РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Введение

Производство электрической энергии концентрируется преимущественно на крупных электростанциях, работающих совместно (параллельно). Центры потребления электрической энергии (промышленные предприятия, города, сельские районы и т. п.) удалены от ее источников на десятки, сотни и тысячи километров и распределены на значительной территории.

В связи с несовпадением центров производства и потребления энергии необходимы электрическая передача и распределение энергии (транспорт электроэнергии) от станций к электропотребителям [1—3]. Эти функции в сложной цепи «электрическая станция — потребитель» возлагаются на развитые электрические сети и линии электропередачи, которые с устройствами автоматического регулирования, управления и резервирования образуют систему передачи и распределения электрической энергии [4]. Задача такой системы централизованного электроснабжения состоит в том, чтобы донести выработанную на станциях электроэнергию до потребителей.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Назначение распределительных сетей – доставка электроэнергии непосредственно потребителям напряжением 6—10 кВ, распределение электроэнергии между подстанциями б—110/0,38—35 кВ района электропотребления, сбор мощ­ности, производимой небольшими станциями (теплофикационными и гидравли­ческими), мощности которых составляют десятки, иногда сотни мегаватт.

Непрерывный рост во времени этих мощностей приводит к постоянному увеличе­нию номинального напряжения распределительных сетей. Так, еще до недавнего времени распределительные функции возлагались главным образом на сети 6—35 кВ электро­снабжения отдельных групп потребителей. Назначение сетей 110 кВ заключалось в пере­даче (без промежуточных отборов) этих потоков до зон (территорий) их распределения.

На современном этапе электрификации, развития хозяйственно-экономической деятельности, сопровождающегося увеличением охвата этих тер­риторий и количества крупных энергоемких предприятий, распределительные функции возлагаются на питающие сети ПО кВ, а в некоторых ЭЭС перешли к разветвленным линиям электропередачи 220 кВ. Кроме того, рост мощностей, по­требляемых промышленными предприятиями, крупными городами, приводит к необходимости применения глубокого ввода линий 110—220 кВ, т. е. максималь­ного приближения повышенных напряжений к узлам, районам электропотребле­ния. (Выбор номинального напряжения рассматривается в разд. 12.5). Поэтому необходимо отметить условность деления системы передачи и распределения ЭЭ на системообразующие, протяженные сети (системы передачи ЭЭ) и системы распределения ЭЭ по их номинальному напряжению.

Итак, систему распределения ЭЭ составляют сети напряжением 6—150 (220) кВ, включающие в себя две-три ступени (уровня) напряжения с трансформациями ПО (150)/35/6—10 кВ или 220/35/6—10 кВ. Уровень среднего напряжения (СН) соответству­ет сетям напряжениям ПО—150 (220) кВ, питающимся от сетей высшего напряжения (ВН) 330—750 кВ системы передачи ЭЭ через трансформацию ВН/СН. Уровень низше­го напряжения представлен сетями напряжением 6—35 кВ, питающимися от сетей СН с трансформацией СН/НН ПО—150 (220)/6—35 кВ, или напрямую от сетей ВН с транс­формацией ВН/НН с напряжениями 220—330/6—35 кВ. Низковольтные сети 0,22—0,66 кВ также относятся к низшему уровню, образующемуся в результате дополнительной трансформации 6—35/0,22—0,66 кВ.

Возможности распределительных сетей по величине передаваемой мощности и дальности электропередачи отражают данные таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Экономически целесообразные параметры линий электропередачи переменного тока

Так, распределительные сети СН передают мощности в десятки мегаватт, сети НН доставляют мощности по­требителям от нескольких сотен киловатт до нескольких мегаватт. Низковольтные или потребительские сети питают непосредственно аппараты промышленного или бытового назначения. Нагрузки, питаемые этими сетями 0,22—0,38 кВ (за исключе­нием промышленных) имеют мощности от долей киловатт до нескольких киловатт, в промышленных сетях 0,38—0,66 кВ передаваемая мощность составляет от не­скольких десятков и реже до нескольких сотен киловатт.

Электрические сети системы распределения ЭЭ специфичны по структуре (составу), конфигурации и электрическим режимам и поэтому выделены в от­дельный класс напряжением до 150 (220) кВ.

Структура сети определяется их назначением. В частности, сети СН 110—220 кВ, выполняемые, за редким исключением, воздушными линиями, соединены авто­трансформаторной связью, содержат крупные подстанции районного значения и мо­гут объединять электростанции небольшой мощности. Сети НН 0,38—35 кВ, рассчи­танные на распределение и доставку ЭЭ значительно меньших мощностей, в опреде­ленной мере отражают отраслевую принадлежность и могут быть выполнены как воз­душными, так и кабельными. Так, сети 35 кВ внешнего электроснабжения промыш­ленных предприятий и городов, сельской электрификации 0,38—35 кВ выполняются воздушными линиями; городские сети 0,38—10 кВ, сети внутреннего электроснабже­ния промышленных предприятий преимущественно кабельные.

Во многом режимная специфика распределительных сетей определяется их конфигурацией. Конфигурация схемы сети зависит от взаимного расположения центров питания, приемных подстанций и от требований обеспечения надежности (резервирования) электроснабжения.

Распределительные сети могут выполняться разомкнутыми и замкнутыми. При разомкнутой конфигурации — в виде радиальной (рисунок 1.1, а) и магистральной (рисунок 1.1,6) схем с одним центром питания (ЦП). При магистральной конфигурации сети затрачивается меньше проводников и коммутационной аппаратуры, чем при радиаль­ном ее исполнении. Кроме того, по причине меньшей суммарной протяженности ВЛ уменьшается расход опор, изоляторов, линейной арматуры и др. Поэтому магистраль­ные сети дешевле радиальных. Однако они менее надежны, потому что отключение головного участка выводит из работы все электроприемники, получающие питание по данной магистрали. Вместе с тем магистральные сети, выполненные шинопроводами, обеспечивают высокую надежность [5, 6].

Распределительные сети СН ПО—220 кВ снабжают электроэнергией боль­шие районы электропотребления, поэтому выполняются преимущественно резер­вированными, например, в виде радиально-магистральных схем с одним центром питания (рисунок 1.2). Причем нерезервированные разомкнутые схемы следует рас­сматривать как первую очередь сооружения (развития) резервированной сети — при возможности их резервирования по сети СН или НН.

Рисунок 1.1 – Разомкнутая нерезервированная конфигурация

а — радиальная; б — магистральная

Двойная радиально-магистральная сеть за счет дублирования линии (на од­них или разных опорах) обеспечивает резервирование питания потребителей (рисунок 1.2). Эта схема характеризуется равномерной загрузкой обеих линий, что соот­ветствует минимуму потерь, не вызывает увеличения токов короткого замыкания в смежных участках сети, позволяет осуществлять четкое ведение режима работы. Технико-экономические исследования и анализ области применения такой конфигурации показывает, что ее применение (как правило, на двухцепных опо­рах) эффективнее при небольших расстояниях от потребителей до ЦП и при вы­соких уровнях нагрузки, например, для электроснабжения промышленных пред­приятий и отдельных районов городов на напряжении 110 кВ [7, 8]. Преимуществами разомкнутых сетей является простая конфигурация схе­мы, низкая стоимость, минимальные затраты проводникового металла и оборудо­вания. Отсутствие перегрузок в аварийных режимах позволяет вести расчет и вы­бирать сечения проводов только по нормальному режиму работы [9].

Две радиальные нерезервированные сети (рисунок 1.3), питающиеся от одного центра, при развитии за счет подключения новых участков, удлиняющих магист­рали (показано пунктиром), могут быть преобразованы в замкнутую сеть кольце­вой конфигурации (петлевая схема) или в сеть с двумя источниками питания (рисунок 1.4, а), что позволяет резервировать питание потребителей.

Рисунок 1.2 – Радиально-магистральная резервированная конфигурация сети

Достоинством радиально-магистральной и кольцевой схем является незави­симость потокораспределения от потоков сети ВН, отсутствие влияния токов ко­ротких замыканий в прилегающих сетях, возможность присоединения подстанций по простейшим схемам.

Широкое применение находят замкнутая одинарная или двойная сеть, опи­рающаяся на два ЦП (сеть с двусторонним питанием), что позволяет охватить значительную территорию между двумя источниками (рисунок 1.4, 6). Одинарная сеть от двух ЦП может быть образована в результате развития (показано пункти­ром) магистральных участков, подключенных к разным источникам (рисунок 1.14, а).Данная конфигурация применяется в сетях ПО кВ для электрификации сельской местности, а также в распределительных сетях 220 кВ, обеспечивая с наименьшими затратами максимальный охват территории. Возможности данной конфигура­ции ограничиваются пропускной способностью головных участков, т. с. при от­ключении одного из них необходимо обеспечить электроснабжение всех подстан­ций сети; в зависимости от мощности трансформаторов ограничено количество подстанций. Двойная конфигурация (рисунок 1.14, б)обладает большей пропускной способностью, применяется в сетях 110 кВ систем электроснабжения городов, а также в сетях 110—220 кВ для электроснабжения протяженных по­требителей — электрифицируемых железных дорог и трубопроводов [10].

Рисунок 1.3. – Замкнутая кольцевая конфигурация сети с одним центром питания

Рисунок 1.4 – Конфигурация сети с двусторонним питанием:

а — одинарная; б—двойная

Присоединение новых подстанций в ближайших пунктах с целью снижения суммарной длины линии по сравнению с присоединением по кратчайшему к источни­ку пути приводит к созданию сложно-замкнутых (многоконтурных) конфигураций, обладающих высокой надежностью электроснабжения. Расчет анализ ре­жимов, защита замкнутых сетей, управление ими — задачи более сложные, чем для разомкнутых сетей. Сложно-замкнутые сети дороже радиально-магистральных; их использование выгодно только при большой стоимости перерывов электроснабжения, например, в системах электроснабжения больших городов.

При развитии такой системы в результате наложения сети более высокого но­минального напряжения сеть СН преобразуется в двухступенчатую 220/110 кВ с авто­трансформаторной связью. Распределительные сети СН ПО—220 кВ, как правило, многоконтурные: возможна параллельная работа участков сетей одного на­пряжения и сетей различных классов напряжения, осуществляемая через связующие автотрансформаторы с РПН, и поэтому они сильно связаны электрически, имеют об­щий режим. По топологическим свойствам, составу, режимной взаимосвязанности се­ти 110—220 кВ близки к системообразующим сетям 330—750 кВ. Наряду с повыше­нием надежности электроснабжения такая конфигурация системы распределения ЭЭ сопровождается (с большей вероятностью) неэкономичным потокораспределением при параллельной работе сетей как одного, так и разных напряжений и повышенным уровнем токов короткого замыкания, что вызывает необходимость секционирования (деления) сети в нормальных режимах.

Распределительные сети НН 0,38-35 кВ выполняют преимущественно разомкнутой и магистральной конфигурации получают питание одного (рисунки 1.1—1.3) или двух центров. В отдельных слу­чаях эти сети сооружаются как замкнутые (рисунки 1.3, 1.4, а), но эксплуатируемые в разомкнутом режиме (например, в городских сетях). В этих схемах при наруше­нии питания по одной из линий включается резервный участок - перемычка (показан пунктирной линией), который в нормальном режиме разомкнут. При этом электроснабжение осуществляется через резервный участок до восстановления поврежденной ЛЭП.

Главная особенность распределительных сетей НН — их массовость. Коли­чество трансформаторных пунктов, участков сетей достигает в пределах сетевого предприятия несколько сотен. Поэтому в этих сетях для изменения, улучшения режима напряжения используют простые недорогие устройства: трансформаторы без автоматического регулирования и преимущественно нерегулируемые конден­саторные батареи. Задача регулирования напряжения возлагается на ЦП сетей.

Распределительные сети НН и особенно сети 0,38—10 кВ, сильно разветв­ленные, характеризуются большой суммарной протяженностью. Для уменьшения отрицательного влияния перетоков реактивной мощности, вызванных низким значением естественного коэффициента мощности основной массы потребителей, экономически целесообразна высокая или полная ее компенсация с помощью конденсаторных батарей.