Общие сведения об электроэнергетике и электроснабжение потребителей электрической энергии.
Производство и распределение электрической энергии.
Основные понятия, термины, определения, общие принципы электроснабжения
Под электроснабжением понимается обеспечение потребителей электроэнергией (ЭЭ), рис. 1.1. [1]. 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 её источников на десятки, сотни тысячи километров и распределены на значительной территории. Для характеристики системы передачи и распределения электрической энергии (ЭЭ) и всей структуры «генерация – передача – потребление» введём некоторые понятия, термины и определения. [6]
Рис. 1.1. Электроснабжение
Электроустановка – совокупность аппаратов, машин, оборудования и сооружений, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения или потребления ЭЭ. Электроустановки (ЭУ) разделяют по величине напряжения до 1000 В (низковольтные ЭУ) и выше 1000 В (высоковольтные ЭУ).
Электростанция – электроустановка, служащая для производства (генерации) электрической энергии в результате преобразования энергии, заключённой в природных энергоносителях (уголь, газ, вода и др.) при помощи турбо- и гидрогенераторов.
Подстанция – электроустановка, предназначенная для приёма, преобразования (трансформации) и распределения электроэнергии, состоящая из трансформаторов (автотрансформаторов) и других преобразователей ЭЭ, распределительных и вспомогательных устройств. В зависимости от назначения подстанции выполняются трансформаторными или преобразовательными – выпрямительными, двигатель-генераторными и др. Подстанция может быть повышающей (повысительной), если преобразование величины напряжения переменного тока осуществляется с низшего напряжения на высшее (подстанции электростанций), и понижающей (понизительной) – в случае трансформации высшего напряжения на низшее (подстанции предприятий, городов и др.).
Центр, источник электропитания – источник ЭЭ, на сборных шинах (зажимах) которого осуществляется автоматическое регулирование режима напряжения. Наряду с электростанциями это шины подстанции с трансформаторами, оснащёнными регуляторами напряжения под нагрузкой (РПН), регулируемыми источниками реактивной мощности, линейными регуляторами и др.
Распределительное устройство (РУ) – электроустановка, входящая в состав любой подстанции; предназначена для приёма и распределения электроэнергии на одном напряжении (до 1000 В и более). РУ содержат коммутационные аппараты, устройства управления, защиты, измерения и вспомогательные сооружения.
Наряду с подстанциями электрическая энергия может распределяться на распределительных пунктах – устройствах, предназначенных для приёма и распределения ЭЭ на одном напряжении (без трансформации) и не входящих в состав подстанции.
Линия электропередачи (ЛЭП) – электроустановка, предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние с возможным промежуточным отбором. Линии выполняют воздушными, кабельными, а также в виде токопроводов на промышленных предприятиях и электростанциях и внутренних проводок в зданиях и сооружениях.
Потребитель ЭЭ, электроприёмник (ЭП) – аппарат, агрегат, механизм (электродвигатель, преобразователь, светильник и др.), потребляющий или преобразующий ЭЭ в другие виды энергии. С позиции структурной иерархии системы передачи и распределения ЭЭ к потребителям может быть отнесена совокупность электрических нагрузок (ЭН) (дом, посёлок, завод и т. д.), получающих электропитание с шин подстанций того или иного напряжения.
Рис. 1.2. Преобразование электроэнергии в электроприемниках
В ряде случаев в качестве потребителей рассматривают подстанции, от которых осуществляется электроснабжение жилого района, промышленного предприятия и др. объектов.
Элементами системы передачи и распределения ЭЭ являются: линии электропередачи различных конструкций и напряжений (W), устройства продольной и поперечной компенсации (КУ) параметров ЛЭП (установки продольной компенсации и шунтирующие реакторы); трансформаторные подстанции (силовые трансформаторы (Т) и автотрансформаторы, выключатели, разъединители, контрольно-измерительные приборы и т. п.); источники реактивной мощности (ИРМ) (конденсаторные батареи, синхронные и статические тиристорные компенсаторы); устройства защиты и автоматики, т. е. автоматические регуляторы (АР), устройства релейной защиты (РЗ) и противоаварийной автоматики (ПА), средства диспетчерского и технологического управления (СДТУ).
Электропередача – это линия с повышающей и понижающей подстанциями, служащая для транзитной передачи электроэнергии от станции к концентрированному потребителю, получающему электроэнергию от шин низшего напряжения понижающей подстанции.
Электрическая сеть – объединение преобразующих подстанций, распределительных устройств, переключательных пунктов и соединяющих их линий электропередачи, предназначенных для передачи ЭЭ от электростанции к местам потребления и распределения её между потребителями. Электрическая сеть эквивалентна развитой высоковольтной сети электропередач. Отдельная электропередача в узком смысле представляет собой электрическую сеть. Развитая электрическая сеть, как по составу электроустановок, так и по функциональному назначению, образует систему передачи и распределения электроэнергии.
В настоящее время применяются три принципа электроснабжения:
- децентрализованный, когда обеспечение электроэнергии осуществляется за счет собственных источников (рис. 1.3);
- централизованный, при котором электроснабжение осуществляется от электроэнергетической системы (рис. 1.4);
- распределенная генерация, когда наряду с централизованным электроснабжением применяются потребительские генерирующие установки (рис. 1.5).
Рис. 1.3. Децентрализованное электроснабжение
Рис. 1.4. Централизованное электроснабжение
Рис. 1.5. СЭС с установками распределенной генерации:
ТЭС – тепловая электростанция; АЭС – атомная электростанция;
ГЭС – гидравлическая электростанция
На современном этапе развития электроэнергетики большинство потребителей получат электроэнергию от ЭЭС. Децентрализованное электроснабжение используется в удаленных и труднодоступных районах. Системы электроснабжения с установками распределенной генерации получают распространение в последние годы в связи с реализацией концепции интеллектуальных электрических сетей – smart grid.
Под системой электропитания (СЭП) понимается совокупность электроустановок, предназначенных для преобразования параметров электроэнергии первичного источника к виду, удобному потребителю, и распределения преобразованной энергии между отдельными электроприемниками (рис. 1.6).
Например, в состав СЭП для питания электронной аппаратуры могут входить следующие устройства:
- выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный;
- инверторы, осуществляющие обратное преобразование;
- преобразователи напряжения (конверторы), изменяющие напряжение постоянного тока;
- стабилизаторы, обеспечивающие стабильность напряжения питания электронных устройств;
- корректоры коэффициента мощности, поддерживающие высокий cos φ на входе выпрямителей;
- агрегаты гарантированного питания на базе дизельных генераторных установок (ДГУ);
- ·источники бесперебойного питания (ИБП) на основе аккумуляторных батарей (АБ).
Рис. 1.6. ЭЭС, СЭС и СЭП
Понятие об электроэнергетической системе
Электроэнергетическая система (ЭЭС) – это совокупность устройств для выработки, передачи, распределения и потребления электроэнергии (рис. 2.1) [1]. ЭЭС включает электрическую часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электрической энергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.
Система электроснабжения - комплекс инженерных сооружений, оборудования и аппаратуры, предназначенный для передачи электрической энергии от источников к потребителям. Основными компонентами системы являются линии электропередач, подстанции и распределительные устройства.
Рис. 2.1. Структурная схема ЭЭС
Энергетическая система (энергосистема) – это совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных меду собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и теплоты при общем управлении этим режимом.
Структурная схема технологических процессов в ЭЭС и СЭС представлена на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Схема технологического процесса выработки, передачи, распределения и потребления электроэнергии: ТЭС – тепловая электростанция; ГЭС – гидравлическая электростанция; АЭС – атомная электростанция; СЭС – система электроснабжения; РГ – установка распределенной генерации; VPP – виртуальная электростанция.
В отличие от других отраслей промышленного производства электроэнергетика обладает следующими особенностями:
- производство, транспорт, распределение и потребление электроэнергии происходит практически единовременно, поэтому ЭЭС и СЭС, отдельные звенья которые могут быть удалены друг от друга на сотни километров, объединены в единый сложный механизм;
- ЭЭС и СЭС характеризуются быстротой протекания переходных процессов: волновые процессы совершаются в тысячные доли секунды, электромагнитные процессы – в десятые доли секунд;
- электроэнергетика обеспечивает ЭЭ все отрасли промышленности, транспорт, связь, отличающиеся технологиями производства, способами преобразования ЭЭ, многообразием электроприемников;
- имеет место значительная временная неравномерность производства и потребления энергии.
Быстрота протекания процессов в ЭЭС и СЭС требует обязательного применения автоматических устройств: аппаратов релейной защиты, автоматических регуляторов, устройств автоматического управления. Правильный выбор и настройку этих устройств, возможно, выполнить только при учете работы всей системы как единого целого.
ЭЭС и СЭС (СЭП) включают элементы, которые можно подразделить на три вида:
- силовые элементы — генераторные агрегаты, осуществляющие преобразование первичных ТЭР в электроэнергию; трансформаторы и выпрямительные установки, посредством которых производится изменение параметров тока и напряжения; линии электропередач (ЛЭП), выполняющие передачу электроэнергии; коммутирующая аппаратура, с помощью которой производится включение или отключение отдельных элементов ЭЭС (СЭС, СЭП);
- измерительные устройства, к которым можно отнести трансформаторы тока и напряжения, на основе которых осуществляется подключение электроизмерительных приборов, а также средств контроля и управления к высоковольтным и многоамперным цепям;
- средства контроля и управления, к которым относятся устройства релейной защиты, а также автоматические регуляторы, системы телемеханики и связи.
