Системы электроснабжения

По отношению к помещению иногда различают внутренние и наружные сети. И, наконец, по конструктивному выполнению сети делятся на внутренние проводки, до 1 кВ, кабельные, до 500 кВ, и воздушные, до 750—1150 кВ, сети. Сети внутри промышленных предприятий иногда частично выполняются закрытыми комплектными токопроводами, прокладываемыми вдоль колонн и стен цехов на высоте, допустимой по условиям производства. Кабельные сети 6—20 кВ в настоящее время являются основой городских и промышленных распределительных сетей. Воздушные сети характерны для электроснабжения сельских потребителей, а также для районных и системообразующих сетей.

1.2.1. Общая характеристика систем электроснабжения

Системами электроснабжения, СЭС, объектов хозяйства страны называются электроэнергетические комплексы, обеспечивающие непосредственное питание электроэнергией конкретных потребителей или их групп. В данные комплексы входят местные электрические станции, электрические сети всех необходимых номинальных напряжений и конструктивных исполнений, а также электроприемники, ЭП, всех технологических назначений. Из сказанного следует, что СЭС являются неотъемлемой частью электроэнергетических систем, ЭЭС. Изложенная принципиальная трактовка современных СЭС как части ЭЭС определяется:

- формированием графиков нагрузок ЭЭС технологическими графиками всех групп потребителей электроэнергии, ПЭ;

- высокими требованиями к надежности электроснабжения и качеству электроэнергии современных ПЭ и отдельных электроприемников, ЭП;

- существенным влиянием на качество электроэнергии в питающей ЭЭС, оказываемым некоторыми крупными промышленными и электротранспортными установками , электродуговые сталеплавильные печи, выпрямительные установки электролиза и транспорта и т.п.

Источниками питания, ИП, электроэнергией СЭС в основном являются понижающие подстанции 35—220/6—10 кВ ЭЭС, а также местные электрические станции. Последними могут быть теплоэлектроцентрали, ТЭЦ, городов и крупнейших промышленных предприятий, осуществляющие как электроснабжение, так и теплоснабжение потребителей, а также дизельные электростанции, ДЭС, в сельскохозяйственных и удаленных от ЭЭС районах.

Электрические сети, питающие СЭС, состоят из внешних воздушных линий 35—220 кВ и понижающих подстанций, ПС, 35—220/6—10 кВ. Распределение электроэнергии по территориям объектов электроснабжения и внутри зданий промышленного, гражданского и другого назначения выполняется линиями 6—10 кВ, подстанциями 6—10/0,38—0,66 кВ и линиями до 1 кВ.

Электроприемники различных технологических назначений преобразуют электроэнергию в механическую, тепловую, электрических и магнитных полей и т.п.

На рисунке 1 представлена принципиальная электрическая схема СЭС и ЭЭС.

Рисунок 1-Структурная электрическая схема электроэнергетической системы, ЭЭС, и системы электроснабжения, СЭС.

ПС- подстанция 35-220/3-10кВ; ТЭЦ-теплоэлектроцентраль        городского или промышленного предприятия, ГПП, ПГВ- главная понижающая подстанция или подстанция глубокого ввода; РП- распределительный пункт; ТП- трансформаторная подстанция 6-10/0,4кВ; РЭС- распределительная электрическая сеть; ЭТ- электротермические установки; ЭО- электрическое освещение; ЭПр- электропривод; ПЭТ-подстанция электрического транспорта; ЭП- электроприемники; ПЛ- питающая линия

Приведенные выше сведения определяют специфику всех электротехнических расчетов и технико-экономического анализа СЭС, заключающихся в:

- обязательности учета параметров и режимных характеристик ЭП и ПЭ;

- учете параметров, схемных решений и режимов работы распределительных электросетей до 1 кВ и 6—10 кВ. В пояснение приведенных выше особенностей расчетов СЭС отметим, что электрические сети 35—220 кВ ЭЭС рассчитываются по нагрузкам на шинах 6—10 кВ подстанций, питающих комплексы промышленных, городских, транспортных, сельских и иных потребителей.

1.2.2. Основные группы потребителей электроэнергии

Электроснабжение промышленных предприятий. Промышленные предприятия потребляют от 30 до 70 % электроэнергии, вырабатываемой в составе ЭЭС. Значительный разброс промышленного потребления определяется индустриальной развитостью и климатическими условиями различных стран; для индустриально развитых стран, включая РФ, характерны количественные значения данного энергопотребления в 50—70 %. В данную группу входят предприятия машиностроения, черной и цветной металлургии, химической промышленности, стройматериалов, текстильных и продовольственных производств и многих иных.

Суммарные установленные мощности ЭП и соответствующие им электрические нагрузки промышленных предприятий изменяются в весьма широких пределах, ориентировочно от единиц мегаватт, металлообработка, мелкое машиностроение и т.п., до 300—500 МВт и более, крупное машиностроение, черная металлургия, электролиз алюминия и иных цветных металлов. Вместе с тем для основной части предприятий характерны мощности в пределах 30—150 МВт.

Системы электроснабжения промышленности характеризуется наибольшим многообразием видов применяемых ЭП, их номинальных мощностей и режимов работы. Вместе с тем основными из них в данной области являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором , 60—90 %, значительную часть которых составляют электродвигатели 10—50 кВт, 380 В. Синхронные двигатели и крупные асинхронные с регулируемым пуском применяются в 10—20 % электроприводных установок. В связи с указанным основные влияния данных ЭП на СЭС в целом заключаются в: колебаниях напряжения, вызываемых значительными пусковыми токами короткозамкнутых асинхронных двигателей; возможностях массового торможения асинхронных двигателей при снижениях рабочего напряжения до 70—80 % номинального значения ,«лавина напряжения»; возможностях работы синхронных двигателей как с потреблением, так и с выдачей реактивной мощности.

Из всего многообразия видов ЭП промышленности значительное влияние на режимы СЭС, в некоторых случаях и на режимы ЭЭС, оказывают электротехнологические и выпрямительные установки. Электродуговые сталеплавильные печи характеризуются установленной мощностью до 100—150 МВт и резкопеременными режимами работы с изменениями потребляемой активной и реактивной мощности в единицы и десятки МВт/с и МВАр/с. Электросварочные агрегаты, широко применяемые в машиностроении, имеют установленную мощность до 2000 кВ · А, их работа характеризуется низкими коэффициентами мощности, 0,2—0,6, и резкопеременной нагрузкой, сотни герц.

В указанных случаях неизбежны значительные колебания напряжения. При применении выпрямительных установок, электролиз, электротермия и другие, из сети переменного тока потребляются несинусоидальные токи, ведущие к несинусоидальности напряжения, в той или иной степени, в СЭС в целом.

В настоящее время значительная часть промышленных предприятий характеризуется 2—21/2-сменным графиками работы, влияние социологических и здравоохранительных факторов. Упрощенный суточный график активных нагрузок такого производства приведен на рисунке 2, г. Вместе с тем ряд производств, например, доменные, сталеплавильные, электролизные, химические и другие производства, естественно, вынуждены работать в 3 смены.

Рисунок 2-Суточные графики активных нагрузок потребителей электроэнергии , примеры:

а-жилое здание с кухонными электрическими плитами; б- школа, одна смена, с    электрифицированным пищеблоком; в-городской электрический транспорт; г- промышленное предприятие , две рабочие смены ; д- сельский населенный пункт. 

В ряде расчетов, как, например, определения потребляемой электроэнергии и годовых потерь электроэнергии, применяется показатель продолжительности использования наибольших нагрузок T н б. Данная величина может приниматься равной 4500—5500 ч/год для 2—21/2-сменных и 7500—8000 ч/год для 3-сменных и непрерывных производств.

Промышленные установки потребляют значительную реактивную мощность, поэтому «естественный», без учета компенсации реактивных нагрузок, коэффициент мощности нагрузки обычно не выше 0,7—0,8.

Большая часть промышленных производств нуждается в высокой надежности электроснабжения, допуская перерывы подачи напряжения лишь на время включения резервного питания, резервные линии, трансформаторы, в пределах 1—2 с , I категория надежности электроснабжения. Наряду с этим:

-ряд производственных процессов химической, нефтеперерабатывающей, электронной и других видов промышленности требуют практически бесперебойного электроснабжения, особая категория, что осуществляется специальными резервными установками;

- ряд цехов и предприятия в целом, складские помещения, заготовка полуфабрикатов, деревообрабатывающие производства, допускают перерывы электроснабжения на время оперативных переключений дежурным персоналом в распределительных электросетях до 1 кВ и более высоких номинальных напряжений , II категория.

Электроснабжение коммунально-бытовых потребителей. К данной группе ПЭ относится широкий круг зданий, расположенных в жилых районах городов и населенных пунктов. Это — жилые здания, здания административно-управленческого назначения, учебные и научные заведения, магазины, здания здравоохранения, культурно-массового назначения, общественного питания и т.п.

Современные ПЭ данного типа характеризуются значительной номенклатурой ЭП, их относительно существенной номинальной мощностью и высокими коэффициентами насыщения данными ЭП бытовых и общественных зданий. Установленные мощности ЭП оцениваются следующим образом: квартиры с газовыми плитами 21,4 кВт, то же — с электроплитами 32,6—39,6 кВт, коттеджи с электроплитами 47,9 кВт. Установленная мощность ЭП в жилых и общественных зданиях, в зависимости от типа, назначения и количества этажей и жилых секций, составляют от 100—200 кВт до единиц мегаватт.

Основными типами современных ЭП зданий данного назначения являются приборы электрического освещения, нагревательные приборы, плиты, отопление, горячая хозяйственная вода, холодильники и морозильники, кондиционеры воздуха и различные приборы электронного типа, аудио-, видеотехника и тому подобное. Преобладание ламп накаливания в осветительных установках и ЭП нагревательного типа определяют высокие значения коэффициентов мощности на вводах в здания , 0,9—0,95, в часы суточных максимумов нагрузок.

Значительная часть ПЭ данной группы предъявляет умеренные требования к надежности электроснабжения, II категория, допускающие перерывы питания на время оперативных переключений в распределительных электросетях до 1 кВ и 6—10 кВ. Вместе с тем, лифтовые и пожарные установки жилых зданий в 17 этажей и более, крупные учебные и зрелищные заведения, как и особо ответственные административные здания, теплофикационные и водопроводные пункты и тому подобное, должны обеспечиваться автоматическим вводом резервного питания, АВР, в течение 1,5—2 с.

На рисунке 2а,2б, приведены примеры суточных графиков активных нагрузок некоторых ПЭ жилых районов города.

Современные плотности электрических нагрузок жилых районов городов, приведенные к шинам трансформаторных подстанций, ТП, 6—10/0,38 кВ, в зависимости от среднего количества этажей жилых зданий ,5—16, составляют от 5 до 50 МВт/км2. Соответствующие продолжительности использования наибольших нагрузок 4500—5000 ч/год.

Электроснабжение электрифицированного транспорта. Выпрямительные подстанции электротранспорта на постоянном токе, городской, промышленный, междугородний, и понижающие ПС междугороднего электрического транспорта на переменном токе питаются электроэнергией от электрических сетей ЭЭС. Соответственно ПС городского электротранспорта, трамвай, троллейбус, метрополитен, располагаются на территориях городов и являются ПЭ городских сетей. Понижающие подстанции междугороднего транспорта, питающиеся непосредственно от электрических сетей ЭЭС, как правило, также располагаются на территории или вблизи населенных пунктов. Понижающие подстанции междугороднего электротранспорта питаются по сетям 35—110—220 кВ.

Электрические нагрузки подстанций в зависимости от объемов перевозок и номинальных напряжений питающих электросетей находятся в пределах 15—50 МВт. Аналогичные нагрузки ПС трамвая и троллейбуса, питающихся при напряжениях 6—10 кВ, находятся в пределах 0,5—2,5 МВт. Коэффициент мощности, потребляемой тяговыми ПС, существенно зависит от режимов нагрузки: в периоды наибольших нагрузок это 0,9—0,95, но при малых нагрузках он снижается до 0,5—0,6. Продолжительности использования наибольших нагрузок городского электротранспорта 5000—5500 ч/год; междугородний транспорт характеризуется большими значениями этой технической характеристики.

Системы электроснабжения электрического транспорта требуют высокой надежности электроснабжения , I категория.

Современные СЭС электрического транспорта оказывают существенное влияние на показатели качества напряжения в питающих электрических сетях от 6—10 до 110 кВ. Это связано:

- с применением установок выпрямления тока, что обусловливает несинусоидальность напряжения;

- с несимметрией напряжения при электротяге на однофазном переменном токе , 27,5 кВ;

- с колебаниями напряжения в сетях 6—10 кВ, вызываемыми пусковыми токами двигателей трамваев и троллейбусов.

На рисунке 2,в приведен суточный график активных нагрузок подстанции городского электротранспорта.

Коротко охарактеризованные ПЭ в значительной части располагаются на территориях городов и в ближних пригородных зонах и поэтому, в большинстве случаев, питаются от общих ПС 35—220 кВ ЭЭС. В зависимости от преобладания промышленных потребителей или ПЭ жилых и административных районов утренний максимум нагрузок может быть больше или меньше вечернего максимума на 10—15 %.