энергии переменным
и постоянным током на расстояние.
7.1 Передача
энергии переменным током
Необходимость сооружения линий электропередачи объясняется выработкой электроэнергии в основном на крупных электростанциях, удаленных от потребителей относительно мелких приемников, распределенных на обширных территориях.
Линии, предназначенные для распределения электроэнергии между отдельными потребителями в некотором районе и для связи энергосистем, могут выполняться как на большие, так и на малые расстояния и предназначаться для передачи различных мощностей. Для дальних передач большое значение имеет пропускная способность, т.е. та наибольшая мощность, которую можно передавать по линии с учетом всех ограничивающих факторов.
Линии электропередачи относятся к категории ответственных сооружений, надежная работа которых обеспечивается применением различных компенсирующих устройств и установок автоматического регулирования и управления.
Для воздушных линий переменного тока можно
приближенно считать, что та максимальная мощность, которую они могут передать,
примерно пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна длине
передачи. Стоимость сооружения также приближенно можно принять пропорционально
напряжению. Поэтому в развитии передач электрической энергии на расстоянии
наблюдается тенденция к увеличению напряжения как к основному средству
повышения пропускной способности. Со времени создания первых линий
электропередачи напряжение повышалось в
1,5 – 2 раза примерно каждые 10 – 15 лет. Рост напряжения давал возможность увеличивать
протяженности линий и передаваемые мощности. Так, в 20-е годы прошлого столетия
электроэнергия передавалась на максимальные расстояния примерно
Повышение пропускной способности линий достигается в основном за счет увеличения напряжения, однако существенное значение имеет также изменение конструкции линий, введение различных дополнительных компенсирующих устройств, при которых влияние параметров, ограничивающих передаваемую мощность, оказывается уменьшенным. Например, на линиях напряжением 330 кВ и выше расщепляют провода в каждой фазе на несколько электрически связанных между собой проводников, при этом существенно улучшаются параметры линий (уменьшается ее реактивное сопротивление); применяют так называемую последовательную компенсацию – включение в линию конденсаторов и т.д.
7.2 Передача энергии постоянным током
Основными элементами передачи постоянного тока являются высоковольтные теристорные блоки, из которых собираются схемы преобразовательных подстанций. При передаче постоянным током выработка и потребление электроэнергии осуществляются на переменном токе. Чтобы увеличить напряжение в линии электропередачи, напряжение переменного тока на обеих подстанциях повышают с помощью обычных трансформаторов, вентильные обмотки которых последовательно включенные мосты. Это дает возможность увеличивать напряжение линии в зависимости от числа включенных мостов.
Передача постоянного тока может быть осуществлена по одной из систем: «полюс – земля», «два полюса – земля».
Цепью передачи постоянного тока считается система «два полюса – земля», полуцепью – «один полюс – земля»). По схеме «полюс – земля») выполняются маломощные передачи постоянного тока относительно невысокого напряжения. По схеме «два полюса – земля» выполняются более мощные передачи постоянного тока.
В передаче постоянного тока переменный ток на выпрямительной подстанции передающего конца линии преобразуется в постоянный ток, по линии передается постоянный ток и только активная мощность. На приемном конце постоянный ток вновь преобразуется в переменный (инвертируется), а в приемную систему поступает переменный ток. Выпрямительная и инверторная подстанции потребляют при работе реактивную мощность из сети переменного тока на приемном и передающем концах.
В передаче энергии постоянным током высокого напряжения снимаются многие трудности, присущие линиям переменного тока: ограничение передаваемой мощности по условиям устойчивости, необходимость синхронной работы связываемых энергосистем и др. Наряду с этим возникают трудности с сооружением и эксплуатацией преобразовательных подстанций, расположенных по концам передачи. В ряде случаев передача энергии постоянным током может дать значительный технико-экономический эффект, в особенности при сооружении мощных дальних питательных магистралей, связывающих энергосистемы.
Основные преимущества передачи постоянного тока по сравнению с передачей переменного тока:
- удешевление и упрощение линии;
- большая надежность в связи с тем, что линия состоит из двух независимых полуцепей;
- зависимость предела передаваемой мощности только от экономических соображений, но не от устойчивости, поскольку устойчивость передачи определяется в основном инвертором и не зависит от ее длины;
- реализация несинхронной связи между передающей и приемной системами разных частот;
- возможность использования земли в качестве обратного провода;
- удешевление кабелей для преодоления больших водных пространств;
- возможность работы от ГЭС при переменной скорости вращения генераторов, что дает более экономичное использование турбин по условию водотока;
- уменьшение потерь на корону.
Недостатки передачи постоянного тока:
- сложность конструкции подстанций, состоящих из большого числа вентилей и другой аппаратуры;
- трудности с равномерным распределением напряжения по отдельным элементам оборудования из-за наличия многих последовательных элементов;
- искажение формы кривой напряжения и тока приемной и передающей сети из-за высших гармоник, которые генерируют преобразовательные установки при работе передачи;
- неустойчивость инвертора при понижениях напряжения в приемной сети, особенно при несимметричных понижениях;
- трудности отбора мощности, так как выключатель постоянного тока – весьма громоздкое и сложное сооружение;
- более значительное влияние пыли, оседающей под воздействием постоянного напряжения на изоляторах воздушных линий и аппаратов;
- повышенная опасность появления на изоляторах частичных дуг, которые в условиях длительной эксплуатации могут привести к снижению разрядных напряжений внешней изоляции;
- ухудшение работы линейной изоляции, особенно при плохой погоде, из-за увеличения токов утечки и неравномерного распределения постоянного напряжения по элементам подвесных и опорных изоляторов.
Перечисленные технико-экономические показатели рассмотренных электропередач показывают, что каждая электропередача имеет достоинства и недостатки. В соответствии с этим при проектировании энергосистем, выборе типа передачи, разработке нового электрооборудования следует учитывать особенности каждой электропередачи и объективно устанавливать предпочтительную область ее применения.
Лекция 8. Новые способы передачи электроэнергии
Содержание лекции:
- газовые линии электропередачи, криогенные линии
Цели лекции:
- ознакомление с новыми способами передачи электроэнергии на расстояние.
Возможности дальнейшего повышения предельных мощностей требуют увеличения напряжений и изменения конструкций линий электропередачи. Они связаны с общим техническим прогрессом, в частности, с успехами в полупроводниковой технике, созданием совершенных материалов, разработкой новых видов передачи энергии.
В последнее время большое внимание уделяется созданию новых линий с полностью измененной конструкцией, более компактных и в то же время с большой пропускной способностью. Так «закрытые» экспериментальные линии выполняются в виде замкнутых конструкций, заполненных электроизолирующим газом, с расположенными внутри проводами высокого напряжения (примерно 500 кВ).
Газовые линии электропередачи имеют очень высокие пропускные способности, значительно превосходящие возможности кабелей: у газовой линии 110 кВ пропускная способность составляет 0,25 ГВт, у линии 220 кВ – 1,2 ГВт, у линии 330 кВ – 3 ГВт, у линии 500 кВ – 6,5 ГВт. В черте крупных городов для реализации исключительно высокой пропускной способности газовых линий электропередачи потребуется сооружение подземных тоннелей с циркуляцией воздуха. Не исключено, что в ряде случаев для прокладки газовых линий можно будет использовать тоннели метро. При осуществлении мощных выводов от электростанций, вероятно, найдут применение и надземные, и тоннельные газовые линии электропередачи с пропускной способностью, соответствующей мощности блока станции.
Существует принципиальная возможность беспроводной линии электропередачи, передающей энергию с помощью электромагнитных волн или высокочастотных колебаний, направляемых по волноводу, выполненному в виде полой трубы с металлическими стенками, заполненной воздухом или другим газом. Однако масштабы передаваемых мощностей там совершенно иные, а проблема потерь энергии не стоит так остро, как в традиционных линиях электропередачи. Практическая реализация этих линий в промышленности в настоящее время неприемлема из-за низкой их эффективности.
сверхпроводящие линии с охлаждением их проводников азотом. Криогенные линии электропередачи, т.е. охлажденные ниже 80оК, делятся на две группы: гиперпроводящие и сверхпроводящие.
Линия должна быть заключена в специальную герметичную оболочку, внутри которой обеспечивается охлаждение токопроводов и поддержание низкой температуры по всей длине линии. Охлаждение линии осуществляется специальными криогенными установками, дискретно расположенными по трассе линии. Так как криогенные жидкости имеют большую теплоемкость и теплопроводность по сравнению с их парами, то поддерживаемая рабочая температура должна быть близка к температуре кипения криогенных жидкостей. На рисунке 5.1 показано типичное выполнение криогенной линии электропередачи.
Рисунок 5.1 – Типичное конструктивное выполнение пофазно- экранированной криогенной линии электропередачи переменного тока
Первая оболочка 1 криогенной линии охлаждается гелием, третья 3 – азотом. Для возврата гелия и азота предусмотрены трубы 6 и 7. Между первой и второй 2 оболочками, а также между третьей и внешней 4 оболочкой – вакуум. Токопроводы 5 погружены в гелий и закреплены в первой оболочке специальными распорками из полиэтилена или других специально подобранных синтетических материалов.
Криогенные линии электропередачи открывают совершенно новые технические возможности. У гиперпроводящих и сверхпроводящих линий электропередачи переменного тока небольшой длины, которые после разрешения огромного круга технических проблем смогут конкурировать с кабельными линиями обычного типа, достижима пропускная способность 5 – 10 ГВт. Сверхпроводящие линии электропередачи постоянного тока с пропускной способностью 100 ГВт также могли бы стать потенциальными конкурентами воздушным линиям постоянного тока, если возникнут экономические предпосылки для сверхдальнего транспорта электроэнергии в больших количествах.
Пропускные способности и критические длины кабельных, газовых и криогенных линий электропередачи 110- -500 кВ приведены в таблице 5.1
Таблица 5.1 – Пропускные способности и
критические длины кабельных, газовых и криогенных линий электропередачи небольшой
длины
Тип линии электропередачи |
Номи- нальное напряжение, кВ |
Пропускная способность, ГВт |
Критическая длина, км |
Кабельные с
естественным охлаждением |
110 |
0,1 |
30 - 40 |
220 |
0,2 |
||
330 |
0,3 |
||
500 |
0,5 |
||
Кабельные с искусственным охлаждением |
110 |
0,2 |
60 - 100 |
220 |
0,5 |
||
330 |
0,6—0,7 |
||
500 |
1—1,3 |
||
Газовые в грунте |
110 |
0,1 |
200 - 500 |
220 |
0,35—0,5 |
||
330 |
0,7-1,0 |
||
500 |
1,4-2,0 |
||
Газовые в туннеле и надземные |
110 |
0,25 |
|
220 |
1,2 |
||
330 |
3,0 |
||
500 |
6,5 |
||
Гиперпроводящие |
220 |
2,0 |
200 - 500 |
500 |
4,0 |
||
Сверхпроводящие со сверхпро- водниками II рода |
220 |
4 |
400 - 1000 |
500 |
10 |
Лекция 9. Управление электроэнергетическими системами
Содержание лекции:
- оптимальное управление режимами
электроэнергетических систем, системы
управления электроэнергетикой.
Цели лекции:
- изучение характерных свойств электроэнергетических систем и современных систем управления ЭЭС.
Управление ЭЭС осуществляется автоматическими регуляторами и устройствами противоаварийной автоматики. В последнее время для управления стали применять ЭВМ. Настройка автоматических систем управления производится методами синтеза в соответствии с заранее выбранными характеристиками таким образом, чтобы обеспечить экономичность работы системы и высокие качества отпускаемой потребителям электроэнергии.
Выбор вида используемых автоматических устройств, оценка их эффективности и влияния на надежность работы энергосистем производятся на основе оптимизационных расчетов.
Управление режимами ЭЭС должно быть оптимальным, т.е. дающим наилучший технико-экономический эффект в условиях действия противоположных факторов. Например, желая увеличить передаваемую по линии мощность, можно вызвать аварийное отключение этой линии из-за нарушения устойчивости. Одна тенденция состоит в положительном эффекте, получаемом при увеличении передаваемой мощности, другая – в отрицательных последствиях, вызванных понижением надежности и возможностью полного прекращения передачи электроэнергии по линии, причем вероятность прекращения передачи возрастает с увеличением передаваемой мощности.
Для электроэнергетической системы как объекта управления характерны наличие большого числа сложных прямых и обратных связей между многочисленными ее элементами и целевая направленность процесса функционирования.
Электроэнергетические системы относятся к категории больших систем кибернетического типа. Управление ими должно строиться с учетом сложных взаимосвязей энергетики с другими отраслями, биосферой и социальными факторами.
В системе управления электроэнергетикой важное значение имеют ЭВМ. Роль их по мере технического развития энергетических систем возрастает. При этом функции человека становятся более ответственными и творческими.
В электроэнергетических системах вся получаемая энергия немедленно потребляется. Непосредственные колебания электрической нагрузки компенсируются за счет изменения кинетической энергии вращения ротора генератора. Если нагрузка увеличивается, то мощность, вырабатываемая электрическим генератором, возрастает. При этом ротор притормозится и его кинетическая энергия уменьшится. Снижение нагрузки приведет к увеличению кинетической энергии ротора генератора.
Ротор генератора находится на одном валу с турбиной. Уменьшение частоты вращения турбины приведет в действие автоматические устройства, которые увеличат подачу пара или воды в турбину с тем, чтобы сохранить неизменной частоту вращения ротора генератора. Это в свою очередь вызовет уменьшение давления в паропроводах и парогенераторах ТЭС и приведет в действие систему автоматического регулирования режима работы парогенераторов. В результате увеличится подача воды, топлива и воздуха, необходимого для горения топлива.
Таким образом, электрическая станция хотя и не располагает запасами готовой продукции – электрической энергии, однако имеет запасы энергии на промежуточных стадиях преобразования химической энергии топлива в электрическую: механической энергии вращения турбины и генератора, а также внутренней энергии пара.
Энергетической системе свойственна динамичность. Она проявляется в быстрых реакциях на любые изменения состояния системы. Появление возмущений в системе обусловлено многими причинами: случайными атмосферными воздействиями, короткими замыканиями, изменениями нагрузки, отключениями отдельных элементов (линий, трансформаторов, генераторов) и т.д. Под влиянием больших и малых возмущений происходит изменение состояния системы. Колеблются напряжение и частота, меняются потоки мощности по соединительным линиям и т.д.
Современные энергетические системы обладают высокой степенью организованности благодаря насыщенности автоматическими управляющими элементами. В результате работ устройств управления происходит упорядочение системы, приведение ее к большей организованности. Процесс взаимодействия управляющей и управляемой систем состоит из нескольких последовательных этапов:
а) получение данных о состоянии управляемой системы, т.е. информация о ее режиме;
б) передача этой информации в управляющую систему;
в) переработка информации управляющей системой с целью выдачи управляющего сигнала (команды управления);
г) передача команды управления исполнительному органу и выполнение ее, после чего обратная передача информации о выполнении команды в управляющую систему.
Список
литературы
1. Веников В.А., Путятин Е.В. Введение
в специальность: Электроэнергетика: Учеб. для вузов. Под ред. В.А. Веникова.
– М.: Высш. шк., 1988.
2.Блок В.М. Электрические сети и системы.- М.: Высшая школа, 1986.
3. Идельчик
В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов.- М.: Энергоатомиздат,
1989.
4. Электрические системы: Электрические сети./ Под.ред. В.А. Веникова.—М.:
Высшая школа, 1997.
5. Электрические системы и сети в
примерах и иллюстрациях: Учеб. пособие для электроэнерг.
спец. Под.ред. В.А.
Строева.– М.:Высш. шк.,1999. .
Содержание
Лекция 1. Общие понятия об электроэнергетических
системах и электрических сетях……………………………………………………… 4
Лекция 2. Конструктивные
элементы воздушных линий электропередачи … 8
Лекция 3. Основные сведения
о конструкции кабельных линий…………… 13
Лекция 4. Схемы замещения,
параметры воздушных и кабельных линий…. 16
Лекция 5.
Схемы замещения, параметры трансформаторов и
автотрансформаторов………………………………………………………….
20
Лекция 7. Передача энергии
на расстояние…………………………………. 29
Лекция 8. Новые способы
передачи электроэнергии……………………… 33
Лекция 9. Управление
электроэнергетическими системами …………………36
Сводный план 2006г., поз.136