"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.
