Система электроснабжения, сети и потребители. Энергосистема страны.

Для того чтобы города и страны, а на самом деле — живущие в них люди, могли

круглосуточно пользоваться таким замечательным благом цивилизации как качественная

электрическая энергия, и имели бы доступ к ней в любом требуемом количестве, - по всему

миру возводятся крупные системы электроснабжения.

Различные

электроприемники

(и

любые

электрические

приборы)

являются

неотъемлемыми частями электрических хозяйств организаций, предприятий, и вообще любых

электрифицированных объектов.

Электротехнические изделия, называемые электроприемниками, представляют собой

механизмы, аппараты и агрегаты, задача которых - преобразовывать электрическую энергию в

требуемый вид, например, в механическую энергию электродвигателя или в световую

энергию системы освещения, либо в тепловую энергию, если речь идет о нагревательном

элементе. В конце концов электрические плиты и вся бытовая техника в наших домах

немыслима без электричества, которое мы добываем из розетки на стене.

На сегодняшний день электроэнергия применяется всюду в мире для приведения в

действие разнообразных механизмов, для питания систем искусственного освещения,

многочисленной электротехники, специальных устройств учета и контроля, автоматики и

защиты,

для

медицинских,

биологических,

пищевых,

научных,

перерабатывающих,

производственных и многих-многих других целей, без которых немыслима современная

цивилизация.

Базовые определения

Системой электроснабжения называют совокупность электроустановок, назначение

которых — обеспечивать потребителей электроэнергией.

Непосредственно

электроустановки

представляют

собой

разнообразные

машины,

аппараты и линии, а также вспомогательное оборудование и сооружения в которых все это

установлено, служащие для производства, преобразования, передачи и распределения

электроэнергии.

Система электроснабжения является частью электрического хозяйства организации или

предприятия,

при

этом

выступает

подсистемой

по

отношению

к

более

крупной

электроэнергетической системе.

Электроэнергетическая система, также именуемая просто электрической системой,

является частью энергосистемы и включает в себя приемники электроэнергии.

Преобразование потенциальной энергии различных видов топлива (газа, торфа, угля,

сланцев, продуктов нефти и др.), энергии атома, а также энергии солнца, воды, потоков

воздуха (ветра) в электрическую происходит на электрических станциях. На станции

устанавливают первичные двигатели (тепловые, гидравлические и др.), которые приводят во

вращение синхронные генераторы трехфазного переменного тока.

Электрические станции

— это своеобразные предприятия, продукцией которых

является электрическая энергия. Количество выработанной электроэнергии в каждый момент

времени определяется нуждами потребителя и необходимостью покрытия возникающих

потерь энергии при передаче ее от электрической станции до электроприемников

(электродвигателя, электролизной, нагревательной или осветительной установок и пр.).

Для

передачи

электрической

энергии

от

станции,

ее

распределения

между

потребителями, а также на их территории — к отдельным электроприемникам, служат

электрические сети. Передача электрической энергии от электрической станции к

потребителям сопровождается нагреванием проводов, а следовательно, потерей части энергии,

выработанной станцией.

Чем больше расстояние от электростанции до потребителя, т.е. чем длиннее линия и

больше передаваемая мощность, при прочих равных условиях, тем выше относительная

потеря мощности.

В целях сокращения потерь энергии в проводах целесообразно

осуществлять ее передачу высоким напряжением.

На электрических станциях устанавливают генераторы напряжением 6,3; 10,5; 15,75; 18

кВ. Указанные напряжения, хотя и являются высокими, но для передачи больших мощностей

на далекие расстояния все же приводят к значительным потерям в линии.

При мощности генератора электростанции 500 МВт и напряжении 10 кВ сила тока в

проводах составит 50 тысяч ампер. При передаче на большие расстояния провода, как

нагрузка, имеют значительное сопротивление. Следовательно, большая часть тока будет

уходить впустую на разогрев проводов. Чтобы минимизировать потери при транспортировке

электроэнергии единственный действенный способ — увеличение напряжения, что приведет к

снижению

силы тока.

А без распределительных

трансформаторов (повышающих и

понижающих) этого сделать нельзя.

Сейчас подробно останавливаться на принципе работы трансформатора не будем. Нас

больше интересует особенность соединения его обмоток звездой или треугольником.

Для получения более высоких напряжений на станциях устанавливают трансформаторы,

повышающие генераторное напряжение до 38,5; 221; 242; 347; 525; 787 кВ (все номинальные

значения напряжений смотрите здесь - Номинальные напряжения электрических сетей и

области их применения).

При этих напряжениях осуществляют передачу энергии к центру ее потребления, где

устанавливают трансформаторы, понижающие напряжение до 35 - 6,3 кВ. При таких, более

низких

напряжениях

распределяют

энергию

к

отдельным

предприятиям

и

другим

потребителям.

Смотрите также - Как электроэнергия поступает с генераторов электростанций в

энергосистему

На предприятиях устанавливают трансформаторы, понижающие напряжение до 400 В,

при

котором

происходит

распределение

энергии

к

отдельным

электроприемникам:

двигателям, осветительным и прочим установкам.

Экономически целесообразным является такое напряжение, которому соответствуют

наименьшие капитальные и эксплуатационные (суммарные) расходы. Для повышения

экономичности

и

надежности

электроснабжения

создаются

электрические

системы,

объединяющие несколько АЭС, ГЭС, ТЭЦ, РЭС для совместной (параллельной) работы на

общую сеть.

Все

элементы

энергетической

системы

объединяются

общностью

процессов

производства, распределения и потребления энергии, находятся под единым техническим и

организационным руководством и контролем. Обычно в такие системы входят не только

электрические, но и тепловые сети и потребители тепловой энергии.

Путь электрической энергии от электростанции до потребителей:

Таким

образом,

система

электроснабжения

состоит

из

электрических

станций,

электрических

сетей

(кабельных

и

воздушных),

понижающих

и

повышающих

трансформаторных подстанций.

К любой системе электроснабжения предъявляются следующие требования:



соответствие мощности установленных генераторов и трансформаторов максимальной

мощности потребителей электроэнергии;



достаточная пропускная способность линий;



надежность, обеспечивающая бесперебойность электроснабжения;



высокое качество энергии (постоянство напряжения и частоты);



безопасность и удобство в эксплуатации, в частности простота и наглядность схемы;



экономичность.

Перерывы в электроснабжении предприятий приводят к убыткам, связанным с

повреждениями оборудования, нарушением технологического процесса, порчей продукции,

простоем работников и т.д. В связи с этим по степени необходимости в бесперебойном

электроснабжении нагрузки промышленных предприятий разделяют на три категории.

1. Нагрузки, перерыв в электроснабжении которых опасен для жизни людей, может

вызвать повреждения оборудования, массовый брак продукции или длительное нарушение

сложного технологического процесса, а также нарушение нормальной жизни населения

крупного города.

2.

Нагрузки,

перерыв

в

электроснабжении

которых

вызывает

существенную

недовыработку

продукции,

простой рабочих,

машин,

механизмов

и

промышленного

транспорта.

3. Все остальные нагрузки, например цехи несерийного производства, вспомогательные

цехи, склады и механизмы.

Электроснабжение нагрузок первой категории должно осуществляться от двух

независимых источников питания, каждый из которых полностью обеспечивал бы указанные

нагрузки электроэнергией - Категории надежности электоснабжения.

Все электроустановки разделяются на электроустановки напряжением до 1000 В и

электроустановки напряжением выше 1000 В. Номинальные значения эксплуатационных (т. е.

на зажимах электроприемников) напряжений и напряжений на зажимах источников

стандартизованы. Смотрите - Влияние отклонений напряжения на работу электроприемников

Итак,

предприятия снабжается электроэнергией от посторонних источников

питания (энергосистем, отдельных городских или районных электростанций) по

высоковольтным линиям электропередач, от трансформаторных подстанций. Последние

обычно находятся на территории предприятий. Их мощность определяется установленной

мощностью электроприемников и колеблется от 100 кВа до 10 - 30 тыс. кВа.

Электроснабжение предприятий можно разделить на внешнее и внутреннее, имеющие

свои специфические схемы и другие особенности.

Под внешним электроснабжением подразумевают систему сетей и подстанций от

источника питания (энергосистемы или отдельной районной станции) до понижающих

трансформаторных подстанций предприятия. Передача энергии осуществляется в этом

случае подземным кабелем или воздушной линией при напряжениях 6,3; 10,5; 35 кВ.

При сравнительно небольших установленных мощностях (до 300 - 500 кВт) на

территории предприятия в большинстве случаев сооружается одна общая подстанция с двумя

или тремя трансформаторами, понижающими напряжение с 6 - 35 кВ до 400/230 в.

На крупных предприятиях, где имеются большие рассредоточенные электрические

нагрузки, осуществляются глубокие вводы высокого напряжения. При этом высоковольтную

линию, идущую от энергосистемы, заводят вглубь территории предприятия, где сооружают

центральный высоковольтный распределительный пункт — ЦРП, который обычно

совмещается с одной из цеховых подстанций.

В других крупных цехах этого же предприятия устанавливают отдельные подстанции.

Их соединяют с ЦРП и между собой высоковольтной линией. Такая схема значительно

сокращает протяженность внутризаводских низковольтных сетей, что приводит к экономии

цветного металла и электроэнергии.

Внутренним электроснабжением

называют систему распределения электрической

энергии внутри цехов предприятия и на его территории. Для большинства электроприемников

предприятий распределение электроэнергии происходит при напряжении 380/220 В. Крупные

электродвигатели мощностью 100 кВт и более обычно устанавливают на напряжение 6 кВ и

включают их на высоковольтные шины трансформаторной подстанции.

Общая мощность трансформаторов или генераторов, установленных на подстанциях

или станциях предприятий, должна быть выбрана так, чтобы все электроприемники

обеспечивались энергией в нужном количестве в течение всего времени их работы с учетом

потерь энергии в электрических сетях.

Работа системы электроснабжения

Функционирование системы электроснабжения зиждется на режиме потребления

электрической энергии, а также на техническом и ремонтном обслуживании. Дело в том, то

система электроснабжения является непрерывно работающей, сложной динамической

системой с многообразием внутренних и внешних связей.

Режим производства, передачи и распределения в системе связан с режимом питающей

системы, а режим и график нагрузки определяется потребителями. Электростанция влияет на

систему электроснабжения возможностью изменения со своей стороны объемов поставляемой

мощности,

уровня

напряжения,

его

частоты,

величины

тока

короткого

замыкания,

устойчивости и т. д.

Степень устойчивости электроснабжения в основном определяется тем, насколько

регулярно и качественно выполняются технические и ремонтные работы в системе

электроснабжения.

Данные

работы

направлены

на

поддержание

постоянной

работоспособности и исправности как оборудования, так и линий электропередач. Сегодня все

это достижимо благодаря наличию определенных законов формирования энергосистем и

электрических хозяйств.

Классификация потребителей

Принципиально многочисленные и разнообразные потребители электроэнергии в

народном хозяйстве подразделяются на четыре крупных вида (при этом 10-12% всего

энергопотребления приходится на освещение):



55-65% - промышленные предприятия;



25-35% - жилые и общественные здания, коммунально-бытовые организации и

предприятия:



10-15% - сельскохозяйственное производство;



2-4% - электрифицированный транспорт.

Промышленные

потребители

электрической

энергии

на

предприятиях

можно

классифицировать по следующим пяти признакам:

1. По общей номинальной мощности установленных электроприемников:



до 5 МВт — малые предприятия;



от 5 до 75 МВт — средние предприятия;



более 75 МВт — крупные предприятия.

2. По отрасли промышленности, к которой данное предприятие относится:



металлургия;



машиностроение;



нефтехимия;



и т. д.

3. По условиям определения мощности и средств КРМ в электросети предприятия и по

тарифным группам:



1 группа — присоединенная трансформаторная мощность 750 кВА и более;



2 группа — присоединенная трансформаторная мощность менее 750 кВА.

Предприятия

относящиеся

к

1

тарифной

группе

обычно

производят

оплату

электричества по двухставочному тарифу: основная ставка за потребленную мощность,

дополнительная ставка — за израсходованную электроэнергию. Мощность устройств

компенсации реактивной энергии выбирается одновременно с основными элементами

системы электроснабжения предприятия.

Предприятия относящиеся ко 2 тарифной группе как правило производят оплату

электричества по одноставочному тарифу. При этом требуемая мощность устройств

компенсации реактивной энергии для предприятия диктуется со стороны энергосистемы.

4. По категории надежности электроснабжения, в зависимости от процентного

соотношения электроприемников различной надежности:



1 категория надежности электроснабжения электроприемников;



2 категория надежности электроснабжения электроприемников;



3 категория надежности электроснабжения электроприемников.

5. По категории энергетических служб.

Есть 12 категорий, конкретная категория определяется общей величиной годового плана

по трудоемкости планово-предупредительного ремонта сетей и электрического оборудования

предприятия. Данная характеристика отражает сложность и масштабы хозяйства, определяет

размер отдела и подразделений главного энергетика.

Безусловно,

основная

часть

всех

промышленных

предприятий,

потребляющих

электроэнергию, находится в городах. Именно города являются главными потребителями

электрической энергии во всех странах. По численности населения города делятся на:



более 500000 — крупнейшие;



от 250000 до 500000 — крупные;



от 100000 до 250000 — большие;



от 50000 до 100000 — средние;



менее 50000 — малые.

Территория города, с точки зрения потребления электроэнергии, подразделяется на

зоны:



Промышленная зона — в ней размещены производственные предприятия;



Коммунально-складская — в ней размещены транспортные предприятия (базы

транспорта);



Внешнего транспорта — вокзалы, станции, порты;



Селитебная — жилые районы, общественные здания, сооружения, места отдыха.

Гражданские здания формируют основу застройки города. К ним относятся объекты

непроизводственной сферы, такие как: жилые дома, общежития, гостиницы, торговые

площадки и предприятия общепита, образовательные учреждения, предприятия бытового

обслуживания и коммунального хозяйства и т. д.

Опорными

данными

для

выбора

системы

электроснабжения

являются

электроприемники, располагаемые на плане города или предприятия, и определяющие

величину и характер электрических нагрузок, а также их надежность.

Энергосистемой

страны

называют

совокупность

нескольких

элементов

–

электростанций, повышающих и понижающих распределительных подстанций, электрических

и тепловых сетей.

Энергосистема включает в себя электростанции, электрические и тепловые сети, а также

соединения между ними — все это связано между собой общим режимом просто в силу

непрерывности процесса производства, преобразования и распределения электроэнергии и

тепла. Электрическая либо электрическая и тепловая энергия производятся на электрических

станциях, которые могут состоять как из одной единственной установки, так и из группы

установок для производства электрической энергии.

Электростанции осуществляют выработку электрической и тепловой (для ТЭЦ) энергии.

Электрическая энергия,

вырабатываемая на электростанциях, повышается до требуемого

значения напряжения на повышающих подстанциях и отдается в сеть, в частности в

магистральные электрические сети, где в дальнейшем распределяется в соответствии с

величиной потребляемой мощности того или иного района, предприятия в пределах

энергосистемы страны или отдельного региона.

Электрические сети представляют собой совокупность электроустановок, назначение

которых

—

передача

и

распределение

электрической

энергии,

поставляемой

электростанциями. Сеть включает в себя подстанции, линии электропередач, тоководы,

присоединительную аппаратуру, а также средства управления и защиты.

Любое среднестатистическое предприятие всегда имеет собственное электрическое

хозяйство, включающее в себя прежде всего совокупность электроустановок и различных

изделий, не относящихся к электрической сети, тем не менее обеспечивающих ее нормальную

работу. Также в электрическое хозяйство входят помещения, здания и сооружения,

эксплуатируемые электротехническим персоналом, людские, энергетические, материальные

ресурсы

и

информационное

обеспечение,

призванное

поддерживать

полноценную

жизнедеятельность хозяйства.

В составе любого электрического хозяйства всегда есть отдельные электроприемники

или группы электроприемников, размещенные на определенной ограниченной территории

какого-нибудь объекта, и объединенные единым технологическим процессом. Это может быть

целое предприятие или отдельный станок, цех или просто конвейер. В любом случае

подобную единицу или группу принято назвать потребителем электрической энергии.

Если идет речь об энергосистеме страны, то магистральные сети опутывают всю ее

территорию. К магистральным сетям относятся линии напряжением 220, 330, 750 кВ, по

которым протекают большие потоки мощности – от нескольких сотен МВт до десятков ГВт.

Следующий этап - преобразование высокого напряжения магистральных сетей для

районных, узловых подстанций, подстанций крупных предприятий напряжением 110 кВ. По

сетям 110 кВ протекают потоки мощности в пределах десятков МВт.

Подстанции служат для приема, преобразования и распределения электроэнергии. Линия

электропередач, в свою очередь, передает и распределяет электроэнергию, либо просто

передает ее на расстояние.

На

подстанциях

110

кВ

электроэнергия

распределяется

на

более

мелкие,

потребительские подстанции населенных пунктов и различных предприятий напряжением 6,

10, 35 кВ. Далее напряжение электрической сети понижается до требуемых потребителю

значений. Если это населенные пункты и малые предприятия, то напряжение понижают до

величины 380/220 В. Существует также оборудование крупных промышленных предприятий,

которое питается непосредственно от высокого напряжения величиной 6 кВ.

Тепловые электроцентрали (ТЭЦ)

помимо электрической энергии, вырабатывают

тепловую, которая используется для обогрева зданий и сооружений. Тепловая энергия,

отпускаемая ТЭЦ, распределяется потребителям по тепловым сетям.

Особенности работы энергосистемы

При рассмотрении работы энергосистемы особое внимание следует уделить процессам

передачи электрической энергии. Производство и передача электрической электроэнергии –

сложный взаимосвязанный процесс.

В энергосистеме непрерывно, в режиме реального времени происходит выработка,

передача и потребление энергии потребителями. Накапливание электроэнергии (аккумуляция)

в

объемах

энергосистемы

не

производится,

поэтому

в

энергосистеме

постоянно

контролируется баланс между производимой и потребляемой электрической энергией.

Особенность электроэнергетических систем состоит в практически мгновенной передаче

электрической энергии от источников к потребителям и невозможности накапливания ее в

значительных количествах. Эти свойства определяют одновременность процесса производства

и потребления электроэнергии.

При производстве и потреблении электрической энергии на переменном токе равенству

вырабатываемой и потребляемой электроэнергии в каждый момент времени соответствует

равенство вырабатываемой и потребляемой активной и реактивной мощностей.

Следовательно, в каждый момент времени в установившемся режиме энергосистемы

электростанции должны вырабатывать мощность, равную мощности потребителей, и

покрывать потери мощности в электрической сети, т. е. должен соблюдаться баланс

вырабатываемой и потребляемой мощностей.

Понятие баланса реактивной мощности связано с влиянием реактивной мощности,

передаваемой по элементам электрической сети, на режим напряжения. Нарушение баланса

реактивной мощности приводит к изменению уровня напряжения в сети.

Обычно энергосистемы, дефицитные по активной мощности, дефицитны и по

реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не

передавать из соседних энергосистем, а генерировать в компенсирующих устройствах,

установленных в данной энергосистеме.

Одним из основных показателей наличия баланса между производимой и потребляемой

электрической энергией является частота электрической сети. Частота электрической сети

России, Беларуси, Украины и в большинстве европейских стран – 50 Гц. Если частота

энергосистемы страны находится в пределах 50 Гц (допустимые отклонения ±0,2Гц), то это

свидетельствует о том, что энергетический баланс соблюдается.

В случае возникновения дефицита вырабатываемой электроэнергии, в частности ее

активной составляющей, возникает дефицит мощности, то есть нарушается энергетический

баланс. При этом наблюдается снижение частоты электрической сети ниже допустимого

значения. Чем больше дефицит электроэнергии в энергосистеме, тем ниже частота.

Процесс

нарушения

энергетического

баланса

является

наиболее

опасным

для

энергосистемы и если его на начальном этапе не остановить, то произойдет полный развал

энергосистемы.

Для предотвращения развала энергосистемы при наличии дефицита мощности на

распределительных подстанциях применяется противоаварийная автоматика – автоматическая

частотная разгрузка (АЧР) и автоматика ликвидации асинхронного режима (АЛАР).

АЧР

осуществляет

автоматическое

отключение

определенной

части

нагрузки

потребителей, чем снижает дефицит мощности в энергосистеме. АЛАР – это сложная

автоматическая система, которая осуществляет автоматическое обнаружение и ликвидацию

асинхронных режимов в электрических сетях. В случае возникновения дефицита мощности в

энергосистеме АЛАР работает совместно с АЧР.

На всех участках энергосистемы возможно возникновение различных аварийных

ситуаций: повреждение различного оборудования станций и подстанций, повреждение в

кабельных и воздушных линиях электропередач, нарушение нормальной работы устройств

релейной защиты и автоматики и пр. Поэтому энергетическая система строится таким

образом, чтобы в случае возможных аварийных ситуаций она оставалась работоспособной и

обеспечивала

питание

потребителей

в

соответствии

с

их

категорией

надежности

электроснабжения.

Особенности регулировки напряжения

Напряжение

в

энергосистеме

регулируется

таким

образом,

чтобы

обеспечить

нормальные значение напряжения на всех участках. Регулировка напряжения у конечного

потребителя производится в соответствии со средними значениями напряжения, получаемого

с более крупных подстанций.

Как правило, такая регулировка производится один раз, в дальнейшем регулировка

напряжения производится на крупных узлах – районных подстанциях, так как постоянно

регулировать напряжение на каждой потребительской подстанции нецелесообразно в виду их

большого количества.

Регулировка напряжения на подстанциях осуществляется при помощи устройств ПБВ и

РПН,

встроенных

в

силовые

трансформаторы

и

автотрансформаторы.

Регулировка

посредством устройств ПБВ осуществляется при отключенном от сети трансформаторе

(переключение без возбуждения).

Устройства РПН

позволяют осуществлять регулировку

напряжения под нагрузкой, то есть без необходимости предварительного отключения

трансформатора (автотрансформатора).

Регулировка

напряжения

при

помощи

РПН

силовых

трансформаторов

может

производиться, как автоматически, так и вручную. Также, в зависимости от технического

состояния трансформаторов (автотрансформаторов), с целью продления срока службы

устройств РПН, может приниматься решение о регулировке напряжения исключительно в

ручном режиме, с предварительным снятием нагрузки с трансформатора. При этом

возможность переключения ответвлений РПН под нагрузкой сохраняется и в случае

возникновения необходимости быстрой регулировки напряжения, можно выполнить данную

операцию без предварительного снятия нагрузки с трансформатора.

Потери мощности и энергии

Передача электрической энергии неизбежно сопровождается потерями мощности и

энергии

в

трансформаторах

и

линиях.

Указанные

потери

должны

быть

покрыты

соответствующим увеличением мощности источников питания, что вызывает повышение

капиталовложений на сооружение энергосистемы.

Кроме того, потери мощности и энергии вызывают дополнительные затраты топлива на

электростанциях,

стоимость

электроэнергии,

тем

самым

повышая

себестоимость

электроэнергии. Поэтому при проектировании необходимо стремиться к снижению этих

потерь во всех элементах электросети.

Параллельная работа энергосистем

Энергосистемы стран или отдельные участки энергосистемы в пределах одной страны

могут объединяться и в совокупности представляют собой объединенную энергосистему.

Если две энергетические системы имеют одинаковые параметры, то они могут работать

параллельно (синхронно). Возможность синхронной работы двух энергетических систем

позволяет значительно повысить их надежность, так как в случае возникновения большого

дефицита мощности в одной из энергосистем, данный дефицит может быть покрыт из другой

энергосистемы. При объединении энергосистем нескольких стран можно осуществлять

экспорт или импорт электрической энергии между данными странами.

Но если две энергосистемы имеют некоторые различия в электрических параметрах, в

частности частоте электрической сети, то при необходимости объединения данных

энергосистем прямое их включение на параллельную работу недопустимо.

В

данном

случае

выходят

из

положения

путем

использования

для

передачи

электроэнергии между энергосистемами линий постоянного тока, которые позволяют

объединить не синхронизируемые энергосистемы, характеризующиеся различной частотой

электрической сети.