Распределение часов лекционных занятий по темам (разделам)

"Электропитающие системы и электрические сети"

 

Наименование темы (раздела)	28 часов (заочная форма обучения)
1. Рабочие режимы электроэнергетических систем. Баланс активной мощности	4
2. Баланс реактивной мощности	4
3. Регулирование напряжения в ЭЭС	16
4. Режимы заземления нейтралей в электрических сетях	4
Всего	28

 

Распределение часов лабораторных занятий по темам (разделам)

"Электропитающие системы и электрические сети"

 

Наименование темы (раздела)	12 часов (заочная форма обучения)
3. Регулирование напряжения в ЭЭС	12
Всего	12

 

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Баланс активной мощности

Важнейшими свойствами электрической энергии являются:

1) скорость передачи, близкая к скорости света;

2) невозможность накапливания выработанной электроэнергии в сколь либо заметных количествах.

Эти свойства определяют жесткую взаимосвязанность подпроцессов выработки, передачи и потребления электроэнергии. В этой связи можно говорить об электроэнергии как о кратковременной форме существования энергии в природе, оптимально отвечающей условиям транспортирования и трансформирования в иные формы существования энергии, отвечающие непосредственным потребительским нуждам.

В установившемся режиме энергосистемы ее электростанции в любой момент времени должны вырабатывать активную мощность, равную мощности потребителей и покрывать потери электроэнергии. Иными словами, должен соблюдаться баланс мгновенных активных вырабатываемых и потребляемых мощностей:

,

где - суммарная активная мощность, вырабатываемая генераторами электростанций системы и получаемая из соседних ЭЭС;

- суммарное потребление электроэнергии;

- потребление на собственные нужды электростанций;

- суммарная активная мощность нагрузки потребителей;

 - суммарные потери активной мощности.

Представим себе систему, состоящую из одного генератора и одного двигателя, вращающихся с одинаковой частотой при существовании баланса:

 ~ .

Как только мощность генератора начнет убывать, частота понизится, установится новый режим:

 ~ .

Справедливо и обратное.

В реальных электроэнергетических системах, как и в рассмотренном примере:

при  ~ ;

при  ~ .

Иными словами, при нарушении баланса активных мощностей частота принимает новое значение.

При этом важно напомнить, что потребляемая электроприемниками мощность, в свою очередь, связана с частотой переменного тока так называемыми статическими характеристиками по частоте.

Причинами нарушения баланса мощности могут быть:

1) аварийное отключение генератора;

2) неожиданный рост потребления мощности (неплановый, не предусмотренный расчетами);

3) аварийное отключение линий или трансформаторов связи.

Если первые две причины вызывают однозначное снижение частоты, то при возникновении ситуаций третьего типа разделение ЭЭС на части может произойти таким образом, что в одной из них сложится дефицит генерирующих мощностей (снижение частоты), но в другой - избыток генерирующих мощностей (повышение частоты).

Требования к частоте в ЭЭС определяются через показатель "отклонение частоты" (ГОСТ 13109-97):

где  - усредненное значение частоты в герцах, полученное как результат усреднения  наблюдений  на интервале времени, равном 20 с, по формуле

Для отклонения частоты напряжения переменного тока в электрических сетях установлены следующие нормы: нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ± 0,2 и ± 0,4 Гц соответственно.

Качество электрической энергии по отклонению частоты считают соответствующим требования ГОСТ 13109-97, если все измеренные в течение 24 ч значения отклонений частоты находятся в интервале, ограниченном предельно допустимыми значениями, а не менее 95% всех измеренных значений отклонений частоты находятся в интервале, ограниченном нормально допустимыми значениями.

Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода измеренных значений отклонения частоты за нормально и предельно допустимые значения. При этом качество электрической энергии по отклонению частоты считают соответствующим требованиям ГОСТ 13109-97, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения для интервала 24 ч составляет не более 5 % от установленного периода времени, то есть 1 ч. 12 мин, а за предельно допускаемые значения - 0 %.

Рост частоты ликвидируется за счет уменьшения мощности генераторов или их частичного отключения. Падение частоты требует ввода резерва генерирующих мощностей или ограничения мощности потребителей (АЧР, САОН). В противном случае могут возникнуть наиболее тяжелые из возможных последствий - развал ЭЭС.

Последствия одной из первых системных аварий, произошедшей в 1977 г., описывались следующим образом:

"Для всех ньюйоркцев (если они не находились в "уязвимых" местах, вроде лифта или поезда метро), начало "великого затмения" 13 июля было довольно прозаичным. Погас свет, захлебнулось радио, исчезло изображение на экране телевизора. Поначалу было ощущение, что произошла какая-то мелкая неполадка и через полчаса вновь появится свет.

Но достаточно было взглянуть из окна 25-го этажа, как стало ясно, что дело куда серьезнее: вместо привычного моря света на фоне неба виднелись зловеще-темные контуры небоскребов и многоэтажных домов без единого огонька. 25 часов крупнейший город Америки, финансовый центр капиталистического мира был по существу парализованным.

По предварительным сведениям, первопричиной "великого затмения", лишившего электроэнергии 10 миллионов жителей Нью-Йорка и пригородов, явился удар молнии по сети электропередачи, что вывело из строя электростанцию в Индиэн-Пойнт. Этого было достаточно: город в своем потреблении энергии полностью зависит от одной частной корпорации "Консолидейтед Эдисон". В погоне за прибылью корпорация явно пренебрегает мерами по обеспечению надежности системы подачи электроэнергии, хотя печальный опыт уже имеется: в ноябре 1965 года "затмение" поразило все атлантическое побережье Америки и даже Канады.

Вторая проблема - отсутствие сколько-нибудь эффективной кооперации между различными компаниями и штатами. При этом в полную силу проявляется "великая американская традиция самопомощи", то есть индивидуализма и подчинения всевластию сил стихии рынка и природы. Как и во время газового кризиса, вызванного в США небывало холодной зимой, частные компании, на откуп которым отдано обеспечение жизненно важных функций коммунального хозяйства, проявили удивительную беспомощность перед лицом ординарных капризов природы.

Сейчас создано несколько комиссий на федеральном и городском уровне по расследованию причин "великого затмения" 13 июля. Однако, по словам председателя совета директоров "Консолидейтед Эдисон" Ч. Люса, компания не может гарантировать, что такого рода инциденты не повторятся в будущем".

Крупные системные аварии неоднократно происходили в различных энергосистемах мира. Ущерб, наносимый системной аварией, огромен. Начиная с 2000 года случилось уже несколько подобных аварий

Например, 9 сентября 2000 г. произошла системная авария в России. При этом были обесточены города Челябинск, Екатеринбург, Курган.

14 августа 2003 г. произошла крупнейшая системная авария в объединенной энергосистеме США и Канады – было потеряно 61 800 МВт нагрузки, в процессе развития аварии отключилось 263 электростанции (531 энергоблок), включая 10 АЭС (7 в США и 3 в Канаде, всего 19 блоков), 50 миллионов человек осталось без электричества, несколько человек погибло, из-за отключения электроэнергии произошло более 3 тысяч пожаров. Длительность аварии составила почти двое суток: энергоснабжение Нью-Йорка было восстановлено за 24 часа, а в течение 44 часов было подано энергопитание всем потребителям. В итоге экономике США и Канады был нанесен ущерб на сумму не менее 10 миллиардов долларов.

28 августа 2003 г. произошла системная авария в Великобритании. В результате аварии было обесточено 3 подстанции и отключено 724 МВт нагрузки. Пострадало более 250 тыс.человек. Длительность аварии – около часа.

2 сентября 2003 г. произошла системная авария в Мексике – без света остались четыре миллиона жителей г. Мехико.

28 сентября 2003 года из-за возникшего крупного дефицита мощности была погашена вся энергосистема Италии. Энергоснабжение 95% потребителей было восстановлено только утром 29 сентября.

25 мая 2005 г. произошла системная авария в Москве: официально началось с пожара трансформаторов на ПС "Чагино", однако на телевизионных кадрах было отчетливо видно, что горят ТА. Каскадные отключения начались примерно в 10⁰⁰ – 11⁰⁰ часов и были остановлены в 12³⁰. Авария затронула Москву, Московскую область, Тульскую, Калужскую и Рязанскую области. Через девять часов было восстановлено около 70% отключений. Всего затронуто от 1,5 до 2,0 миллионов человек.

Во всех режимах работы ЭЭС должна иметь резерв мощности, реализуемый при росте нагрузки. Принято разделять:

горячий резерв - генераторы ЭЭС нормально загружены ниже Р _ном и при необходимости быстро набирают нагрузку;

холодный резерв, для ввода которого нужен длительный промежуток времени.

Суммарный необходимый резерв по мощности складывается из:

1) нагрузочного резерва - служит для покрытия случайных колебаний и непредвиденного увеличения нагрузки сверх учтенной в балансе регулярного максимума нагрузки.

2) ремонтного резерва - обеспечивающего проведение ППР оборудования электростанций.

3) аварийного резерва - для замены агрегатов, аварийно вышедших из работы.

4) для покрытия возможного превышения электропотребления против планируемого уровня служит так называемый " народнохозяйственный резерв ".

Резервы по энергии создаются за счет запасов первичного топлива на электростанциях.

Если резервы генерирующей подсистемы исчерпаны, но частота не восстановлена, в дело вступает АЧР, действующая дискретно. Объем отключений определяется требованием снижения частоты не ниже 46 Гц - критической частоты технологического оборудования электростанций.