Тема 3.1 Источники, передача и распределение электрической энергии.
Электрическая энергия универсальна: она удобна для дальних передач, легко распределяется по отдельным потребителям и с помощью сравнительно несложных устройств преобразуется в другие виды энергии.
Эти задачи решает энергетическая система, в которой осуществляются преобразование энергии топлива или падающей воды в электрическую энергию, трансформация токов и напряжений, распределение и передача электрической энергии потребителям.
Источниками электрической энергии служат тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС) и атомные (АЭС) электростанции, имеющие общий режим производства энергии. Линии электропередачи, трансформаторные и распределительные устройства обеспечивают совместную работу электростанций и распределение энергии между потребителями.
Рис. 11.1. Общая схема электроснабжения
Рис. 11.2. Передвижная дизельная электростанция с синхронным генератором:
I - возбудитель постоянного тока; 2 - генератор; 3 - дизельный двигатель
Передача и распределение электроэнергии строится по ступенчатому принципу (рис. 11.1). Для уменьшения потерь в линиях электропередач (ЛЭГТ) напряжение повышают при помощи повышающих (ГГТП-1) и понижающих (ГПП-2) трансформаторов, устанавливаемых на электрических подстанциях. От крупных подстанций электроэнергия подается непосредственно к объектам, на которых на трансформаторных подстанциях (ТП) производится окончательное понижение напряжения. Распределение электроэнергии в электрических сетях производится, как правило, трехфазным переменным током частотой 50 Гц.
В начальный период строительства в удаленных районах применяют в качестве временных источников.
Потребители электроэнергии . Приемником электроэнергии (электроприемником) является электрическая часть технологической установки или механизма, получающая энергию из сети и расходующая ее на выполнение технологических процессов. Потребляя электроэнергию из сети, электроприемник, по существу, преобразует ее в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую или в электроэнергию с иными параметрами (по роду тока, напряжению, частоте). Некоторые технологические установки имеют несколько электроприемников: станки, краны, и т.п.
Электроприемники классифицируются по следующим признакам: напряжению, роду силы тока, его частоте, единичной мощности, степени надежности электроснабжения, режиму работы, технологическому назначению.
По напряжению электроприемники подразделяются на две группы: до 1000 В и свыше 1000 В.
Породу силы тока электроприемники подразделяются: на приемники переменного тока промышленной частоты (50 Гц), постоянного тока и переменного тока частотой, отличной от 50 Гц (повышенной или пониженной).
Единичные мощности отдельных электроприемников и электропотребителей различны - от десятых долей киловатта до нескольких десятков мегаватт.
По степени надежности электроснабжения правила устройства электроустановок (ПУЭ) предусматривают три категории:
1 Электроприемники I категории - электроприемники, перерыв снабжения которых электроэнергией связан с опасностью для людей или влечет за собой большой материальный ущерб (доменные цехи, котельные производственного пара, подъемные и вентиляционные установки шахт, аварийное освещение и др.). Они должны работать непрерывно.
2 Электроприемники II категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простою технологических механизмов, рабочих, промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности городских и сельских жителей.
3 Электроприемники III категории - все остальные электроприемники, не подходящие под определение I и II категорий. Электроприемники данной категории допускают перерыв электроснабжения не более одних суток.
Характеристики электроприемников . К общепромышленным установкам относятся вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки и т. п. Данная группа электроприемников относится, как правило, к первой категории надежности. Некоторые вентиляционные и компрессорные станции относятся ко второй категории надежности.
Регулируемый электропривод технологических механизмов и двигатели станков с повышенной скоростью вращения получают питание от преобразовательных установок . Режимы их работы различны и определяются режимом механизма.
Преобразователями тока служат двигатели-генераторы, ртутные и полупроводниковые выпрямители, питающиеся от трехфазных сетей переменного тока промышленной частоты на напряжениях до 110 кВ.
К электротехнологическим установкам относятся электронагревательные и электролизные установки, установки электрохимической, электроискровой и ультразвуковой обработки металлов, электромагнитные установки (сепараторы, муфты), электросварочное оборудование.
Электронагревательные установки объединяют электрические печи и электротермические установки.
Электросварочное оборудование питается напряжением 380 или 220 В переменного тока промышленной частоты. Электросварочное оборудование работает в повторно-кратковременном режиме. Сварочные установки по степени надежности относятся ко второй категории.
Мощность электроприводов подъемно-транспортных устройств определяется условиями производства, ее значение колеблется от нескольких до сотен киловатт. Электрические осветительные установки являются в основном однофазными приемниками. Электроосвети -тельные установки относятся ко второй категории надежности.
Схемы электрических сетей. Схема силовой сети определяется технологическим процессом производства, категорией надежности электроснабжения, взаимным расположением ТП или ввода питания и электроприемников, их единичной установленной мощностью и размещением. Схема должна быть проста, безопасна и удобна в эксплуатации, экономична, должна удовлетворять характеристике окружающей среды, обеспечивать применение индустриальных методов монтажа.
Схемы сетей могут быть радиальными, магистральными и смешанными - с односторонним или двусторонним питанием.
При радиальной схеме (рис. 11.3) энергия от отдельного узла питания (ТП) поступает к одному достаточно мощному потребителю или к группе электроприемников.
Рис. 11.3. Радиальная схема питания:
1- распределительный щит; 2 - силовой распределительный пункт (РП);
3 - электроприемник; 4 - щит освещения; 5 - кабельная линия
Радиальные схемы применяют для питания сосредоточенных нагрузок большой мощности, при неравномерном размещении приемников, а также для питания приемников во взрывоопасных, пожароопасных и пыльных помещениях. Достоинства радиальных схем заключаются в высокой надежности (авария на одной линии не влияет на работу приемников, получающих питание по другой линии) и удобстве автоматизации. Недостатками радиальных схем являются: малая экономичность из-за значительного расхода проводникового материала.
При магистральных схемах приемники подключаются к любой точке линии (магистрали). Магистрали могут присоединяться к распределительным щитам подстанции или к силовым РП (рис. 11.4):
Рис. 11.4. Магистральная схема с распределительным шинопроводом:
1- комплектная трансформаторная подстанция (КТП);
2 - распределительный шинопровод; 3- нагрузка
Достоинствами магистральных схем являются: упрощение щитов подстанции; высокая гибкость сети, дающая возможность перемещать технологическое оборудование без переделки сети; использование унифицированных элементов, позволяющих вести монтаж индустриальными методами.
Для повышения надежности питания электроприемников по магистральным схемам применяется двустороннее питание магистральной линии (рис. 11.5):
Рис. 11.5. Схема с двусторонним питанием магистралей
Схемы сетей электрического освещения. Система рабочего освещения создает нормальное освещение всего помещения и рабочих поверхностей. В такую систему входят светильники общего и местного освещения.
Аварийное освещение обеспечивает освещенность для продолжения работы или останова технологического процесса и для эвакуации людей при отключении рабочего освещения.
Групповые линии в зависимости от протяженности и нагрузки могут быть двух-, трех- и четырехпроводными. Групповые линии одного помещения должны получать питание так, чтобы при погасании части ламп одних групп оставшиеся в работе группы обеспечивали минимальную освещенность до ликвидации аварии. Пример схемы питания осветительной сети приведен на рис. 11.6.
Рис. 11.6. Схема питания электроосвещения от двух ТП:
1- распределительный щит; 2 - линии, отходящие к силовым РП; 3,
4 - групповые щитки соответственно рабочего и аварийного освещения; 5,
б - групповая сеть соответственно рабочего и аварийного освещения;
7- питающие линии освещения
Расчет электрических нагрузок. Основой рационального решения комплекса технико-экономических вопросов электроснабжения является правильное определение ожидаемых электрических нагрузок. От этого зависят капитальные затраты в схеме электроснабжения, расход цветного металла, потери электроэнергии и эксплуатационные расходы.
Исходными данными для расчета электрических нагрузок являются установленная мощность электроприемников и характер изменения нагрузки. Под установленной мощностью (Ру) групп потребителей понимают суммарную паспортную мощность всех электроприемников. Например, установленная мощность башенного крана равна сумме номинальных мощностей всех его электродвигателей.
В результате расчета определяется максимальная (расчетная) нагрузка, которая служит основой для выбора сечения токоведущих частей, потерь мощности и напряжения в сетях, выбора мощности трансформаторов и компенсирующих устройств.
Для каждой группы электроприемников существует некоторое определенное соотношение между величинами расчетной (Рр) и установленной мощности. Это соотношение называется коэффициентом спроса:
Зная установленную мощность и коэффициент спроса данной группы потребителей, можно определить расчетную мощность:
Расчетную реактивную мощность (Qp) определяют по формуле:
(11.3)
где tg φ находят для угла φ, косинус которого определяют из паспортных данных установки.
Полная расчетная мощность силовой нагрузки определяется как:
(11.4)
К расчетной силовой нагрузке необходимо прибавить мощность на освещение. Расчеты удобно вести в табличной форме (таб. 11.1):
Таблица 11.1
Для снижения потерь электроэнергии надо использовать более высокие напряжения, стремиться к сокращению протяженности сетей до 1000 В, применять меры по повышению коэффициента мощности.
На значении коэффициента мощности электроустановки отрицательно сказывается наличие малозагруженных электродвигателей и трансформаторов. Поэтому в первую очередь проводятся мероприятия организационного порядка, направленные на то, чтобы естественный коэффициент мощности достиг максимального значения. Если этих мер недостаточно, то применяют батареи конденсаторов, синхронные двигатели.
Методика расчет величины и места расположения конденсаторов сложна, но в приближенных расчетах значение емкости (квар) определяют по формуле
(11.6)
где Qc – емкость конденсаторной батареи; Pp – расчетная активная мощность нагрузки, кВАр;
tg φр – расчетный тангенс.
По каталожным данным выбирают ближайший стандартный конденсатор. Устанавливают батареи конденсаторов или на подстанции, или непосредственно у потребителя.
Трансформаторные подстанции . Трансформаторные подстанции служат для приема электроэнергии, преобразования напряжения и распределения электрической энергии на объекте. По назначению различают следующие виды трансформаторных подстанций:
главные (повышающие и понижающие) подстанции , предназначенные для повышения напряжения линии электропередач при больших расстояниях;
распределительные, или просто трансформаторные подстанции (ТП), в которых электроэнергия, поступающая от ГПП, трансформируется с высшего напряжения 35 ...6 кВ на низшее 660/380 или 380/220 В, на которое и рассчитано большинство потребителей.
Оборудование ТП состоит из трансформаторов, аппаратов коммутации и защиты, устройств управления, контроля и учета электроэнергии. Схема ТП типа строительной комплектной трансформаторной подстанции с одним трансформатором показана на рис. 11.7:
Рис. 11.7. Мачтовая открытая подстанция (а) и схема ТП с одним трансформатором (б):
1 - трансформатор; 2 - разъединитель; 3 - предохранитель;
4 - распределительный шкаф; 5 - разрядник
По конструктивному выполнению различают открытые, закрытые, передвижные подстанции.
К открытым, оборудование которых устанавливается на открытом воздухе, относятся мачтовые подстанции с трансформаторами, установленными на деревянных или железобетонных опорах. На рис. 11.7 изображена подстанция с одним трансформатором, присоединенным к ЛЭП.
Закрытые ТП (рис. 11.8) располагаются в помещениях К закрытым трансформаторным подстанциям относятся также комплектные подстанции КТП или СКТП (строительные комплектные трансформаторные подстанции). Электрооборудование КТП размещается в металлическом корпусе.
Рис. 11.8. Закрытая трансформаторная подстанция: 1 - трансформатор;
2 - контакт замыкающий; 3 - предохранитель
Передвижные подстанции (рис. 11.9), которые также могут быть комплектными, монтируются на авто- или железнодорожной платформе.
Рис.11.9. Передвижная комплектная трансформаторная подстанция
Технические характеристики силовых трансформаторов . Основным конструктивным типом силового трансформатора напряжением до 10 кВ является трехфазный трансформатор с естественным масляным охлаждением. Используются и сухие силовые трансформаторы (т. е. с воздушным охлаждением). Они безопасны в отношении пожара и поэтому ими комплектуются ТП в зданиях с повышенными требованиями пожарной безопасности. Промышленность выпускает трехфазные силовые трансформаторы по определенной шкале мощностей: 10; 16; 25; 40; 63; 100; 250; 400; 630; 1000; 1600 кВА.
Определение типа и мощности силового трансформатора. Выбор типа, мощности ТП, ее расположение обуславливается величиной, характером электрических нагрузок и их пространственным расположением.
Расчет ведется в такой последовательности:
определяется местоположение ТП с учетом положения опасных зон, расположения подъездных путей и дорог. Трансформаторные подстанции желательно располагать ближе к мощным потребителям;
при определении мощности трансформатора необходимо одновременно решать вопрос о компенсации реактивной мощности. При компенсации на стороне 0,4 кВ получается расчетная мощность трансформатора:
(11.7)
где Рр - расчетная активная мощность нагрузки, кВт; Qр - расчетная реактивная мощность нагрузки, квар; QЭ - реактивная мощность энергосистемы (как правило, QЭ = 0,33 Рр); В - коэффициент загрузки трансформатора (для однотрансформаторной подстанции В = 0,95... 1,0).
Из справочных данных выбирают ближайший трансформатор равной или большей мощности.
Электрические станции.
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях. Различные виды природной энергии (топливо, атомная, падающей воды, ветра, морских приливов и отливов и т. д.) преобразуются на этих станциях в электрическую. Для работы электрических генераторов используют паровые поршневые машины и турбины, двигатели внутреннего сгорания, газовые и гидравлические турбины, ветряные двигатели и др. В зависимости от вида энергии, потребляемой первичными двигателями, электростанции бывают тепловыеу включая и атомные, гидравлические, ветряные. Некоторое значение для горных и южных районов имеют гелиостанции (солнечные установки). Однако мощность их пока незначительна, поэтому они имеют лишь местное значение и ограниченное применение.
Городские станции обеспечивают потребителей не только электроэнергией, но и теплотой и называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).
Постепенное сокращение топливных ресурсов требуют поисков новых способов получения электроэнергии. Одним из наиболее перспективных является получение электроэнергии с помощью термоядерного синтеза. В этом направлении ведутся исследовательские работы во всем мире.
Следует отметить, что к.п.д. даже крупных тепловых электростанций не превышает 40-42%. Эффективным способом повышения к.п.д. тепловых электростанций является применение так называемых магнитогидродинамически х генераторов (МГД- генераторов).
Понятие об электрических системах . Передачу электрической энергии на большие расстояния выгодно осуществлять при высоких напряжениях. Поэтому при электростанциях сооружаются трансформаторные подстанции, на которых напряжение генераторов повышается до 35, 110, 220 кВ и более. При очень больших расстояниях, порядка нескольких тысяч километров, передача энергии может осуществляться на постоянном токе высокого напряжения, что позволяет уменьшить потери энергии в линиях электропередачи (ЛЭП). В местах потребления постоянный ток вновь преобразуется в переменный на специальных преобразовательных подстанциях. От сборных шин распределительного устройства подстанции (РУ) по линиям электропередачи энергия передается на районные понизительные подстанции с вторичным номинальным напряжением 6-10 кВ. От районных понизительных подстанций электрическая энергия передается обычно по кабельным линиям на городские распределительные пункты (РП), от которых распределяется между понизительными подстанциями, расположенными вблизи потребителей непосредственно в микрорайонах и жилых кварталах.
Совокупность электрических станций, линий электропередачи, подстанций, тепловых сетей, связанных в одно целое общностью режима, непрерывностью процессов производства и распределения электрической и тепловой энергии, называется энергосистемой.
В России имеется ряд крупных энергосистем, объединяющих большое количество электрических станций. Часть энергетической системы, состоящая из генераторов, распределительных устройств, повысительных и понизительных подстанций, линий электрических сетей и электроприемников, называется электрической системой.
На рис. 11.10 приведена примерная схема электроснабжения крупного города:
Длительно допустимая расчетная токовая нагрузка для заданных условий
Iд ³ Imax /(ККп), (11.8)
где Imax - расчетная длительная максимальная токовая нагрузка элемента сети, А,
определяемая по формулам:
а) для трехфазной четырехпроводной и трехпроводной сетей
(11.9)
б) для двухфазной сети с нулевым проводом
, (11.10)
в) для однофазной сети
(11.11)
где Рmах - расчетная максимальная нагрузка, кВт; Uном - номинальное линейное
напряжение, В; UФ - номинальное фазное напряжение, В.
Для сетей, питающих люминесцентные лампы, при определении расчетного тока Imах следует вводить повышающий коэффициент, учитывающий потери мощности в пускорегулирующих аппаратах (ПРА), равный 1,25.