Преимущества объединения энергетических систем

На первой стадии развития электроэнергетика представляла со­бой совокупность отдельных электростанций, каждая из которых через собственную сеть передавала электроэнергию к потребите­лям, не связанным между собой. В дальнейшем стали создаваться энергетические системы, в которых электрические станции соединя­лись электрическими сетями и включались на параллельную рабо­ту. Отдельные энергетические системы в свою очередь также объе­динялись, образуя более крупные энергетические системы. Тенденция к образованию по возможности наиболее крупных энергетиче­ских объединений проявляется практически во всех странах.

В настоящее время существует Единая энергетическая система Украины. ЕЭС соединена линиями электропередачи с объединенной энергосистемой России и других стран. Энергосистемы всех стран Западной Европы, включая Англию и Скандинавские страны, связаны между собой линиями электропередач. Электростанции США также соединены линиями электропередач со станциями Канады и Мексики.

Общее стремление к объединению энергетических систем вызвано огромными преимуществами крупных систем по сравнению с отдельными станциями.

Создание объединенных энергетических систем позволяет:

1. Уменьшить суммарную установленную мощность электростан­ций.

Большая совокупность потребителей электрической энергии характеризуется графиком нагрузки P=f(t) (рис.1). Максимум суммарной нагрузки Р_т энерго­системы меньше, чем сумма мак­симумов нагрузок отдельных по­требителей. Это объясняется не­совпадением отдельных макси­мумов из-за различных условий работы потребителей. В энерге­тических системах, охватывающих обширные географические райо­ны, несовпадение максимумов вызвано расположением нагрузок в различных часовых поясах. На­пример, объединение по­требителей, размещенных в европейской и сибир­ской частях России, позволяет получить более равномерный суммарный график нагрузки по срав­нению с графиком нагру­зок отдельных потреби­телей (рис. 2). Уста­новленная мощность элек­тростанций в системе должна быть достаточной для покрытия максималь­ных нагрузок потребите­лей. Кроме того, исходя из требований, предъяв­ляемых к надежности работы систем, должна быть предусмотре­на резервная мощность генераторов. При параллельной работе электрических станций резервная мощность может быть уменьше­на. Покажем этона простом примере.

Пусть две электростанции, каждая из которых имеет по четы­ре агрегата, работают изолированно. Тогда одна станция может вырабатывать электрическую энергию, используя 3/4 установленной мощности, так как один агрегат должен находиться в резерве. При соединении двух электростанций общей сетью может быть исполь­зовано7/8 установленной мощности. В первом случае необходи­мая резервная мощность составляет 25 %, а во втором случае она может быть в два раза меньше - 12, 5 %.

2. Более полно использовать гидроэнергетические ресурсы.

Расход воды в реке колеблется в больших пределах. Для на­дежного снабжения электроэнергией потребителей мощность ГЭС (при изолированной ее работе) нужно выбирать исходя из обес­печенного расхода воды, который приходится принимать доста­точно малым. В случае больших расходов часть воды пришлось бы сбрасывать мимо турбин.

Рассмотрим преимущества объединения ТЭС с ГЭС на простом примере. Пусть мощности каждой станции равны по 100 МВт. Каж­дая станция вырабатывает энергию для своего района, причем стан­ции работают изолированно. Мощности нагрузок в каждом районе равны по 100 МВт. Потребности в электроэнергии за сутки у пот­ребителей каждого района по 1600 МВт·ч. Далее предположим, что по расходу воды ГЭС за сутки может выработать только 1200 МВт·ч. Следовательно, дефицит электроэнергии в районе с ГЭС составит 400 МВт·ч. ТЭС за сутки может выработать 2400 МВт·ч, т. е. в районе с ТЭС могут быть дополнительно использованы 800 МВт·ч. При объединении на параллельную работу ТЭС и ГЭС можно заставив ТЭС вырабатывать 2000 МВт·ч электроэнергии, полностьюудовлетворить спрос всех потребителей. ГЭС более пригодны для покрытия пиковой части графиков суммарной нагрузки энергосистем (рис. 3).

3. Повысить экономичность выработки электроэнергии.

Вследствие неравномерности графиков нагрузок изолирован­ные станции должны работать в течение некоторого времени с не­догрузкой, т. е. в неэкономичном режиме. В энергосистемах при про­валах нагрузки часть станций может быть отключена, а для остав­шихся можно обеспечить наиболее экономичные режимы работы. Кроме того, различные станции имеют неодинаковые экономические показатели выработки электроэнергии. Поэтому с возрастанием на­грузки в системе стремятся в первую очередь увеличить выработку электроэнергии на станциях с лучшими экономическими показате­лями.

4. Увеличить единичные мощности агрегатов.

С возрастанием мощностей агрегатов P_i улучшаются их техни­ческие характеристики и снижается удельная стоимость с выработ­ки электроэнергии (рис. 4).

5. Повысить надежность электроснабжения потребителей.

Отдельные элементы энергетической системы (генераторы, тран­сформаторы, ЛЭП и т. д.) в результате аварий могут выходить из строя. В этих случаях часть потребителей может потерять питание. В схеме, показанной на рис. 5, при возникновении трехфазного короткого замыкания на линии электропередачи полностью прек­ращается подача электроэнергии потребителям. Надежность энерге­тической системы оценивается вероятностными показателями, так как отказы оборудования появляются под действием случайных факторов. С одной стороны, повышение надежности электроснабже­ния сопровождается увеличением стоимости систем, с другой сторо­ны, недостаточная надежность приводит к ущербам от недоотпуска электроэнергии потребителям. Поэтому целесообразные показатели надежности электрических систем должны устанавливаться с учетом этих факторов. Применение устройств релейной за­щиты и автоматики является эффективным средством повышения надежности. Релейной защитой называется система устрой­ств, которые производят отключение поврежденных элементов или частей систем и локализацию аварий. К числу автоматических уст­poйств относятся устройства автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического ввода резерва (АВР). Устройства АПВ предназначены для ликвидации «пере­ходящих» повреждений, например коротких замыканий. При появ­лении дугового короткого замыкания (рис.6) устройством АПВ создается бестоковая пауза, в течение которой дуга гаснет и восста­навливаются диэлектрические свойства воздушного промежутка. Затем вновь автоматически включается на­пряжение на ЛЭП, которая может продолжать успешную работу. Принцип работы АВР мож­но пояснить рис.7. При повреждении одно­го из трансформаторов автоматически произ­водится его отключение, а оставшиеся без электроэнергии потребители автоматически подключаются к исправному трансформатору.

6. Повысить качество электроэнергии.

К показателям качества относятся величи­на, напряжения, форма кривой напряжения и тока, симметрия векторов напряжений трех­фазной системы, частота.

Напряжение вдоль нагруженной ЛЭП меняется из-за по­терь в сопротивлениях. В простейшем случае напряжение в конце ЛЭП постоянного тока (рис. 8) связано с напряжением в начале простой зависимостью:

U₂=U₁-I·r,

где U ₁, U₂ - напряжения в начале и конце линии; I - ток, протека­ющий по линии; r - сопротивление линии.

Форма кривой напряжения (тока) должна быть сину­соидальной (рис. 9). Искажение формы означает ухудшение ка­чества электроэнергии.

В трехфазной системе векторы напряжений (токов) должны быть симметричны, т. е. равны по величине и сдвину­ты относительно друг друга на 120⁰ (рис.10).

Существуют различные способы улучшения качества электро­энергии. Так, улучшение напряжения у потребителей может быть достигнуто регулированием величины э.д.с. синхронного генератора (рис. 11). Изменяя с помощью автоматического регулятора ток в обмотке возбуждения, можно получать различные вели­чины э. д. с. генератора, так как при этом будут различны значе­ния индукции магнитного поля, пронизывающего обмотки статора.

Величину напряжения можно регулировать и непосредственно у потребителей, изменяя (при изменении нагрузки) коэффициент трансформации К = U₂/U₁ трансформаторов (рис. 12).

Каждый потребитель электроэнергии рассчитывается для работы при опреде­ленном номинальном напряже­нии. При отклонениях напряжения, под­водимого к потребителю от номинально­го, показатели его работы изменяются - ухудшаются. Так, например, при сниже­нии напряжения падает производитель­ность электрических печей и удлиняется время плавки; у асинхронных двигателей уменьшается вращающий момент, падает скорость и снижается производительность механизмов; при снижении напряжения на 10% световой поток ламп накалива­ния уменьшается на 30 %, а при повышении на ту же величину срок службы ламп укорачивается в 3 раза.

Отклонение частоты в основном приводит к ухудшению работы потребителей. Особенно чувствительны к изменениям ча­стоты рабочие механизмы с вентиляторным моментом, так как их производительность пропорциональна квадрату частоты. Частота тока и напряжения в электрической системе определяется частотой вращения ротора генератора, а следовательно, и турбины. При уве­личении нагрузки системы частота уменьшается и вновь увеличи­вается до нормальной регуляторами частоты. Регулятор частоты воздействует на изменение величины вращающего момента первичного двигателя - турбины, меняя впуск энергоносителя в турбину (рис. 13).