Понятие об энергетической системе

Введение в электроэнергетику.

Основные понятия. Номинальные напряжения

Физическая природа электричества

Физическая природа электричества может рассматриваться в двух аспектах:

· корпускулярном (молекулярном), т.е. в виде потока электронов;

· в волновом, т.е. в виде электромагнитного поля, которое имеет различные проявления в электроэнергетике.

При молекулярном аспекте за единицу энергии принимают 1 МэВ, при вол-новом – 1 кВт·ч. Их соотношение таково:

1 МэВ = 4, 42·10^-20 1 кВт·ч.

Соотношение этих величин подчеркивает, что энергетические задачи должны рассматриваться не в молекулярном, а в волновом аспекте.

Передача электроэнергии тоже рассматривается в волновом аспекте. Линия электропередач не транспортирует электричество, как каналы транспортируют воду. Она является волноводом, который заставляет энергию следовать по опре-деленному пути. Такой волновод является наиболее простым средством передачи энергии при волнах малой длины.

Свойства электроэнергии

Та огромная роль, которую играет электроэнергия в нашей жизни обусловле-на следующими ее свойствами:

· легкость передачи на большие расстояния по сравнению с другими видами энергии;

· возможность преобразований в другие виды энергий с высоким к.п.д. независимо от ее количества. Поэтому нет необходимости в ее хранении;

· электроэнергия проявляется в виде потока, который раздробить на части легче, чем другие энергетические потоки (уголь, нефтепродукты);

· потребление электроэнергии может плавно меняться от нуля до максимума в зависимости от хода самого процесса производства или нагрузки рабочего механизма;

· возможность значительной концентрации мощности при производстве электроэнергии;

· поток электроэнергии можно представить непрерывным или перио-дическим в виде синусоиды. Такое представление наиболее удобно для информационных потоков. Поэтому ЛЕП часто используются и для передачи информации;

· электроэнергия является наиболее чистым видом энергии и наимешьшей степени загрязняет окружающую среду;

· ориентация на использование трехфазного тока придала использованию электроэнергии однородность.

Понятие об энергетической системе

Под электроэнергетической системой понимается совокупность взаимосвязанных элементов, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электро­энергии.

К элементам электроэнергетической системы относятся гене­раторы, осуществляющие преобразование механической энергии в электрическую; трансформаторы, преобразующие величи­ны напряжений и токов; линии электропередачи, предна­значенные для транспортировки электроэнергии на расстояние; всевозможное вспомогательное оборудование, изменяющее свойства системы, а также устройства управления и ре­гулирования.

Схематично энергетическая система представлена на рис.1.

Рисунок 1 – Условное обозначение энергетической и электрической систем

Электрическая или электроэнергетическая система представляет собой часть энергетической системы. Из нее исключаются тепловые сети и тепловые потребители.

Электрическая система представляет собой сложный объект. Сложность обусловлена рядом специфических особенностей:

· постоянное совпадение по времени процесса выработки, передачи и потребления электроэнергии;

· непрерывность процесса выработки, передачи и потребления электро-энергии и необходимость в связи с этим непрерывного контроля за этим процессом. Процесс передачи электроэнергии по цепи “генератор – электроприемник” возможен лишь при надежной электрической и магнитной связи на всем протяжении этой цепи;

· повышенная опасность электрического тока для окружающей среды и обслуживающего персонала;

· быстрое протекание процессов, связанных с отказом различных элементов основной технологической цепочки;

· многообразие функциональных систем и устройств, которые осуществляют технологию производства электроэнергии; управление, регулирование и контроль. Необходимость их постоянного и четкого взаимодействия;

· удаленность энергетических объектов друг от друга;

· зависимость режимов работы электрических систем от различных случайных факторов (погодные условия, режим работы энергосистемы, потребителей);

· значительный объем работ по ремонтно-эксплуатационному обслуживанию большого количества разнотипного оборудования.

Режим системы, т. е. ее состояние в данный момент времени, характеризуется параметрами, определяющими процесс ее функ­ционирования. к: таким параметрам режима относятся величины мощностей, напряжений, токов, частоты и т. д. Режимы подразде­ляются на установившиеся и переходные. Параметры установившихся режимов сохраняются на рассматриваемом интер­вале времени неизменными или изменяются относительно медлен­но. Переходные режимы соответствуют переходу системы от одно­го установившегося режима к другому; для них характерны отно­сительно медленные и малые или быстрые и значительные измене­ния параметров. Для того чтобы электроэнергетическая система могла нормально функционировать, а потребители электрической энергии могли работать согласно заложенным в их конструкции характеристикам, необходимо соответствие параметров режима оп­ределенным величинам. При этом обеспечивается приемлемое ка­чество электроэнергии, подводимой к потребителям, кото­рое характеризуется значениями напряжения, частоты, симметрией (для трехфазного тока) и синусоидальностью (формой кривой пе­ременного тока).

Физические свойства элементов электрической системы и взаи­мосвязи элементов между собой характеризуются параметрами электрической системы. К таким параметрам относятся: сопротив­ления элементов, моменты инерции и постоянные времени, харак­теризующие скорости изменения электрических и механических ве­личин, и т. д.

Элементы электрической системы связаны единством про­исходящих в них процессов. Так, на протекание электро­магнитных процессов, вызванных, например, возмущениями в элект­рической сети, оказывают влияние режимы работы турбин, механи­ческая энергия которых преобразуется в электрическую. На эти же процессы влияют режимы работы электрических двигателей и при­соединенных к ним производственных механизмов, так как в двига­телях электрическая энергия преобразуется в механическую. Изме­нения режимов работы турбины, в свою очередь, вызывают изме­нения параметров пара в паропроводах, а следовательно, и работы парогенераторов.

Расход угля, газа или какого-либо другого органического топли­ва на ТЭС или расход воды на ГЭС зависит от потребления элект­роэнергии в системе.

Системы угледобывающие, газо- и нефтеснабжающие и другие совместно с электроэнергетической системой образуют Единую объединенную энергетическую систему страны. Такое энергетическое объединение располагает мощностями, соиз­меримыми с мощностями геофизических явлений, происходящих на нашей планете.

Организация наиболее целесообразной (экономически и техни­чески) оптимальной эксплуатации Единой объединенной энергети­ческой системы имеет чрезвычайно важное значение для всего на­родного хозяйства. Поэтому в настоящее время особенно остро ста­вится проблема привлечения качественно новых, наиболее совер­шенных методов управления, основанных на новейших достижени­ях науки и техники.

Электроэнергетическая система, таким образом, тесно связана с другими системами (в том числе и с окружающей биологической средой), образующими глобальную систему. При проектировании развития электроэнергетической системы и управлении ее режима­ми эти связи необходимо учитывать.

Для графического изображения электроэнергетичес­ких систем, а также отдельных ее элементов и связи между эле­ментами используют общепринятые условные обозначения. Услов­ные обозначения, или символы, позволяют на чертеже просто пока­зать тот или иной вид электроустановки. Например, генератор, воз­душную или кабельную линию электропередачи условно изобра­жают, отвлекаясь от конкретных технических характеристик - кон­структивного исполнения, мощности, размеров, веса, числа оборо­тов и т. д. Составляя схему из условных обозначений, можно в на­глядном виде показать основные, наиболее общие структурные свой­ства электроэнергетической системы, не затемняя их ненужными деталями.

На заре развития электротехники не было условных обозначений, и ученые и инженеры вынуждены были изображать каждый раз общие виды и разрезы электрооборудования. Но далее, подобно тому, как с развитием культуры и повы­шением общего уровня цивилизации разговорный язык становился все более абстрактным, язык электротехники также совершенствовал способы изображения наиболее общих свойств широкого класса устройств. Как при слове «дерево» можно представить себе любое дерево­ - дуб, сосну, ель, молодое дерево и ста­рое, так же при начертании условного изображения трансформатора можно подразумевать и мощный силовой транс­форматор, способный преобразовать ог­ромные потоки энергии, и трансформа­тор миниатюрный, используемый для питания электронных приборов.

На рис.2 показаны условные обозначения основных элементов элек­троэнергетической системы.

Рисунок 2 – Условные обозначения основных элементов электрической системы

Примерная схема относительно про­стой электроэнергетической системы при­ведена на рис.3. Здесь электрическая энергия, вырабатываемая на двух элек­тростанциях различных типов, подводит­ся к потребителям, удаленным друг от друга. Для того чтобы передать электри­ческую энергию на расстояние, ее пред­варительно преобразовывают, повышая напряжение трансформаторами. У мест потребления электроэнергии напряжение понижают до нужной величины. По на­чертанию схемы можно понять, что электроэнергия передается по воздушным линиям (ЛЭП). Все элементы электроэнергетической системы связаны происходя­щими в них процессами, и поэтому система при решении ряда задач должна рас­сматриваться как качественно новое (по сравнению с отдельными элементами) единое образование. К таким задачам можно отнести регулирование частоты и напряжения, определение экономически целесообразных потоков мощностей и т. п. Наряду с системными задачами существуют такие, в которых можно огра­ничиться рассмотрением отдельных элементов, отвлекаясь от их связей с осталь­ной частью системы. Например, если мощность одного из трансформаторов, под­ключенных к распределительному пункту (РП), намного меньше мощности дру­гих трансформаторов, то при изменениях нагрузки рассматриваемого трансформа­тора напряжение на шинах РП практически будет оставаться неизменным. Иными словами, можно с достаточной для практических целей достоверностью считать, что трансформатор подключен к источнику с неизменным напряжением, и рас­сматривать режимы работы трансформатора без учета свойств системы.

Рисунок 3 - Схема электрической системы: ЛЭП- линия электропередачи, РП– распределительный пункт

Схема, приведенная на рис.3, представлена в однолинейном изображении. В действительности элементы электроэнергетической системы, работающие на пе­ременном токе, имеют, как правило, трехфазное исполнение. Однако для выявле­ния структуры системы, направлений энергетических потоков, проходящих через ее элементы, и решения многих других вопросов электроэнергетики нет необходи­мости пользоваться трехфазным изображением системы, а вполне достаточно воспользоваться абстрактным однолинейным ее изображением.

Часть электрической системы, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии, содержащая подстанции, линии электропередачи и распределительные устройства, называ­ется электрической сетью.

Рисунок 4 – Обозначение электрической системы на электрических схемах

Линия электропередач (ЛЭП) – это электроустановка, предназначенная для передачи электроэнергии.

На подстанциях производится преобразование, а иногда и рас­пределение электрической энергии. Под преобразованием электри­ческой энергии понимается изменение величины напряжения и то­ка в трансформаторах.

Электрические сети подразделяют по ряду признаков, таких, как:

1. Напряжение сети. Сети могут быть низковольтными напряжением до 1000 В и высоковольтными напряжением 1000 В и выше.

Элементы современных электрических сетей выполняются на различные величины номинальных напряжений. Номинальное нап­ряжение (ток или какой-либо другой параметр режима) - это та­кое напряжение, которое соответствует нормальной и экономичной работе элемента электрической системы. Существует шкала стан­дартных номинальных напряжений: 0, 22; 0, 38; 0, 66; 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750 кВ.

2. Род тока. Сети могут быть постоянного и переменного тока.

Электрическая энергия может потребляться либо на постоянном, ли­бо на переменном, либо на постоянном и переменном токе. На по­стоянном токе работают различные электрохимические установки, например ванны для получения различных материалов, электри­ческие двигатели и ряд других потребителей. Среди потребителей электрической энергии, работающих на переменном токе, наиболее распространены асинхронные электрические двигатели. Установки, использующие тепловую энергию, получаемую из электрической, так же как лампы накаливания, обогревательные устройства, мо­гут успешно работать как на постоянном, так и на переменном то­ке.

Электрические сети выполняются в основном на переменном токе. Постоянный ток целесообразно использовать при передаче больших мощностей на сверхдальние расстояния.

3. Назначение. Районные сети предназначаются для соеди­нения крупных электрических станций и подстанций и выполняют­ся на напряжение 35 кВ и выше. Сети напряжением 330, 500 и750 кВ относят к межсистемным связям, так как они в основном предназначаются для соединения крупных электроэнергетических систем. Распределительные сети выполняют функции распределе­ния электрической энергии между отдельными потребителями, про­мышленными предприятиями, сельскохозяйственными нагрузками и т. д.

4. Конструктивное выполнение линий. Линии Могут быть воздушными и кабельными.