Дисциплина: Электрическое оборудование электроэнергетических систем и сетей зарубежных стран

Лекция № 1. Схема производства, трансформации, передачи и потребления электроэнергии, общая характеристика оборудования. Многие из нас, жителей крупных городов, часто сталкиваются с таким элементом городского пейзажа, как высоковольтные линии электропередач. Эти загадочные элементы индустриального мира несут в себе что-то необычное, производя впечатление своей мощью и ритмичностью геометрических переплетений (см. рисунок 1).

Рис. 1 Внешний вид крупного города вечером Сегодня я попытаюсь вкратце рассказать вам о том, как работают энергосистемы высоковольтной энергетики, и для чего предназначены отдельные её элементы, которые мы можем встретить вокруг себя. Сразу скажу - это описание является кратким и упрощённым, некоторые детали опущены или упрощены для лучшего восприятия и понимания, поэтому специалисты в этой области могут заметить некоторые кажущиеся недочёты. Это - не техническое руководство, а популярное описание для тех, кому интересен мир высоковольтной энергетики и ЛЭП. Для начала условно разделим путь электричества от источника к потребителю на условные этапы: 1. Выработка (генерирование) электричества. 2. Преобразование и распределение энергии. 3. Передача энергии. 4. Обратное преобразование для последующего потребления или распределения. 5. Потребление электроэнергии. Выполнение первой задачи возложено на источники электрической энергии - электростанции. Основная часть любой электростанции - электрогенератор, приводимый в движение какой-либо внешней силой - давлением пара в ТЭС и АЭС, водой в ГЭС, ветром в ВЭС и т.д. Вращаясь в магнитном поле, генератор вырабатывает электрическую энергию, в обмотках генератора возникает ток. Чаще всего это трёхфазный переменный ток. Давайте рассмотрим в качестве примера схему гидроэлектростанции (ГЭС). Изображение принципиальной схемы гидроэлектростанции представлено на рисунке 2.

Рис. 2 Изображение принципиальной схемы гидроэлектростанции Вода из водохранилища, уровень которого выше уровня реки, падает в сторону реки вниз по напорному водоводу, вращая своим потоком лопасти турбины. Вращение турбины приводит к возникновению тока в генераторе, и он выходит из электростанции. Поскольку потребители электроэнергии находятся совсем не на территории электростанции, а на расстоянии от неё, логично было бы эту энергию до них передать. Чтобы это сделать, нам потребуется преобразовать энергию - напряжение, снимаемое с генераторов электростанции, является недостаточно высоким для передачи электроэнергии на дальние расстояния, а ток - наоборот, достаточно высок, и энергия будет быстро теряться в линии большой протяжённости, расходуясь просто на нагрев проводов. Нам это не нужно, поэтому необходимо будет каким-то образом снизить ток. Чтобы при одинаковой мощности ток стал ниже, нужно сделать напряжение выше, что мы и делаем при помощи силовых трансформаторов. Такой трансформатор представлен на фото сверху машинного зала ГЭС и расположен справа, серого цвета, с вводами 154 кВ (см. рисунок 3).

Рис.3 Силовой трансформатор изображён с правой стороны. Чем больше расстояние, на которое нужно передать электроэнергию, тем выше нашему трансформатору потребуется преобразовать напряжение. Но есть и обратная сторона медали - чем выше напряжение, тем дороже, крупнее и тяжелее становится оборудование для преобразования и передачи энергии. Компромиссным решением стало введение различных классов напряжений для разных расстояний передачи - в масштабах передачи на очень большие расстояния это ВЛ (воздушные линии) сверхвысокого напряжения (750 или 500 киловольт - между странами или в разные концы страны, 330 кВ - между городами и энергосистемами), на расстояния поменьше - ВЛ высокого напряжения (220, 150, 110 кВ - между городами, иногда внутри города), между районами города или из города в ближайшие сёла - среднее напряжение (35 кВ), внутри района - 20, 10 или 6 кВ, внутри квартала или дома - 0.4 кВ (380 В), внутри квартиры - 0.2 кВ (220 В). Преобразованием энергии из одного класса напряжения в другой выполняют электрические подстанции, а распределением и коммутацией линий выполняют распределительные устройства (РУ) этих подстанций. Если распределительное устройство расположено на открытом воздухе, оно называется открытым распределительным устройством (ОРУ), а если в здании - закрытым (ЗРУ). Задача этих устройств - распределить линии разных классов напряжения между собой, произвести измерения их характеристик, их коммутацию и защиту. Например, подстанция может трансформировать из одной линии 330 кВ энергию в три линии по 110 кВ, или из двух линий 154 кВ – в пять линий 35 кВ. При этом нет конкретного направления передачи энергии - если (для последнего случая) энергии на линиях 35 кВ недостаточно, она туда направляется с линий 154 кВ (преобразовавшись в 35 кВ), а если энергия в линии 35 кВ в избытке, то она отправляется на линию 154 кВ (с преобразованием 35 кВ в 154 кВ). Направление передачи при этом может меняться вплоть до нескольких раз в секунду. Вот так выглядит подстанция с ОРУ (см. рисунок 4).

Рис. 4 Распределительная подстанция с ОРУ. По центру слева (правее ступенек) установлен силовой трансформатор. Внутри этого огромного леса проводов, опор и прочего оборудования есть довольно интересные приборы, которые помогают сделать энергосистему чётко функционирующим организмом, способным контролировать и регулировать процесс распределения энергии. Давайте посмотрим на них поближе на примере ОРУ подстанции ДнепроГЭС-2(см. рисунок 5).

Рис. 5 ОРУ подстанции ДнепроГЭС-2 Уже в знакомый нам силовой трансформатор заходят линии прямо с генераторов. Его напряжение – 13,8 кВ (13800 В). После 220 В в вашей розетке эта цифра кажется огромной, но этого недостаточно для передачи всей мощности наших генераторов на нужное нам расстояние. Нам нужно получить 154 кВ, а это более, чем в 10 раз выше. Вот потому наши 13,8 кВ и заходят в силовой трансформатор - он поможет нам получить на выходе нужные нам 154 кВ. Выполнив свой нелёгкий, но очень важный труд, трансформатор предаёт в линию, состоящую из трёх фаз - А, В и С, выработанную генератором мощность. Напряжение между фазами - 154 кВ. Дальше нам нужно измерить напряжение, чтобы убедиться в правильной работе силового трансформатора. Для этого сразу с него фазы заходят на измерительные трансформаторы напряжения. Дальше, для получения значения выходной мощности энергоблока нужно измерить ещё и ток в сети. Для этого линия заходит на измерительные трансформаторы тока. Напомню, что в цепи вольтметры подключаются параллельно, а амперметры - последовательно, поэтому трансформаторы напряжения имеют один ввод (включены параллельно), а трансформаторы тока - два, т.к. подключены последовательно. Стоит также отметить, что наш большой серый силовой трансформатор защищён от пожара системой автоматического пожаротушения - это розовая труба вокруг него, из которой выходят трубочки поменьше. Теперь идём дальше и видим на рисунке 6 трансформаторы тока, масляные выключатели, разъединители, шины, трансформаторы напряжения.

Рис. 6 Трансформаторы тока, масляные выключатели, разъединители, шины, трансформаторы напряжения. Справа от наших трансформаторов тока расположены выключатели. Они позволяют быстро отключить или включить ток в цепи. Поскольку напряжение у нас высокое, здесь в процессе коммутации возникает электрическая дуга. Поэтому внутри него есть устройство дугогашения при помощи трансформаторного масла. Такой выключатель называется маломасляным. Бывают ещё воздушные, элегазовые, просто масляные, но сейчас не это важно. Посмотрите на него - разве можно понять, идёт ли сейчас ток дальше него? Для этого справа установлены серые разъединители, позволяющие, заземлить цепь и визуально показать, что цепь разорвана. Посмотрите внимательно на разъединители - они состоят из двух половинок. Когда разъединитель соединён и цепь включена, половинки соединены, как на нашем фото, вот так: ----. А когда он разъединён и цепь разорвана, половинки разойдутся вот так: | |. Разъединители не обладают никакими средствами дугогашения, и служат для визуального контроля над соединением участков линии, коммутацию их можно осуществлять только при отсутствии напряжения. После всего этого электроэнергия выходит на шины - это фазные провода, к которым подключается несколько фаз с нескольких силовых трансформаторов. Это сделано для того, чтобы если один трансформатор находится в ремонте, то другой и дальше может подавать на линию электроэнергию, и свет в окнах уютных домов города по-прежнему горит. Дальше с шины три фазы выходят на ЛЭП для передачи на расстояние. Такие три фазы далее будут называться цепью линии электропередачи.Теперь энергия переходит на стадию передачи. И тут мы поговорим о главном элементе этого звена - о воздушных ЛЭП и опорах для них. Опоры могут нести на себе как одну, так и сразу две трёхфазных цепи - такие опоры соответственно называются одноцепными и двухцепными. Вот одноцепная опора - несёт на себе три фазных провода (см. рисунок 7).

Рис. 7 Одноцепная опора - несёт на себе три фазных провода А вот эта опора - двухцепная, несёт шесть фазных проводов (см. рисунок 8).

Рис. 8 Опора - двухцепная, несёт шесть фазных проводов По назначению опоры делятся на анкерные и промежуточные. Анкерные держат вес проводов и создают натяжение, позволяют делать поворот линии (поворотно-анкерные опоры), переводят линии через преграды (переходные опоры). Отличительная черта анкерных опор - гирлянда изоляторов параллельна земле. Промежуточные опоры просто удерживают провода над землёй, не создавая их натяжение и не принимая на себя всю их массу. Промежуточные опоры стоят между анкерными, их может быть много подряд. На промежуточных опорах гирлянда изоляторов перпендикулярна поверхности земли. Вот анкерная опора, изоляторы параллельны земле (см. рисунок 9)

Рис.9 Анкерная опора, изоляторы параллельны земле А вот промежуточные опоры, изоляторы смотрят вниз (см. рисунок 10).

Рис. 10 Промежуточные опоры, изоляторы смотрят вниз У каждой линии есть свой уникальный номер, например, Л10, Л229, и т.д. Эти номера, а также порядковый номер опоры обычно наносятся на сами опоры (нумерация опор обычно идёт в сторону потребителя или понижающей подстанции). Изоляторы на опорах нужны для того, чтобы закрепить провода на траверсах и не допустить электрической связи фазных проводов с опорой. Чем больше изоляторов в гирлянде, тем выше напряжение, или тем сильнее загрязнён воздух в данной местности, или тем больший вес проводов приходится держать анкерной опоре. По количеству изоляторов удобно определять класс напряжения линии - если изолятор 1, то это линия 6 или 10 кВ, если их в гирлянде от 3 до 5, то это линия с напряжением 35 кВ, если более 5 изоляторов (до 10) - это 110 кВ, 8-12 изоляторов - 154 или 220 кВ. Начиная с 330 кВ провода в фазах расшепляются на два, чтобы не использовать один очень толстый и тяжёлый провод. Выглядит это так (см. рисунок 11)

Рис.11 Опора 330 кВ с расщеплёнными проводами в фазе Так что если провод двойной, то это 330 кВ (за редким исключением - могут расщепляться и 154 кВ, если ток в линии очень большой). В линиях 500 кВ фазы расщеплены на 3 или 4 провода, а в линиях 750 кВ - на 5 проводов. Естественно, и сами опоры там массивнее и крупнее. Теперь давайте рассмотрим строение опоры линии электропередач и сопутствующей ей электроарматуры (см. рисунок 12). Вот она, опора (откройте это фото в новой вкладке чтобы дальше по нему ориентироваться).

Рис. 12 Строение опоры линии электропередач и сопутствующей ей электроарматуры Опоры бывают железобетонные и металлические, мы рассматриваем металлическую опору, несущую одну цепь 330 кВ. Сама опора стоит на фундаменте, залитом в земле. Фазные провода прикреплены к траверсам опоры через гирлянды изоляторов. Изоляторы предотвращают электрический пробой с фазных проводов на опору, поэтому человек, прикоснувшийся к опоре внизу, не будет убит током от линии. Фазные провода между местами крепления к опоре на анкерных опорах (а мы рассматриваем именно такую - видите, изоляторы параллельны земле?) обходят траверсу по дуге, естественно, что эта дуга из проводов отдалена на безопасное расстояние от опоры и траверсы при помощи всё тех же изоляторов, в том числе вспомогательных, стоящих вертикально и удерживающих безопасный радиус провисания дуги провода. На нижней правой траверсе нашей опоры нет такой вспомогательной гирлянды изоляторов, на остальных - есть. Сами изоляторы бывают стеклянные, фарфоровые и полимерные. Стеклянные - самые тяжёлые, на вид они прозрачные с зеленоватым оттенком (см. рисунок 13).

Рис. 13 Гирлянды стеклянных изоляторов Обратите внимание, что в некоторых местах изоляторы отсутствуют - это свидетельство разрушения некоторых из них. Если в изоляторе появляется малейшая трещина, он сразу лопается и падает на землю, чтобы по образовавшейся пустоте в гирлянде можно было понять необходимость замены изолятора на новый. Фарфоровые изоляторы немного легче стеклянных, их цвет - тёмно-коричневый. Вот на этой опоре (см. рисунок 14) линии 35 кВ слева и по центру расположены фарфоровые изоляторы, а справа - стеклянные:

Рис. 14 Слева и по центру расположены фарфоровые изоляторы, а справа - стеклянные Полимерные изоляторы - самые лёгкие, они сделаны из материала, напоминающего мягкий пластик. В отличие от других видов изоляторов, полимерные изготавливаются в виде готовой собранной гирлянды на нужный класс напряжения, в то время как обычные изоляторы собираются в гирлянду, соединяясь друг с другом при помощи специальной системы креплений. При равном пути утечки полимерные изоляторы имеют не только меньшую массу, но и габаритные размеры - сама гирлянда существенно тоньше, а количество рёбер в гирлянде выше, чем для аналогичной сборной гирлянды из стеклянных или фарфоровых изоляторов. Вот так выглядят полимерные изоляторы на опоре линии 35 кВ (см. рисунок 15).

Рис. 15 Полимерные изоляторы на опоре линии 35 кВ А это - полимерные изоляторы на линии 154 кВ (см. рисунок 16).

Рис. 16 Полимерные изоляторы на линии 154 кВ В местах крепления фазных проводов к изоляторам на некоторых опорах установлены металлические кольца, называемые защитными экранами - они способствуют равномерному распределению коронного разряда, возникающего в этих местах, и снижают потери в сети на корону. Коронный разряд выглядит как слабое свечение, сопровождаемое треском - для ЛЭП это вредное явление, и его стараются подавлять как можно сильнее. Защитные экраны имеют разную форму, их много видов - бывают и в виде колец, и в виде полуколец, и в виде рогов. Вот, например, экраны-кольца (см рисунок 17).

Рис. 17 Защитный экран в виде кольца На концах проводов недалеко от изоляторов часто расположены конструкции в виде гантелек - гасители вибрации. Это - колебательный контур, настроенный в противофазу высокочастотным колебаниям проводов, и снижающий их вибрацию, которая может разрушить крепёжную арматуру и сам провод в месте крепления. Вот как они выглядят поближе (см. рисунок 18).

Рис.18 Конструкция в виде гантелек - гаситель вибрации В самом верху любой высоковольтной опоры прикреплён тонкий провод, называемый грозотросом. Он всегда расположен выше всех фазных проводов, и если молния решит ударить в провода или в опору, она попадёт именно в грозотрос, и будет безопасно заземлена через опору в обход фазных проводов. Грозотрос может быть прикреплён к опоре через один изолятор, в некоторых случаях он сразу крепится напрямую к опоре, а точнее к стальному пруту, идущему по опоре в землю - заземлителю. Теперь мы знаем назначение основных элементов опор ЛЭП. Некоторые из них, например, гасители вибрации или экраны, встречаются не на всех опорах, другие же, такие как траверсы, изоляторы и грозотрос - на всех без исключения, являясь неотъемлемой частью линии электропередач. Помимо обычных одно - и двухцепных опор бывают и специальные. Например, вот такие, несущие сразу три цепи, в данном случае это сделано, чтобы поменять две цепи местами (см. рисунок 19).

Рис. 19 Специальная опора несущая сразу три цепи, в данном случае это сделано, чтобы поменять две цепи местами Бывают также случаи, когда цепь необходимо отделить от основной магистрали, например, для ввода на подстанцию или для создания ещё одной линии, в то время как основная линия пойдёт дальше. Такой процесс называется отпайкой. После того, как линия высокого напряжения прошла некоторый путь, она достигает конечной или промежуточной распределительной подстанции, из которой выходят уже другие линии, как правило, более низкого класса напряжения. Например, с электростанции вышла линия напряжением 750 кВ, и, пройдя значительную территорию страны, достигла одной из подстанций в каком-нибудь крупном городе. Из этой подстанции уже выходят несколько линий 330 кВ, и одна из них, пройдя из одного крупного города в другой, достигла подстанции, из которой вышло несколько линий напряжением, например, 154 кВ. В свою очередь, одна из линий 154 кВ, пройдя через весь город в другой его район, достигла подстанции, из которой выходят несколько линий 35 кВ. Одна из этих линий проходит по территории района города, доходит до районной подстанции и там преобразуется во множество распределительных линий напряжением 10 кВ. Каждая и этих линий идёт по кварталам района (под землёй, если это район высотных застроек, и по воздуху, если это частный сектор). В свою очередь наша линия 10 кВ уже в квартале назначения линия при помощи трансформаторной подстанции (ТП - если это квартал высотных застроек), или комплектной трансформаторной подстанции (КТП - если это частный сектор) преобразуется в линию 0.4 кВ (380 В). Эта трёхфазная сеть распределяется по этажам домов или по домам в частном секторе - по одной фазе в каждый дом, фазы чередуются последовательно. Ниже приведена схема, на которой условно поясняется, как распределяются линии разных классов напряжения на пути от электростанции к конечным потребителям (см. рисунок 20).

Рис. 20 Схема разных классов напряжения от электростанции к конечным потребителям Обратите внимание, что в реальности на подстанцию приходит не одна линия более высокого напряжения, а несколько, причём вся энергосистема зависит не от одной электростанции, а сразу от нескольких, и, таким образом, является надёжной - в случае выхода из строя одной из линий или даже целой электростанции, энергоснабжение потребителей не прекратится. Давайте рассмотрим крайнее, низковольтное звено энергосистемы. Оно состоит из распределительных линий напряжением 10 или 6 кВ, из комплектных и блочных трансформаторных подстанций, а также из линий 0,4 кВ, идущих непосредственно к потребителям в виде трёхфазной сети напряжением 380 В или однофазной 220 В. Познакомимся поближе с опорами этих классов напряжений. Вот так выглядит одноцепная линия 6 кВ (см. рисунок 21).

Рис. 21 Одноцепная линия 6 кВ Обратите внимание, что на низковольтных линиях используются изоляторы другого типа, отличающиеся от тех, что применяются на линиях более высокого напряжения. Здесь мы видим не подвесные изоляторы, из которых складывается гирлянда, а штыревые изоляторы, которые накручиваются на стальные штыри, прикреплённые к траверсам железобетонных опор. Эти изоляторы являются одинарными, и лишь на анкерных опорах используются подвесные изоляторы, по 1-2 штуки в гирлянде. Бывают и двухцепные линии, хотя и встречаются они реже одноцепных (см. рисунок 22)

Рис.22 Двухцепная низковольтная линия Если распределительная линия идёт к жилому району с многоэтажками, она, как правило, уходит под землю вот таким образом, и из воздушной превращается в кабельную (см. рисунок 23).

Рис. 23 Превращение воздушной линии в кабельную Кстати, на этой опоре видны разрядники (элементы в виде цилиндриков сбоку от крайних изоляторов и снизу верхних) - это устройства, позволяющие при перенапряжении, вызванном, например, попаданием молнии в фазные провода, сразу же заземлить избыточный ток, предотвращая повреждение оборудования, расположенного дальше по линии. Разрядники и ограничители перенапряжения (ОПН) устанавливаются повсеместно на участках присоединения линии к подстанции, в местах перехода из воздушной линии в кабельную или наоборот, и в других важных точках электрической сети. Итак, линия ушла под землю, и зайдёт уже возле жилых домов на трансформаторную подстанцию, где будет преобразована в одну или множество трёхфазных линий напряжением 380 В. Далее каждая из фаз будет подана по очереди в каждую квартиру дома вместе с общим проводом - нейтралью, или "нулём". Так получается однофазная сеть напряжением 220 В, повсеместно применяемая в быту. Если же линия 10 или 6 кВ идёт в частный сектор, она обычно на всём протяжении проходит по воздуху, и заходит на комплектную трансформаторную подстанцию (КТП), которая выглядит так (см рисунок 24).

Рис.24 Комплектная трансформаторная подстанция (КТП) Далее, опять же по воздуху, по всем улицам квартала или посёлка, обслуживаемого данной подстанцией, проходит полученная на выходе КТП линия 0.4 кВ (380 В), состоящая из трёх фаз и одной общей точки - нейтрали. В каждый дом заходит два провода - нейтраль и одна из фаз, причём каждая фаза чередуется между домами для равномерного распределения нагрузки трёхфазной сети. В результате в каждом доме есть уже привычные нам 220 В - бытовая однофазная электрическая сеть. И уже на этом этапе наша электроэнергия наконец достигает своей цели - электроприборов в наших домах и квартирах, дающих свет, тепло и комфорт для каждого из нас. На рисунке 25 представлено явление - разряда молнии в электрическую опору.

Рис.25 Разряд молнии в электрическую опору Пройдя долгий и нелёгкий путь от электростанции до вашей розетки, электричество преодолело сотни, а то и тысячи километров, множество раз преобразовалось, прошло тысячи единиц различного оборудования, от турбогенератора электростанции до трансформаторной подстанции вашего квартала - выключатели, разъединители, силовые и измерительные трансформаторы, разрядники, шины подстанций, распределительные устройства, и тысячи разнообразных электроопор. Сложная, замкнутая и переплетённая энергосистема обеспечивает надёжное функционирование всего этого электрического организма, каждый её компонент оберегает его от повреждений и сбоев, чтобы бесперебойно доставить в каждый дом, к каждому заводу, фабрике и предприятию так необходимое в наше время электричество. Изучив основные компоненты энергосистемы и осознав важность и функциональное назначение каждого из них, теперь мы по-настоящему понимаем, насколько сложным, но увлекательным и разнообразным является мир электрических сетей.