1. Лекция №1
1.1. Цели и задачи курса «Электропитающие системы и электрические сети».
Работа электрической системы прежде всего характеризуется значениями мощности (и соответственно энергии), вырабатываемой, преобразуемой, передаваемой и потребляемой силовыми элементами системы.
Состояние системы в любой момент времени или практически на некотором интервале времени называется режимом системы.
Режим определяется показателями, которые называются параметрами режима. К их числу относятся: частота, активная и реактивная мощности в элементах системы и напряжения у потребителей и в различных точках сети, величины токов и углов расхождения векторов э. д. с. и напряжения.
Различают три основных вида режимов электрических систем [1]:
- нормальный установившийся режим, применительно к которому проектируется электрическая сеть и определяются ее технико-экономические характеристики;
- послеаварийный установившийся режим, наступающий после аварийного отключения какого-либо элемента сети или ряда элементов;
- переходный режим, во время которого система переходит от одного состояния к другому.
Любой режим состоит из множества различных процессов. В дальнейшем условимся различать параметры режима и параметры сети. Параметры режима электрической сети связаны между собой определенными зависимостями.
Например, ток на
участке линии передачи определяется
зависимостью
.
Здесь
,
и
- параметры режима;
- сопротивление данного участка системы
(линии), является одним из параметров
сети. Ряд параметров сети зависит от
характера изменений ее режима, поэтому
электрическая сеть, в сущности, является
нелинейной системой. Однако во многих
практических задачах параметры сети
можно полагать неизменяющимися и считать
сеть линейной.
Другой вид нелинейности изучаемой сети обусловлен характером соотношений между параметрами ее режима. Так, мощность, как известно, связана квадратичной зависимостью с напряжением и т. д. Нелинейность такого вида в большинстве случаев приходится так или иначе учитывать.
Электрические сети рассматриваются в основном применительно к неизменному режиму системы.
Говоря об установившемся режиме, в сущности всегда имеют в виду режим малых возмущений.
Малые возмущения в системе не должны служить причиной ее неустойчивости.
Система должна быть устойчива при этих малых возмущениях. Иначе говоря, она должна обладать статической устойчивостью.
Аварийные переходные процессы возникают вследствие каких-либо резких аварийных изменений режима системы, например, при коротких замыканиях элементов системы и последующем их отключении, при изменении схемы электрических соединений элементов системы.
Большие возмущающие воздействия приводят к значительным отклонениям параметров режима от их исходного состояния.
Под динамической устойчивостью понимают способность системы восстанавливать после больших возмущений состояние, близкое к исходному [1].
1.2. Электроэнергетические системы и электрические сети
Под электроэнергетической, или электрической системой (ЭЭС), обычно понимают электрическую часть энергетической системы. При этом под энергетической системой (ЭС) понимают совокупность всех звеньев цепочки получения, преобразования, распределения и использования всех видов энергии. Таким образом, энергетическая система состоит из котлов, турбин, генераторов, бойлеров, линий передач электрической и тепловой энергии, трансформаторов, электродвигателей, осветительных и нагревательных приборов, преобразователей тока, машин-орудий (станков, насосов, вентиляторов, тяговых устройств и т. д.). К этой цепочке следует присоединить также источники энергоресурсов.
Электроэнергетическая система производит, распределяет и преобразует исключительно (или главным образом) электрическую энергию. Снабжение энергией потребителей от ЭЭС, образованной после соединения сетями отдельных электростанций, имеет значительные технико-экономические преимущества перед снабжением потребителей непосредственно от отдельных станций. ЭЭС дают значительные экономические выгоды, увеличивают надежность и бесперебойность электроснабжения, облегчают создание необходимого резерва мощности.
Важными характерными свойствами энергетических систем являются [1]:
- одновременность процессов производства, распределения и потребления электрической энергии (выработка электроэнергии жестко определяется ее потреблением и наоборот), причем преобразование и передача энергии происходит во всех элементах системы с потерями энергии.
- быстрота протекания процессов, требующая специальных автоматических быстродействующих устройств, обеспечивающих качество энергии и надлежащее протекание переходных процессов в системе;
- связи функционирующих ЭЭС со всеми отраслями народного хозяйства предопределяют необходимость своевременного развития ЭЭС, рост которых должен опережать рост потребления энергии.
Энергетические системы можно различать по ряду признаков: по виду используемых энергетических ресурсов, по составу потребителей энергии и по взаимному географическому расположению источников энергетических ресурсов, а также электрических станций и потребителей энергии.
По виду используемых энергетических ресурсов энергетические системы разделяются на системы, имеющие преимущественно [1]:
- тепловые электростанции, использующие энергию топлива (включая атомное топливо);
- гидроэлектростанции, использующие гидроэнергию и системы смешанного типа, в которых количество тепловых электростанций и гидроэлектростанций примерно одинаково.
По характеру географического расположения станций ЭЭС разделяют на [1]:
- концентрированные, не имеющие дальних передач, поскольку в таких системах электрические станции расположены сравнительно близко к центрам нагрузок;
- протяженные, имеющие дальние передачи энергии и развитые сети, связывающие взаимно удаленные источники энергетических ресурсов и центры нагрузок.
Отдельные энергетические системы связываются между собой электрическими сетями и это объединение их называется объединенной энергетической системой (ОЭС). Основные преимущества объединения энергетических систем:
- уменьшение величины суммарного резерва мощности;
- наилучшее использование мощности и энергии гидростанций одной или нескольких энергетических систем и повышение их экономичности в целом;
- снижение суммарного максимума нагрузки объединяемых энергетических систем;
- взаимопомощь систем в случае неодинаковых сезонных изменений мощности электростанций и, в частности, гидростанций;
- облегчение работы систем при неодинаковых сезонных изменениях нагрузки;
- облегчение работы системы при ремонтах и авариях.
Создание ОЭС имеет дополнительно следующие преимущества:
- «долготный» эффект, возникающий при соединении ОЭС, развиваемых по долготе; в этом случае часы максимумов нагрузки смещены по времени, что приводит к значительному снижению суммарного совмещенного максимума и позволяет уменьшать затраты на сооружение электростанций;
- «широтный» эффект, возникающий при соединении ОЭС, удаленных по широте, при этом длительность часов максимума нагрузки у разных энергетических систем может быть различной, в связи с чем возможна помощь со стороны систем с меньшей длительностью максимума нагрузки другим системам;
- возможность присоединения промежуточных энергетических систем и удешевление электрификации промежуточных районов.
ОЭС может иметь различную структуру, то есть различный состав суммарной установленной мощности энергосистемы, различаемой по типам входящих в систему электростанций (тепловые, конденсационные станции, теплоэлектроцентрали, гидроэлектростанции, атомные электростанции и т. д.).
ОЭС может иметь различную конфигурацию, то есть различное схематически представленное взаимное расположение входящих в энергосистему электростанций и основных электрических сетей, связывающих электростанции с центрами потребления электрической энергии.
Преобразование электрической энергии в системах осуществляется на подстанциях, которые или повышают подводимое напряжение или понижают его. Подстанции являются теми элементами системы, через которые присоединяются станции к сетям и соединяются между собой сети различных напряжений.
Электрические сети - это элементы ЭС, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии. Они состоят из линий электропередач (воздушных и кабельных), подстанций, распределительных и переключательных пунктов. Различают электропередачи транспортирующие энергию. Сети, связывающие электрические станции и подстанции, разделяют на районные и распределительные. Под районными понимают электрические сети, распределяющие электрическую энергию по территории крупных районов, а под распределительными - электрические сети, являющиеся частями районной электрической сети и передающие электрическую энергию непосредственно к местам потребления и к присоединенным там приемникам энергии.
Электрические сети иногда разделяются на питающие, к которым приемники энергии непосредственно не присоединяются, и собственно распределительные (городские и промышленные), предназначенные для непосредственного электроснабжения бытовых потребителей городов, промышленных предприятий и потребителей в сельских местностях.
Электроэнергетическая система является частью энергетической системы. ЭЭС входит в ЭС в качестве подсистемы, наряду с другими подсистемами - теплоснабжающими, транспортными, газовыми, гидроэнергетическими, топливными, в которых, в свою очередь, могут быть выделены подсистемы углеснабжения, нефтеснабжения, снабжения ядерным топливом и т. д.
ЭЭС, будучи подсистемами, сами являются большими системами кибернетического типа.