🗊Презентация Физические основы электроэнергетики. Лекция 6

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ Лекция 6 Лектор: д.т.н., проф. Абросимов Леонид Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Электростанция – электроустановка, служащая для производства (генерации) электрической энергии. Подстанция – электроустановка, предназначенная для приёма, преобразования (трансформации) и распределения электроэнергии, состоящая из трансформаторов (автотрансформаторов) и других преобразователей ЭЭ, распределительных и вспомогательных устройств. Подстанция может быть повышающей, 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.). 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 Потребитель ЭЭ, электроприёмник (ЭП) – аппарат, агрегат, механизм (электродвигатель, преобразователь, светильник и др.), потребляющий или преобразующий ЭЭ в другие виды энергии. Электропередача – это линия с повышающей и понижающей подстанциями, служащая для транзитной передачи электроэнергии от станции к концентрированному потребителю. 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.

Мощности в цепях синусоидального тока

ИСТОЧНИКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности (ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

ИСТОЧНИКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности (ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

ФИЗИКА ПРОЦЕССА ФИЗИКА ПРОЦЕССА Переменный ток идет по проводу в обе стороны, в идеале нагрузка должна полностью усвоить и переработать полученную энергию. Для переменного тока при рассогласованиях между генератором и потребителем происходит одновременное протекание токов от генератора к нагрузке и от нагрузки к генератору (нагрузка возвращает запасенную ранее энергию любым реактивным элементом, имеющим собственную индуктивность или ёмкость). Индуктивный реактивный элемент стремится сохранить неизменным протекающий через него ток, а ёмкостной — напряжение. Через идеальные резистивные и индуктивные элементы протекает максимальный ток при нулевом напряжении на элементе и, наоборот, максимальное напряжение оказывается приложенным к элементам, имеющим ёмкостной характер, при токе, протекающем через них, близком к нулю. Поскольку одной из особенностей индуктивности является свойство сохранять неизменным ток, протекающий через нее, то при протекании тока нагрузки появляется фазовый сдвиг между током и напряжением (ток «отстает» от напряжения на фазовый угол). Разные знаки у тока и напряжения на период фазового сдвига, как следствие, приводят к снижению энергии электромагнитных полей индуктивностей, которая восполняется из сети.

Фактически же по цепи протекает переменный ток, мгновенное значение Фактически же по цепи протекает переменный ток, мгновенное значение которого определяется выражением i = Im sin(ωt – φ). Под действием этого тока на элементах цепи устанавливается напряжение uа = Um cos φ sin(ωt – φ) -активная составляющая; uр = Um sin φ sin(ωt – φ +/- π/2) реактивная составляющая. Здесь Um и Im — амплитуды синусоидальных напряжения и тока. Мощность, потребляемая активными элементами электрической цепи, определяется как функция времени выражением ра = iuа = UI cos φ [1 – cos(2ωt – φ)], реактивная мощность, потребляемая (генерируемая) реактивными элементами, –qр = iuр = ± UI sin φ sin2(ωt – φ). Линейные диаграммы, отображающие мгновенные значения напряжения и тока в активно-индуктивной цепи, а также соответствующие им мощности приведены на рисунках Амплитуды активной и реактивной мощностей, изменяющихся по синусоидальному закону с двойной частотой (2ω), составляют Р = UI cos φ и Q = UI sin φ, т.е. те самые значения мощностей, которыми пользуются при расчетах режимов и выборе оборудования. При этом мгновенные значения «потребляемой» в индуктивных элементах и «генерируемой» в емкостных элементах реактивной мощности в каждый момент времени имеют противоположный знак, в чем, как было отмечено выше, и проявляется их взаимокомпенсирующее действие.

ТРАНСФОРМАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Для связи с энергосистемой и потребителями, а также для питания собственных потребителей станции (собственных нужд) на электрических станциях и подстанциях устанавливают повышающие и понижающие трансформаторы. В связи с тем что в сетях энергосистем существует несколько ступеней трансформации, количество трансформаторов и их мощность в несколько раз превышают число и установленную мощность генераторов. (на каждый установленный киловатт генераторной мощности приходится 7—8 кВА трансформаторной мощности, а на вновь вводимый — до 12—15 кВА). На крупных электростанциях для связи двух высших напряжений, как правило, применяются автотрансформаторы, обладающие существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с обычными трансформаторами. Стоимость автотрансформатора, потери энергии при эксплуатации значительно ниже, чем у обычных транформаторов той же мощности. На подстанциях 35—750 кВ энергосистем России работает около 2500 силовых трансформаторов и автотрансформаторов общей мощностью более 570 тыс. MB · А, что почти втрое больше установленной мощности электростанций.

ПРИНЦИП РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРА

Для силовых трансформаторов установлены стандартные обозначения (маркировка) начал и концов (выводов) обмоток. В однофазном трансформаторе начало и конец обмотки высшего напряжения (ВН) обозначается соответственно прописными буквами А и X, а обмотки низшего напряжения (НН) — строчными латинскими буквами а и х. При наличии третьей обмотки с промежуточным (средним) напряжением (СН) начало и конец обмотки обозначают соответственно Аm и Хm. В трехфазном трансформаторе начала и концы обмоток ВН обозначаются соответственно А, В, С и X, Y, Z и т.д. В трехфазных трансформаторах обмотки могут быть соединены по схемам «звезда», «треугольник» или «зигзаг», которые соответственно обозначают русскими буквами У и Д и латинской Z. При выводе от нейтрали (общей точки обмоток фаз) у схемы «звезда» или «зигзаг» отвода (ответвления) его обозначают 0, добавляя к буквенным обозначениям схем соединения обмоток индекс «н» (Ун). Схемы соединения трехфазного трансформатора обозначаются в виде дроби, в числителе которой ставят обозначение схемы соединения обмотки ВН, а в знаменателе — НН, например для трансформатора с обмоткой ВН, соединенной по схеме треугольник, а НН — в звезду с выведенной нейтралью обозначение имеет вид Д/Ун.

ПОТЕРИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

КОММУТАЦИОННЫЕ И ЗАЩИТНЫЕ АППАРАТЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Назначение и классификация аппаратов По функциональному признаку электрические аппараты высокого напряжения (АВН) подразделяются на следующие виды: коммутационные аппараты (выключатели, разъединители, короткозамыкатели, отделители); защитные и ограничивающие аппараты (предохранители, токоограничивающие реакторы, разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений); комплектные распределительные устройства (КРУ). Коммутационные аппараты используются для формирования необходимых схем передачи энергии от ее источника (электростанции) к потребителю.

Выключатели предназначены для оперативной и аварийной коммутации в энергосистемах, т.е. выполнения операций включения и отключения отдельных цепей при ручном или автоматическом управлении. Выключатели предназначены для оперативной и аварийной коммутации в энергосистемах, т.е. выполнения операций включения и отключения отдельных цепей при ручном или автоматическом управлении. Во включенном состоянии выключатели должны беспрепятственно пропускать токи нагрузки. Характер режима работы этих аппаратов несколько необычен: нормальным для них считается как включенное состояние, когда они обтекаются током нагрузки, так и отключенное, при котором они обеспечивают необходимую электрическую изоляцию между разомкнутыми участками цепи. Коммутация цепи, осуществляемая при переключении выключателя из одного положения в другое, производится нерегулярно, время от времени, а выполнение им специфических требований по отключению возникающего в цепи короткого замыкания чрезвычайно редко. Выключатели должны надежно выполнять свои функции в течение срока службы (25 лет), находясь в любом из указанных состояний, и одновременно быть всегда готовыми к мгновенному эффективному выполнению любых коммутационных операций, часто после длительного пребывания в неподвижном состоянии. Отсюда следует, что они должны иметь очень высокий коэффициент готовности: при малой продолжительности процессов коммутации (несколько минут в год) должна быть обеспечена постоянная готовность к осуществлению коммутаций.

Разъединители применяются для коммутации обесточенных при помощи выключателей участков токоведущих систем, для переключения РУ с одной ветви на другую, а также для отделения на время ревизии или ремонта силового электротехнического оборудования и создания безопасных условий от смежных частей линии, находящихся под напряжением. Разъединители способны размыкать электрическую цепь только при отсутствии в ней тока или при весьма малом токе. В отличие от выключателей разъединители в отключенном состоянии образуют видимый разрыв цепи. После отключения разъединителей с обеих сторон объекта, например выключателя или трансформатора, они должны заземляться с обеих сторон либо при помощи переносных заземлителей, либо специальных заземляющих ножей, встраиваемых в конструкцию разъединителя. Отделитель служит для отключения обесточенной цепи высокого напряжения за малое время (не более 0,1 с). Он подобен разъединителю, но снабжен быстродействующим приводом. Короткозамыкатель служит для создания искусственного короткого замыкания (КЗ) в цепи высокого напряжения. Конструкция его подобна конструкции заземляющего устройства разъединителя, но снабженного быстродействующим приводом.

В соответствии с принятым условным делением различают четыре основные группы схем РУ: В соответствии с принятым условным делением различают четыре основные группы схем РУ: схемы с коммутацией присоединения одним выключателем— одна-две (в западных странах одна-две-три, реже — четыре и даже пять) системы сборных шин с обходной системой шин либо без нее; схемы с коммутацией присоединения двумя выключателями— две системы сборных шин с двумя выключателями на присоединение (схема 2/1), две системы сборных шин с тремя выключателями на два присоединения (схема 3/2 или полуторная), две системы сборных шин с четырьмя выключателями на три присоединения (схема 4/3), схемы с коммутацией присоединения тремя и более выключателями— связанные многоугольники, генератор—трансформатор—линия с уравнительно-обходным многоугольником, трансформаторы—шины;