Общая характеристика электрических сетей

Электрической сетью называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, включающая в себя трансформаторное оборудование подстанций, их распределительные устройства, токопроводы, воздушные и кабельные линии электропередачи. В курсе “Электрические сети и системы” не изучаются конструктивные особенности трансформаторного оборудования подстанций, их распределительных устройств и токопроводов. Вместе с тем в расчётах электрических сетей трансформаторы учитываются в виде их электрических схем замещения. Конструктивное выполнение воздушных и кабельных линий электропередачи переменного тока будет подробно рассмотрено в нашем курсе.

Электрические сети современных энергосистем характеризуются многоступенчатостью, т.е. большим числом трансформаций на пути от источников электроэнергии к её потребителям. Известно, что результирующий коэффициент полезного действия последовательно включённых преобразователей энергии определяется соотношением

,

где - результирующий КПД;

- КПД последовательно включённых преобразователей энергии (в электрической сети преобразователем электрической энергии с одним набором параметров в электрическую энергию с другим набором параметров является трансформатор).

Как правило, на пути до потребителя, электроэнергия проходит через пять-шесть трансформаторов. В этой связи к силовым трансформаторам предъявляются, в частности, весьма высокие требования по уровню КПД. Действительно, если для многих преобразователей энергии КПД = 0, 9 – предел желаемого, то для силового трансформатора это недопустимо малая величина. Можно подсчитать, что при = 0, 9 шесть последовательно включенных ступеней трансформации дают результирующий КПД

= .

При таких силовых трансформаторах в 1995 г. Россия потеряла бы только в этих устройствах (см. ранее указанный годовой уровень выработки электроэнергии) 845 • 0, 47 ≈ 400 млрд. кВт× час электроэнергии.

В ценах 1999 года (по 40 коп. за 1 кВт× час) потери электроэнергии стоили бы

0, 4р. 400•10⁹=160 млрд. руб. (≈ 6, 5•10⁹ $) (≈ по одной тысяче рублей на одного россиянина).

Отсюда делаем вывод, что для силового трансформатора КПД должен быть значительно выше 90%.

Действительно, силовые трансформаторы, выпускаемые отечественной промышленностью, имеют при номинальной нагрузке h_н = 0, 98…0, 99.

Структура отдельных звеньев многоступенчатой электрической сети очень сложна и насчитывает десятки, а иногда и сотни узлов, ветвей и замкнутых контуров. Наряду со сложностью конфигурации характерной особенностью электрических цепей является их многорежимность. Под этим понимается не только разнообразие загрузки элементов сети в пределах суточных и сезонных графиков, но и возникновение новых режимов в результате выведения как в плановый, так и в аварийный ремонт отдельных элементов сети.

В этой связи электрическая сеть должна быть спроектирована таким образом, чтобы была возможность её эксплуатации во всех режимах: нормальном, ремонтном, послеаварийном. Это требование означает, что во всех указанных режимах установившиеся значения токов и мощности в ветвях не должны превышать допустимых по тем или иным условиям значений, а параметры узлов (напряжения) должны лежать в допустимых пределах, обеспечивающих экономичную работу электроприёмников.

Технические ограничения параметров режима электрических сетей предполагают необходимость их контроля в процессе эксплуатации.

Математическое описание установившегося режима электрической сети представляет собой систему нелинейных алгебраических уравнений, для решения которой используются итерационные методы. Из-за значительного числа уравнений в этой системе оправданным является использование современной вычислительной техники в виде ЭВМ.

Уравнения установившихся режимов формируются на основе так называемой расчётной схемы, состоящей из схем замещения отдельных элементов сети. Подходы и обоснования при замещениях различных элементов сети будут рассмотрены нами позднее.

В ряде случаев при разработке расчётной схемы используют упрощающие преобразования, позволяющие сократить число уравнений в решаемой задаче и свести схему к одной из простейших конфигураций. При этом появляется возможность использования упрощённых методов расчётов.

Простейшим представителем сложной электроэнергетической системы выступает сеть с двумя источниками питания. Такая сеть обеспечивает повышение надёжности питания электроприёмников, поскольку предполагает бесперебойность подачи электропитания при плановом или аварийном ремонте на пути электроснабжения от одного источника. Кроме того, рациональное использование элементов электросети достигается регулированием уровня мощности, отдаваемой в сеть каждым из источников питания, что будет нами доказано при рассмотрении режимов работы таких сетей.

Наряду с обеспечением работоспособности, надёжности и качества поставляемой потребителями электроэнергии, сеть должна удовлетворять критериям экономической эффективности. Такими критериями являются: при проектировании – так называемый минимум приведённых затрат; при эксплуатации – минимум расхода энергоресурсов на выработку единицы потребляемой электроэнергии. Это означает, что разработку вариантов развития существующей сети необходимо осуществлять как с учётом ранее рассмотренных технических ограничений, так и с ориентацией на указанные критерии.

Следует отметить также, что вопросы оптимизации электрических систем выходят за пределы нашего курса, хотя, безусловно, являются актуальными при современной сложности электрических систем.