2.2.1. Структура и функции сетей П и РЭ
Электрическая сеть передачи и распределения электроэнергии состоит из подстанций, обеспечивающих преобразование параметров электроэнергии (напряжения, тока), линий электропередач и распределительных устройств.
Подстанция это электроустановка для приема, трансформации и/или преобразования и распределения электроэнергии. Трансформаторная подстанция называется повышающей, если трансформации величины напряжения переменного тока осуществляется с низшего напряжения на высшее, и понижающей в случае обратной трансформации. Преобразовательные подстанции могут быть выпрямительными, двигатель-генераторными и др.
Линия электропередачи (ЛЭП) это электроустановка, предназначенная для передачи электроэнергии на расстояния с возможным промежуточным отбором. ЛЭП бывают воздушными, кабельными, а также в виде токопроводов на промышленных предприятиях и внутренних проводок в зданиях и сооружениях.
Распределительное устройство это электроустановка, входящая в состав любой подстанции, предназначенная для приема и распределения электроэнергии на одном напряжении, без преобразования и трансформации.
Как правило, потребители территориально удалены от ЭЭС, поэтому главной функцией электрической сети является связь ЭЭС с потребителем и передача ему необходимого количества электроэнергии. Кроме этого электрическая сеть выполняет в ЭЭС системообразующую функцию: обеспечивает возможность создания единого комплекса по производству, передаче и распространению электроэнергии.
Современное производство электроэнергии сосредоточено в основном на станциях большой мощности. Передача этих мощностей в районы потребления осуществляется по ЛЭП высокого напряжения. Количество потребителей электроэнергии велико, и строить для каждого из них собственные ЛЭП нецелесообразно. Поэтому станции ЭЭС связываются с узлами концентрации нагрузок потребителей, где сооружаются узловые подстанции. От этих подстанций энергия распределяется на более низком напряжении потребителям, территориально расположенным вблизи узловой подстанции.
В современных сетях электроэнергия, прежде чем достичь потребителя, в среднем проходит три-четыре трансформации, т.е. связь источника с потребителем образует схему, состоящую из линий различных напряжений, связанных между собой трансформаторами. В связи с такой организацией передачи и распределения электроэнергии электрические сети подразделяют на системообразующие (питающие), которые передают электроэнергию в пункты ее распределения, и распределительные, к которым непосредственно подключаются потребители. Понятно, что такое разделение в значительной мере условно, так как линия распределительной сети может считаться питающей для сетей более низкого напряжения.
В системе электроснабжения промышленного предприятия выделяют три подсистемы: внешнего, внутриобъектного и внутрицехового электроснабжения.
В подсистему внешнего электроснабжения промышленного предприятия входят электростанции, подстанции и ЛЭП, находящиеся в ведении ЭЭС, вплоть до главной понижающей подстанции предприятия.
Структура сетей передачи и распределения электроэнергии подсистем внешнего электроснабжения промышленного предприятия, городских сетей и транспорта, показана на рис. 9. Генераторы электростанции вырабатывают электроэнергию напряжением 6, 10 или 20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генератора. При таком напряжении передавать электроэнергию на большие расстояния (более 4–6 км) неэкономично: в целях уменьшения потерь мощности в линиях передачу электроэнергии на большие расстояния производят при повышенном напряжении. Для этого на электростанциях имеются трансформаторные подстанции, повышающие напряжение до расчетного (35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ). Они состоят из силовых трансформаторов, располагаемых обычно на открытом воздухе в непосредственной близости от генераторов, распределительного устройства и щита управления.
На узловых понижающих подстанциях напряжение понижается до 6–10 кВ. Понижающая подстанция обычно состоит из открытой части (110–220 кВ) и закрытой части – распределительных устройств вторичного напряжения (6–10 кВ).
От понижающей подстанции до распределительного пункта электроэнергия передается по кабельным ЛЭП, прокладываемых в кабельных туннелях или, в городской черте, в кабельных коллекторах. Эти ЛЭП, не имеющие распределения электроэнергии по длине, называются питающими кабельными линиями.
Распределительный пункт предназначен для приема электроэнергии по питающими кабельными линиями и передаче ее в распределительную сеть. Распределительные кабельные линии питают распределительные трансформаторные подстанции потребителей (промышленных, городских, транспортных).
В подсистему внутриобъектного электроснабжения промышленного предприятия входят главная понижающая подстанция, собственные электростанции предприятия, центральный распределительный пункт, локальные распределительные пункты и ЛЭП, связывающие подстанции и распределительные пункты между собой.
В состав подсистемы внутрицехового электроснабжения входят цеховые трансформаторные подстанции, либо непосредственно питающие электроприемники (оборудование), либо обеспечивающие распределение электроэнергии к щитам и шкафам внутри цеха [6–8, 10].
2.2.2. Основные требования к сетям П и РЭ
Для успешного выполнения главной функции электрическая сеть должна обеспечивать:
- надежность электроснабжения;
- качество передаваемой электроэнергии;
- безопасность электротехнического и прочего персонала при эксплуатации сетей и электроустановок;
- экономичность, т.е. оптимизацию затрат на сооружение и эксплуатацию.
Надежностью называют свойство сети выполнять свои функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение определенного промежутка времени. Причинами нарушения электроснабжения потребителей могут быть аварии, неправильные действия персонала, ошибки проектирования, стихийные явления. Результат нарушения – снижение отпуска электроэнергии потребителю – приводит к простою оборудования, недовыпуску и порче продукции, к созданию опасных ситуаций и т.д. Для повышения надежности электроснабжения резервируют источники питания и применяют устройства, локализующие аварии.
Электрическая сеть должна обеспечивать требуемую степень надежности электроснабжения потребителей в соответствии с «Правилами устройства электроустановок» [11], которые делят все электроприемники на категории.
Электроприемники первой категории должны иметь бесперебойное электроснабжение, при котором в случае аварийных повреждений питание электроприемника не прерывается или имеет место перерыв в подаче электроэнергии на время работы автоматических устройств (от 1 до 3 с). Питание электроприемников первой категории осуществляется не менее чем от двух независимых источников.
Электроприемники второй категории должны иметь надежное электроснабжение, при котором в случае аварийных повреждений элементов электрической сети питание восстанавливается в течение времени, необходимого для производства ручных переключений резервного элемента, без выполнения ремонта поврежденного элемента.
Для электроприемников третьей категории допускаются перерывы в электроснабжении на время, необходимое для ремонта или замены поврежденного элемента сети, но не более суток.
Качество поставляемой потребителям электроэнергии характеризуется в первую очередь такими параметрами режима, как отклонения частоты и напряжения от номинальных значений. Эти и ряд других параметров должны соответствовать ГОСТ 13109–97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» [12].
Выход показателей качества за допустимые пределы приводит к нарушению работы промышленных электроприемников. Так, при снижении напряжения электродвигатели не обеспечивают нужного вращающего момента, перегреваются; осветительные приборы не обеспечивают должной освещенности и т.д. Отличительными особенностями электроэнергии как продукции является зависимость качества от условий питания электроприемников и включения в сеть дополнительных устройств. Так, пониженное напряжение может быть поднято до желаемой величины с помощью устройств, регулирующих напряжение.
Наличие определенных технических требований к параметрам режима вызывает необходимость их контроля и регулирования в процессе эксплуатации и выбора средств регулирования этих параметров на этапе проектирования электрической сети.
Определение параметров режима на стадии проектирования электрической сети составляет задачу расчета ее установившихся режимов. Расчетная схема электрической сети состоит из схем замещения отдельных ее элементов и характеризует взаимную связь этих элементов. Исходными данными для расчетов служат мощности потребителей электроэнергии и значения напряжения в отдельных узлах сети.
Безопасность электрических сетей и установок обеспечивается выполнением организационных и технических мероприятий, а также применением технических средств защиты. Организационные мероприятия включают допуск к работе лиц, прошедших инструктаж; проверку знаний правил безопасности и инструкций с присвоением квалификационной группы по электробезопасности; организацию надзора за проведением работ и проч. Технические мероприятия предусматривают порядок действий при проведении работ на действующих электроустановках со снятием напряжения: отключение питания электроустановки; выполнение действий, исключающих ошибочную подачу напряжения к месту работы; заземление отключенных токоведущих частей и т.д. Технические средства защиты включат применение заземления, зануления, защитных отключений, защитного шунтирования, изоляции токоведущих частей и проч.
Требования к безопасности электросетей и установок в Республике Беларусь регламентируются следующими нормативными документами:
- «Межотраслевые правила по охране труда при работе в электроустановках» [13] (в 2011 г. Министерством энергетики Республики Беларусь принято решение о разработке ТКП «Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок» с последующей отменой «Межотраслевых правил»);
- «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей» [14] (не распространяются на электроустановки электрических станций, филиалы электрических и тепловых сетей ГПО «Белэнерго», которые эксплуатируются в соответствии с российскими «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей»);
- «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей» [15].
Для обеспечения безопасности персонала энергосистем и других лиц применяют заземления, ограждения, сигнализацию, охрану и проч. Провода воздушных ЛЭП располагают высоко над землей, в некоторых случаях вместо воздушных линий сооружают кабельные.
Экономичность электрических сетей обеспечивается по результатам технико-экономического анализа различных вариантов сооружения или реконструкции и эксплуатации сети. На стадии проектирования выполнение требований экономичности обеспечивается выбором оптимальной схемы сети, параметров и типов оборудования, мест установки и мощности дополнительных устройств, степени резервирования и т.д. В условиях эксплуатации экономичность обеспечивается нахождением рациональной нагрузки линий и трансформаторов и применением схем питания, обеспечивающих минимальные потери [2, 4, 10–15].
