Принцип работы и конструктивное исполнение основных элементов электроэнергетической системы

К основным элементам электроэнергетической системы (иногда называемым силовыми элементами) отно­сятся установки, осуществляющие выработку электрической энер­гии, ее преобразование, передачу на расстояние и потребление.

В промышленных масштабах электрическую энергию получают на электрических станциях преобразованием различных видов энер­гии - химической энергии органического топлива, внутри ядерной энергии, гидроэнергии и т. д. Преобразование электрической энер­гии к виду, удобному для передачи, распределения и потребления, производится с помощью трансформаторов.

Передача электрической энергии на расстояние осуществляет­ся по воздушным или кабельным линиям. Потребление ее происхо­дит различными механизмами, но, как следует из предшествующе­го рассмотрения, значительная доля расходуется на приведение в движение производственных механизмов электрическими двигате­лями переменного тока.

Синхронные генераторы на станциях преобразуют механическую энергию турбин в электрическую.

На ТЭС турбогенераторы изготовляются быстроходными с но­минальной частотой вращения 3000об/мин в соответствии с частотой переменного тока, равной 50 Гц. Ротор генератора выполняют цилиндрическим. Большие час­тоты вращения повышают экономичность работы паровых турбин и позволяют уменьшить габариты турбин и генераторов.

В отличие от турбогенераторов гидрогенераторы выполняют ти­хоходными, с различными частотами вращения, определяемыми на­пором и расходом воды в створе реки. Значительно меньшие часто­ты вращения роторов гидрогенераторов приводят к относительному увеличению их размеров.

Повышение мощности генераторов может быть получено увеличением токов в обмотках, напряжений и магнитных потоков, что приводит к возрастанию размеров ротора и статора. Однако мак­симальные размеры ротора ограничиваются допустимыми механи­ческими нагрузками. Поэтому единичные мощности генераторов уве­личивают повышением плотности тока в обмотках, что сопровожда­ется значительным выделением в них тепла и, следовательно, необ­ходимостью применять совершенные системы охлаждения. Для ох­лаждения генераторов используют воздух, водород и воду.

На одном валу с генератором располагается турбина. На ТЭС турбинные и котельные агрегаты вместе с вспомогательным обору­дованием соединяют в независимые блоки. Число блоков на станции обычно достигает 8-12, а мощность станции – 4000-6000 МВт.

Место расположения электростанции зависит не только от усло­вий снабжения ее первичными энергоресурсами, но и от наличия в достаточном количестве воды.

Работу главных агрегатов блока обеспечивают вспомогательные машины, для приведения в действие которых расходуется электро­энергия. Мощность, расходуемая на собственные нужды блока, со­ставляет 4-8 % от его мощности.

На ТЭС электроэнергия расходуется на приготовление топлива, подачу воды в котлы, управление оборудованием и т. п. Расходы электроэнергии на собственные нужды ГЭС меньше. Они вызывают­ся техническим водоснабжением, управлением гидротехническим и электротехническим оборудованием, охлаждением генераторов ит. п. На крупных ГЭС собственное потребление электроэнергии со­ставляет доли процента от общей выработки.

К механизмам собственных нужд электростанций предъявляют высокие требования в отношении надежности их работы, так как отказы или снижения производительности механизмов могут при­вести к прекращению выработки электроэнергии крупным блоком и отключению в связи с этим большого количества потребителей электроэнергии. Для механизмов собственных нужд предусматри­вают резервный источник питания, в качестве которого обычно используют систему.

При пуске блока в работу вначале приводят в движение меха­низмы собственных нужд. В процессе пуска увеличивают давление и температуру пара, а скорость вращения агрегата доводят до но­минальной. Затем подают питание к обмотке возбуждения и гене­ратор электрически соединяют с энергосистемой. Далее постепенно нагружают блок, увеличивая впуск пара в турбину.

Частые пуски и остановки блоков нежелательны, так как они приводят к повышенному износу основных агрегатов и вспомога­тельного оборудования, понижают надежность их работы, вызыва­ют дополнительный расход топлива. Обычно блоки непрерывно ра­ботают в течение нескольких месяцев. В ночные часы их мощность несколько снижают..

Турбогенераторы вырабатывают электроэнергию обычно при на­пряжении, не превышающем 24 кВ. Чтобы передать электроэнергию на расстояние, необходимо повысить напряжение до 110-750 кВ и выше. Для этого в блоки включают повышающие трансформаторы. Электростанции в большинстве случаев выдают электроэнергию на двух, иногда на трех напряжениях, на которых производится рас­пределение электроэнергии между отходящими линиями электропе­редач.

Имеющиеся на ГЭС водохранилища позволяют регулировать расход воды, а следовательно, и мощность станций таким образом, чтобы обеспечить по возможности равномерную работу ГЭС в си­стеме. При этом в системе в целом достигается наилучший эконо­мический эффект.

В период времени, когда нагрузка в системе уменьшается, вода аккумулируется в водохранилище ГЭС. Агрегаты работают с ми­нимальной мощностью или останавливаются. Как только нагрузка резко возрастает, например в утренние или вечерние часы «пик», агрегаты ГЭС работают на полную мощность; расход воды в эти часы может превышать ее приток. Процесс пуска и набора мощ­ности гидроагрегатом полностью автоматизирован и производится всего за несколько минут.

Гидравлические турбины хорошо приспособлены к переменному режиму работы.

За период регулирования, который зависит от объема водохра­нилища, расход воды ГЭС равен ее естественному притоку. Пери­од регулирования может составлять сутки, недели и месяцы. Вовремя паводков, чтобы уменьшить холостой сброс воды через пло­тину, ГЭС работают круглосуточно с максимальной рабочей мощ­ностью.

Из-за большого объема строительных работ удельная стоимость ГЭС (грн./МВт) больше, чем у ТЭС, но зато себестоимость вырабатываемой электро­энергии значительно ниже.

Кроме основных в электроэнергети­ческой системе имеются различные до­полнительные устройства, предназначен­ные для регулирования свойств основных элементов: всевозможные устройства ав­томатики, коммутационные аппараты, компенсирующие устройства, изменяю­щие сопротивления и проводимости линий электропередачи, и т. п. Дополнительные устройства придают электрическим си­стемам качественно новые свойства, повышают надежность их работы, облегчают управление, улучшают качество электроэнер­гии. Эти устройства вместе с основными элементами составляют органическое единство – электрические системы.

По мере развития техники, расширения и углубления научных знаний совершенствовались конструкции элементов электроэнерге­тических систем и улучшались характеристики используемых ма­териалов. Принципы работы элементов электроэнергетических си­стем основаны на использовании законов электротехники.

Синхронный генератор. Принцип работы таких генераторов ос­нован на законе электромагнитной индукции Фарадея, который в наиболее общем виде устанавливает, что э. д. с. определяется ско­ростью изменения магнитного потока:

e=-dФjdt.

Появление э. д. с. при движении проводника в магнитном поле иллюстрируется рис.1

Машинный генератор переменного тока состоит из неподвижно­го статора и вращающегося ротора. Обычно ротор выполняется в виде электромагнитов, обмотки которых называются обмотками возбуждения. Эти обмотки получают питание от источника посто­янного тока через кольца и щетки. В пазах статора, выполненно­го из тонких стальных листов, находятся проводники, соединенные между собой последовательно (рис.2). При вращении ротора в одном проводнике индуктируется э. д. с.

e ₁ =Blv.

Длина проводника l и скорость вращения ротора v не изменя­ются, а магнитная индукция В изменяется по величине и направле­нию. Для получения синусоидальной э. д. с. необходимо, чтобы распределение магнитной индукции по окружности было синусоидаль­ным. Так как проводники соедине­ны последовательно, то величина э. д. с. на зажимах аb (рис. 3) равна сумме э. д. с., наводимых в каждом проводнике. За один обо­рот ротора в каждом проводнике проходит два полных периода изме­нения э. д. с. (рис.4), так как на роторе расположены две пары полюсов.

Частота переменного тока при частоте вращения ротора п (об/мин) и числе пар полюсов р опреде­ляется по формуле

f = pп/60.

Трехфазный синхронный генератор отличается от однофазного тем, что на статоре его расположены три обмотки; каждая из них сдвинута относительно другой в пространстве на 120⁰ (рис.5 ).

При вращении ротора, выполненного в виде электромагнита, в проводниках, расположенных на статоре, будут наводиться э. д. с. Э. д. с. в электрически свя­занных проводниках складываются. Например, при вращении ротора против часо­вой стрелки в проводнике 1 (рис. 5)э. д. с. будет направлена от плоскости чертежа вглубь, а в проводнике 4 - наружу. В сумме эти две э. д. с. определяют величину фазной э. д. с. е_А, направленную от зажима х к зажиму А. Аналогично определяется э. д. с. в других обмотках. Если в воздушном зазоре магнитная ин­дукция распределена по синусоидальной кривой, то в фазах В и С э. д. с. сдви­нуты на 120⁰. В фазе В э. д. с. отстает на 120⁰ от э. д. с. фазы А:

е_В=е_т sin (ω t -120⁰);

э. д. с. в фазе С отстает на 240⁰:

e_c=e_msin (ω t-240 ⁰ );

э. д. с. в фазе А

e _A =e _m sin ω t.

Вращающееся магнитное поле. В синхронных генераторах переменного тока вращающееся маг­нитное поле создается вращением электромагнита первичным двигателем (турбиной). Вращающееся магнитное поле может быть получено также при протекании переменных синусоидальных токов, сдвинутых по фазе на 90⁰, в катушках, располо­женных в пространстве под углом 90⁰ (рис.6). Предположим, что в катушках А и В протекают токи:

I_A=I_msinω t; I_B=I_msin(ω t+90 ⁰ ).

Значения магнитных индукций полей, созда­ваемых токами, также будут сдвинуты по фазе на 90⁰:

B_A=B_msin ω t; B_B=B_mcos ω t.

Величина индукции результирующего магнитного поля, образованного двумя переменными полями, оказывается постоянной:

.

Результирующее магнитное поле с вертикальной осью образует переменный угол α. Действительно,

; ,

т. е. результирующее магнитное поле вращается со скоростью ω = 2π f. За одну секунду поле совершает f оборотов, за минуту - f ·60. При стандартной частоте тока 50 Гц поле вращается с частотой 50·60=3000 об/мин.

Синхронный двигатель. Обмотками статора в двигателе создает­ся вращающееся магнитное поле, которое для наглядности можно рассматривать в виде вращающегося магнита. Подвижный ротор выполняется как постоянный магнит у малых двигателей. При совпадении осей магнитных полей статора и ротора (рис.7, а) двигатель не развивает вращающего момента. Если ось магнитно­го поля ротора смещается на угол δ (рис.7, б), то в соответ­ствии с правилом Фарадея силовые линии магнитного поля стре­мятся сократиться по длине и вызы­вают появление вращающего мо­мента.

Рисунок 7 – Принцип работы синхронного двигателя: а, б - совпадение и не совпадение на­правлений магнитных полей статора и ротора соответственно

Асинхронный двигатель. В конст­руктивном отношении асинхронный двигатель представляет собой непо­движный статор, в обмотках кото­рого трехфазным током создается вращающееся магнитное поле, и по­движный ротор, выполненный из электропроводящего материала. На роторе обычно располагают замкну­тые обмотки. При вращении магнит­ного поля (рис.8) подвижный проводящий диск (или цилиндр) также будет вращаться, увлекаясь магнитным полем. Вра­щающий момент в двигателе возника­ет при взаимодействии наведенных токов ротора и магнитного поля ста­тора. Токи в роторе протекают под действием э. д. с., которые появляются при пересечении магнитным полем ста­тора замкнутых проводящих контуров ротора в соответствии с законом электромагнитной индукции. Сле­довательно, для работы асинхронного двигателя необходимо, что­бы скорости вращения ротора и магнитного поля статора были различны. Относительная разность между этими скоростями назы­вается скольжением:

.

Величина вращающего момента, развиваемого ротором, зави­сит от скольжения (рис.9). При одинаковых частотах враще­ния полей статора и ротора (s= 0 ) э. д. с. в роторе не индукти­руется, следовательно, токи в нем отсутствуют и вращающий электромагнитный момент равен нулю. При неподвижном роторе (s= 1) двигатель должен развивать пусковой момент М _пуск, боль­ший механического М _мех1, для того чтобы быть запущенным в ра­боту.

Динамическое равновесие, при котором частота вращения ро­тора двигателя постоянна, определяется равенством тормозного механического и вращающего электромагнитного моментов. При увеличении механического момента (до значения М _мех2) уменьша­ется частота вращения ротора асинхронного двигателя (скольжение увеличивается от s ₀₁ до s ₀₂).

Трансформаторы. Широкое распространение переменного тока в электроэнергетике обусловлено возможностью получения наибо­лее простых конструкций электрических машин, работа которых основывается на наведении э. д. с. переменным магнитным пото ком. Еще одно преимущество переменного тока - простота преоб­разования напряжения, что важно для передачи электрической энергии на расстояние. Изменение величин напряжения и тока про­изводится в трансформаторах.

Трансформатор был изобретен в 1876 г. П. Н. Яблочковым. Простейший трансформатор состоит из железного магнитопровода, на котором расположены две обмотки с различными числами витков w _l и w ₂(рис.10). Изменяющийся в сердечнике магнитный поток Ф наводит в катушках э.д.с., величины которых пропорциональны числам витков:

е ₁ =-w ₁ dФ/dt; e ₂ =-w ₂ dФ/dt.

Э.д.с., индуктируемые в катушках, практически равны напряжениям (e ₁≈ u ₁, e ₂≈ u ₂).

Потери мощности в трансформаторе невелики и с достаточной точностью можно считать, что мощность, подводимая к первичной обмотке, равна мощности на выходе вторичной обмотки:

P ₁ ≈ P2.

Если напряжение на выводах вторичной обмотки увеличить, например, в 100 раз, то во столько же раз уменьшится величина тока. Снижение величины тока существенно для переда­чи электрической энергии на расстояние, так как позволяет значительно уменьшить потери мощности, пропорциональные квадрату тока. Примерная схе­ма электропередачи, в которой используется высокое напряже­ние, показана на рис.11. Вначале линии электропередачи с помощью повышающего трансформатора увеличивается напряжение до 110 кВ. При этом напряжении электроэнер­гия передается на расстояние. В конце электропередачи энер­гия вновь преобразуется, при­чем напряжение уменьшается до величины 10 кВ, а затем и до более низкой величины ­0, 22 кВ. Повышение напряже­ния линии электропередачи до 110 кВ позволяет в приведен­ной схеме в 500 раз уменьшить величину тока в линии по сравнению с током, притекаю­щим в нагрузку.

Рисунок 11 - Принципиальная схема электропередачи

К одному из основных параметров режима электроэнергетичес­кой системы относится частота. В энергетических системах Украины и Европы принята стандартная частота переменного тока f= 50Гц. В США частота переменного тока f= 60Гц. На некоторых ав­тономных установках, самолетах и кораблях используются более высокие частоты (400 Гц), что позволяет уменьшить габариты электрических машин. Значения частоты, меньшие 50 Гц, применяют­ся сравнительно редко. Для многих потребителей и отраслей народного хозяйства более целесообразно использование нестандартной частоты. Значение частоты выбирается путем проведения технико-экономических расчетов. Для некоторых потребителей возможные значения частот ограничиваются техническими условиями, опреде­ляющими их работоспособность. Например, тепловая инерция ламп накаливания позволяет применять частоту не ниже 25 Гц, при ко­торой становится заметной пульсация света. Диапазон звуковых частот - от 20 Гц до 20 кГц.

Электрической воздушной линией электропередачи называется устройство для передачи электрической энергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам инженерных сооружений. Главные элементы воздушной ЛЕП:

· провода, которые служат для передачи электроэнергии;

· грозозащитные тросы для защиты от атмосферных перенапряжений (грозовых разрядов). Они монтируются в вехрней части опор;

· опоры, поддерживающие провода и тросы на определенной высоте над поверхностью;

· изоляторы, изолирующие провода от тела опоры;

· арматура, при помощи которой провода закрепляются на изоляторах, а изоляторы на опоре.

По конструктивному исполнению различают одноцепные и двухцепные ЛЕП. Под цепью понимают три провода (трехфазная цепь) одной ЛЕП.

Конструктивная часть ВЛЕП характеризуется типами опор, длинами пролетов, габаритными размерами, конструкцией фазы и типами гирлянд изоляторов.

По типу опоры ВЛЕП делятся на промежуточные и анкерные. Промежуточные и анкерные различаются способом подвески проводов. На промежуточной опоре провод подвешивается с помощью поддерживающих гирлянд изоляторов. На анкерных опорах провода закреплены жестко и натянуты до заданного тяже-ния при помощи натяжной гирлянды изоляторов (см. рис.12).

Рисунок 12 – Крепление провода в фазе на промежуточной (а) и анкерной (б) опорах: 1 – траверса; 2 – гирлянда изоляторов; 3 – зажим; 4 – провод

По назначению различают опоры угловые, концевые, специального назначения.

По материалу опор различают деревянные (до 220 кВ), железобетонные (35 – 330 кВ) и металлические (35 кВ и выше).

На ВЛЕП применяют голые провода и тросы. Находясь на открытом воздухе, они подвергаются атмосферным воздействиям. Поэтому материал проводов, кроме хорошей проводимости, должен быть устойчивым к коррозии, обладать механической прочностью. Для проводов применяют следующие материалы:

· медь;

· алюминий;

· сталь;

· сплавы алюминия и меди с другими металлами (железом, магнием, кремнием).

Медь имеет удельную проводимость См·км/мм². Отличается механической прочностью. Пленка окиси защищает ее от коррозии и химических воздействий. Обладает устойчивостью контакта.

Алюминий имеет удельную проводимость См·км/мм². Механическая прочность хуже, чем у меди. Следовательно, чаще следует ставить опоры. Пленка окиси защищает ее от коррозии. Плохо противостоит химическим воздействиям. Не обладает устойчивостью контакта.

Стальные провода имеют плохую проводимость. Отличаются большой механической прочностью. Не обладают устойчивостью к коррозии. Активное сопротивление зависит от протекающего тока.

Выполняют провода и из двух металлов – стали и алюминия. Сталь находится внутри провода и служит для увеличения механической прочности. Алюминий находится снаружи и является токопроводящей частью.

В маркировке проводов сначала указывается материал, а затем сечение в мм². Медные провода маркируют буквой М, алюминиевые провода – буквой А, стальные провода – буквами ПС и ПСО и сталеалюминиевые – буквами АС. В маркировке сталеалюминиевых проводов сначала указывают сечение алюминия, а затем стали. Например, АС-120/19. Провода марки АС выпускаются с различным отношением сечений алюминия и стали при одном и том же сечении алюминия. В зависимости от этого отношения различают провода облегченной конструкции, средней, усиленной и особо усиленной прочности.

Для защиты проводов марки АС от коррозии и химических воздействий используют специальные защитные средства. Тип защиты отражается в маркировке провода:

· марки АСКС, АСКП – провод сталеалюминиевый коррозионностойкий с заполнением стального сердечника (С) или всего провода (П) смазкой;

· марка АСК – как и АСКС, стальной сердечник изолирован полиэтиленовой пленкой.

За рубежом применяются изолирующие самонесущие провода. Представляют собой систему изолированных жил, скрученных вокруг несущего троса. Скрутка выполняется таким образом, что вся механическая нагрузка воспринимается только несущим тросом. Такие провода прокладываются без изоляторов. На опоре могут быть смонтированы несколько ЛЕП различных напряжений.

По конструкции проводов различают:

· однопроволочные, состоящие из одной проволоки сплошного сечения;

· многопроволочные из одного металла, состоящие в зависимости от сечения провода из нечетного количества проволок (от 7 до 61);

· многопроволочные из двух металлов. Количество проводов стального сердечника – нечетное (1, 7 или 19). Количество проволок токопроводящей части – четное.

Провода ВЛЕП располагают на опоре различными способами:

· на одноцепных опорах – треугольником или горизонтально (рис.13, а, б);

· на двухцепных опорах – обратной елкой или шестиугольником в виде “бочки” (рис.13, в, г).

Рисунок 13 – расположение проводов на опорах: а) – треугольником; б) – горизонтально; в) – обратной елкой; г) – бочкой

Горизонтальное расположение провода – наилучшее по условиям эксплуатации, т.к. позволяет применять более низкие опоры и исключает схлестывание проводов при сбрасывании гололеда или пляске проводов. Пляска проводов – это колебания проводов с малой частотой и большой амплитудой).

Так как во всех вариантах несимметричное расположение проводов по отношению к друг другу, то для выравнивания реактивного сопротивления и емкостной проводимости по фазам применяют транспозицию, т.е. меняют расположение проводов на опорах (рис.14).

Рисунок 14 – Транспозиция на ВЛЕП

Кабельная линия электропередачи – это линия для передачи электроэнергии, состоящая из одного или нескольких кабелей.

Кабель – это изолированная по всей длине металлическая жила (или несколько жил), поверх которой наложены защитные покровы.

Преимущества КЛЕП по отношению к ВЛЕП:

· неподверженность атмосферным воздействиям;

· скрытность трассы и недоступность для посторонних лиц.

Недостатки:

· дороже ВЛЕП того класса напряжения;

· более трудоемки в сооружении;

· требуют большего срока для ремонта и более квалифицированного обслуживающего персонала;

· передача одной и той же мощности требует провода большего сечения.

Кабельные ЛЕП широко используются в городских сетях, на территориях предприятий, при пересечении больших водоемов, в загрязненной атмосфере.

Главными элементами КЛЕП являются:

· кабель для передачи электроэнергии;

· соединительные муфты;

· концевые муфты (заделки);

· стопорные муфты. Применяются на крутых участках трассы для предупреждения стекания кабельной массы;

· подпитывающие аппараты и система сигнализации давления масла для линий выполненных маслонаполненными кабелями;

· кабельные сооружения (кабельные коллекторы, туннели, каналы, шахты, колодцы), которые применяют на отдельных участках трассы.

К основным частям кабеля любого напряжения относятся:

· токопроводящие жилы;

· изоляция или изолирующие оболочки, отделяющие токопроводящие жилы друг от друга и от земли;

· защитная оболочка, предохраняющая изоляцию от вредного действия влаги, кислот, механических повреждений.

Конструкция кабеля напряжением 10 кВ приведена на рис.15.

Токопроводящая жила выполняется из меди или алюминия из одной (до 16 мм²) или нескольких проволок. По количеству жил различают кабели:

· одножильные. Применяют на постоянном токе и на переменном токе при напряжении 110 кВ и выше;

· двухжильные. Применяют на постоянном токе;

· трехжильные. Применяют на переменном токе при напряжениях до 35 кВ;

·

Фазная изоляция предназначена для изоляции жил друг от друга. Выполняют из специальной технической бумаги с вязкой пропиткой, которая увеличивает электрическую прочность.

Поясная изоляция обеспечивает одинаковую электрическую прочность между жилами и между любой фазой и землей. Это важно, так как в сети с изолированной нейтралью при замыкании одной из фаз на землю две другие фазы по отношению к земле оказываются под линейным напряжением.

Разделение изоляции на фазную и поясную позволяет уменьшить диаметр кабеля. Но при наличии поясной изоляции электрическое поле отличается от радиального (рис.16). В этом случае силовые линии имеют различные углы наклона по отношению к слоям бумаги, что обусловливает наличие в них тангенциальной составляющей поля. Электрическая прочность вдоль слоев бумаги в 8 – 10 раз меньше, чем поперек.

Свободное пространство кабеля заполняется бумажными жгутами. Они затрудняют перемещение пропиточного состава, удлиняя срок службы кабеля. Они также придают округлую форму кабелю.

Оболочка служит для герметизации изоляции и защиты ее от проникновения влаги, воздуха, химических продуктов, исключает старение изоляции под действием тепла и света. Выполняют из алюминия, свинца, полиэтиленовых материалов.

Броня служит для защиты оболочки от механических повреждений при раскопках, сползании грунта. Выполняют из стальных лент или проволок.