Системы передачи электрической энергии

Основу системы передачи электрической энергии от электрических станций, ее производящих, о крупных районов электропотребления и распределительных узлов ЭЭС составляют различные сети электропередач или отдельные электропередачи внутрисистемного и межсистемного значения (системообразующие сети) и питающие сети напряжением 220 кВ и выше. Их появление вызвано необходимостью размещения крупных ТЭС и АЭС за пределами жилых зон, а так же возможностью выработки части ЭЭ гидроэлектростанциями, расположенными на относительно удаленным расстоянии от городов. Внутрисистемные и межсистемные магистральные линии электропередачи, включая дальние (протяженные) ЛЭП, объединяющие на совместную (параллельную) работу электростанции и более крупные подстанции (районы потребления), составляет системообразующую сеть. Назначение такой сети – формирование ЭЭС и одновременно выполнение функции передачи, транзита электрической энергии.

Одним из основным требований, предъявляемых к таким передающим и связующим сетям, является обеспечение надежности и устойчивости их работы, т.е. обеспечение ее работоспособности во всех возможных состояниях (режимах) – нормальных, ремонтных, аварийных и послеаварийных. Решение этой задачи в значительной мере возлагается на большой комплекс автоматических устройств: управление релейной защиты, режимной и противоаварийной автоматики. Совокупность магистральных и системообразующих (передающих) электрических сетей и устройств автоматического регулирования образуют систему передачи электрической энергии.

Приведем краткую характеристику такой системы по ряду показателей, к которым в первую очередь относятся величины передаваемой мощности, номинального напряжения, функциональное значение и дальность передачи, конфигурация (топология) сети.

Системообразующая сеть, является основной сетью энергосистем, предназначена для передачи больших потоков мощности ( от сотен МВт до нескольких ГВт) отдельным потребителям (расстояние до 1000 км и более)и выполняется в основном магистральными линиями электропередачи на переменном токе. Межсистемные линии электропередачи сооружают обычно на напряжение более высокое, чем напряжение внутрисистемных линий соединяемых систем, и включают трансформаторные подстанции по концам. Межсистемные передачи ЭЭ переменным током осуществляется преимущественно на напряжение 500 и 750 кВ. Напряжение 500 кВ используется для системообразующих сетей в энергосистемах со шкалой номинальных напряжений сетей 110-220-500-1150 кВ и напряжение 750 кВ в ОЭС со шкалой 150-330-750 кВ, в которой в качестве следующей ступени возможно напряжение 1800 кВ.

Сети этих напряжений служат для выдачи мощности крупных электростанций, создания межсистемных связей и питания нагрузочных узлов 550/220, 500/110, 330/110 (150) кВ, а в некоторых ЭЭС - линии 220 кВ, используются для внутрисистемных связей: выдачи мощности и связи крупных электростанций, для питания и объединения центров электроснабжения 330/110 (150), 220/110 систем распределения электроэнергии. В мощных концентрированных ЭЭС с развитой сетью 500 кВ сети 220 кВ выполняют, как правило распределительные функции.

Линии электропередачи, передающие потоки равными мощностями группы генераторов или соизмеримыми с установленной мощностью энергосистем, относятся к сильным связям. При пропускной способности, не превышающей 10-15% от установленной мощности меньшей из объединяемых энергосистем, связь между ними характеризуются как слабая. По этим связям практически проводят границу между отдельными ЭЭС.

Если одна из энергосистем постоянно располагает избыточной по балансу мощностью и энергией, стоимость которой ниже, чем в другой энергосистеме, то межсистемная ЛЭП работает с неизменным направлением потока мощности.

Линию электропередачи с переменным направлением потока называют реверсивной (маневренной). Ее роль состоит главным образом во взаимопомощи между соседними сравнительно мощными системами. Различие между магистралями и реверсивными связями часто очень неопределенной.

Условность деления системы передачи и распределения электрической энергии на основные электрические сети, т.е. протяженные (дальние) электропередачи, системообразующие сети и системы распределения электрической энергии по их номинальному напряжению. По мере развития основных сетей (роста нагрузок и присоединения понижающей подстанции, появление новых генерирующих источников и охвата территории электрическими системами) они в большей мере выполняют функцию распределения электроэнергии. Это означает, что сети, выполняющие функцию передающих, системообразующих, с появлением в энергосистемах сетей более высокого напряжения постепенно “передают” им эти функции, превращаясь в распределительные.

Номинальное напряжение линии электропередачи зависит от передаваемой мощности, количества цепей и расстояния (дальности), нат которое передается электроэнергия . Выбор номинальных напряжений выполняют на этапе проектирования систем передачи ЭЭ. В данном случае необходимо отметить, что чем больше передаваемая мощность и протяженность линии, тем выше по техническим и экономических причинам должно быть номинальное напряжение электропередачи. На современном этапе развития ЭЭС ориентировочная передаваемая мощность и длинна линии электропередачи в зависимости от класса напряжения характеризуется данными приведенными в таблице 1.

Таблица 1. Передаваемая мощность и дальность передачи

Напряжение линии, кВ	Количество проводов в фазах и наиболее применяемые площади сечений, мм²	Передаваемая мощность, МВт		Длинна линии электропередачи, км
Напряжение линии, кВ		натуральная	При плотности тока 1,1 А/мм²	Предельная КПД, равном 0,90	Средняя между соседними подстанциями
220	240-400	135	90-150	400	100
330	2х240-2х400	360	270-450	700	130
500	3х330-3х500	900	770-1300	1200	280
750	5х300-5х400	2100	1500-2000	2200	300
1150	8х300-8х500	5200	4000-6000	3000	-

Передача мощности от удаленных электростанций на первых этапах развития межсистемных межсистемной связи выполняются в виде неразветвленной электропередачи напряжением (330) 5001150 кВ (рисунок 1). Мощные КЭС или ГЭС имеют блочную схему. К каждому трансформатору присоединяют от одного до трех генераторов, отдающих энергию на шины 500-150 кВ. Далее энергия передается по длинной линии, через понижающую подстанцию в приемную систему, часть нагрузки которой обеспечивается собственными генерирующими станциями (рис. 1)

Если на станции несколько блоков и связующая линия многоцепная, то электропередачи могут выполняться на основе блочной или связной схем. В блочной схеме (рисунок 2) дальняя передача мощности осуществляется по отдельным поперечно не связанным электропередачам (блокам) на общую группу шин (подстанций) приемной системы, соединенных между собой связями 110-220 кВ.

Эти связи и станции приемной системы должны удовлетворять потребность мощности в случае выхода из строя какого-либо блока. При отключении цепи (блока) авария локализуется на одной из станции, однако приемная система полностью лишается соответствующей части мощности передающей станции. В связанной схеме (рисунок 3) обеспечивающей большую надежность электроснабжения, многоцепная дальняя ЛЭП имеет вдоль своей трассы несколько соединений – переключательных пунктов (ПП) – между отдельными цепями, делящими длинную линию на короткие участки (250-350 км). Сооружение ПП сопровождается возрастанием количества применяемых дорогостоящих выключателей. Отключение отдельной линии участка сети между переключательными пунктами незначительно увеличивает суммарное сопротивление, что позволяет сохранить передачу заданной мощности по передаче мощности или пропускной способности электропередачи.

Под пропускной способностью электропередачи понимается наибольшая активная мощность трех фаз электропередачи, которую можно передать в длительном установившемся режиме с учетом режимно–технических ограничений. Наибольшая передаваемая активная мощность (предел) электропередачи ограничена условиями статической устойчивости генераторов электрических станций, передающей и приемной части ЭЭС, связанных электропередачей с номинальным напряжением Uном:

(1)

и допустимой мощностью по нагреву проводов линии с допустимым током Iдоп:

(2)

где Е и U -ЭДС генераторов предающей станции и напряжения приемной системы; и - результирующие (суммарное) индуктивное сопротивление и коэффициент мощности электропередачи.

Из практики эксплуатации ЭЭС следует, что пропускная способность электропередач 500-750 кВ обычно определяется фактором статической устойчивости, для электропередач 220-330 кВ ограничения могут наступать как по условию устойчивости, так и по допустимому нагреву.

Характерные данные о пропускной способности линии электропередачи приведены в таблицу 2

Таблица 2. Характеристика пропускной способности линий электропередачи

U_ном, кВ	Длинна линии	Число и площадь сечения проводов, мм	Натуральная мощность Р _нат МВт	Пропускная способность
				По устойчивости		По нагреву
				МВт	в долях по Р_нат	МВт	в долях по Р_нат
220	150-250	1х300	120	350	2,9	280	2,3
330	200-300	2х300	350	800	2,3	760	2,2
500	300-400	3х300	900	1350	1,5	1740	1,9
750	400-500	5х300	2100	2500	1,2	4600	2,1
1150	400-500	8х300	5300	4500	0,85	11000	2,1

Обеспечение необходимой пропускной способности электропередачи при удовлетворительных экономических показателях представляет наибольшую техническую трудность.

На дальних ЛЭП используют наиболее высокие из освоенных номинальных напряжений: 500,750 кВ. В ближайшем будущем планируется широко применять напряжение 1150кВ. При более высоком напряжении, как следует из выражения (1), увеличивается предельная мощность электропередачи; наряду с этим снижаются потери мощности и энергии в активном сопротивлении линии. Одновременно возрастает стоимость ВЛ и оборудования подстанций, потери энергии на корону и емкостный ток линии.

Снижение суммарного реактивного сопротивления электропередачи, включающего сопротивление генераторов, так же повышает предел мощности по статической устойчивости. При снижении реактивного сопротивления уменьшаются потери напряжения, но возрастает величина тока короткого замыкания, для отключения которого необходимы более мощные и дорогие выключатели. Суммарное реактивное сопротивление уменьшают за счет применения на удаленной станции генераторов с пониженной величиной синхронного сопротивления и трансформаторов на повышающей подстанции, имеющей сниженное напряжение короткого замыкания и сопротивления. На понижающей подстанции в конце электропередачи устанавливают автотрансформаторы, сопротивление которых меньше, чем у трансформаторов. Расщепление фазы на несколько проводов и совершенствование конструкции расщепленных фаз и конструкции опор линий снижают индуктивность и индуктивное сопротивление линий (примерно на 25-35%), повышают ее натуральную мощность и критическое напряжение короны. При этом усложняется конструкция линий и увеличивается ее стоимость. Возрастание емкости линии при расщеплении вызывает нежелательное увеличение емкостного тока и соответственно ему мощности. Данные о количестве проводов в фазах линий приведены в таблице 2. На ВЛ 220 кВ в редких случаях фаза состоит из двух проводов.

Дальнейшее увеличение предела передаваемой мощности достигается с помощью специальных мер по изменению (компенсации) параметров линий, которые в этом случае именуются компенсированными. Снижение индуктивного сопротивления достигается за счет последовательного включения в линию конденсаторных установок продольной компенсации (УПК), которые повышают стоимость ЛЭП и увеличивают токи короткого замыкания.

Большой емкостной ток дольних линий при сниженной нагрузке вызывает дополнительные потери активной мощности или недопустимое распределение энергии в пунктах линии, а также снижение реактивной нагрузки, ЭДС и устойчивости генераторов удаленной станции. Поэтому емкостной ток и соответствующую проводимость линии компенсируют включением на шины высшего напряжения удаленной электростанции и в переключательных пунктах линии установок (реакторов) поперечной компенсации (РПК). При нагрузках, близких к натуральным, РПК отключают. По размерам стоимости РПК близки к трансформаторам соответствующего напряжения и мощности и потребляют электроэнергию. Капитальные вложения в ЛЭП увеличивается также за счет применения дополнительных выключателей для РПК.

Установка устройств продольной и поперечной компенсации по воздействию на режим электропередачи соответствует уменьшению ее длины по сравнению с некомпенсированной электропередачей. При определенных параметрах и расположении УПК эквивалентное продольное сопротивление линий становится активным. Емкостной ток линии возможно полностью компенсировать посредствам РПК. По эквивалентным реактивным параметрам такая компенсированная линия имеет нулевую длину, то есть длину, кратную целому количеству полуволн.

На рисунке 4 изображена упрощенная схема компенсированной ЛЭП 500 кВ повышенной пропускной способности.

По длинной компенсированной линии при максимальной нагрузке экономически нецелесообразно передавать реактивную мощность. Для ее регулирования на приемной подстанции и в некоторых случаях на промежуточных подстанциях или ПП устанавливают источники реактивной мощности (компенсирующие устройства)- синхронные, статические теристорные компенсаторы.

Указанные мероприятия по повышению пропускной способности электропередачи являются достаточно долгими. Опыт, показал, что при возникновении новых промышленных районов более целесообразным является сооружение линии электропередачи с промежуточными подстанциями, включенными вдоль нее. Подстанции могут совмещаться с переключательными пунктами линии или создаваться вновь (рисунок 5, а). Такая электропередача обладает большой устойчивостью, не требует установки реакторов и т.п. стоимость ЛЭП снижается.

На рисунке 5 изображены упрощенные схемы электропередачи 500 кВ с включенными вдоль линии промежуточными подстанциями ПС1-ПС3. Для повышения устойчивости электропередачи в линию включают последовательно конденсаторы (УПК) (рис. 5,а) или компенсаторы (синхронные или статические) на промежуточных подстанциях (рисунок 5, б)

Наряду с отмеченными, применяют устройства автоматического регулирования: автоматическое регулирование возбуждения генераторов и синхронных компенсаторов, быстродействующее регулирование мощности турбин, регулирование напряжения по концам электропередачи, быстродействующие выключатели и релейную защиту и др., что способствует повышению устойчивости и пропускной способности электропередачи.

Рассмотренные схемы линий электропередачи (рис. 1-5) позволяют доставить электроэнергию потребителям от двух генерирующих источников и называются электропередачами с двусторонним питанием. По мере развития передающей сети в промежуточных пунктах магистральной сети наряду с понижающими подстанциями подключается отдельная линия электропередачи, имеющая генерирующие источники, с оборотом или выдачей мощности (рис. 6). В итоге формируется узловая система с тремя центрами питания и более высокой устойчивостью и пропускной способностью. В дальнейшем магистральные системообразующие сети, присоединены к двум-трем центрам питания, усложняются и преобразуются в замкнутые многоконтурные передающие сети с сосредоточенными нагрузками (рис. 7). Замкнутые сети обеспечивают наибольшую надежность, поскольку авария (отключение) на каком-либо участке сети имеет последствия (например, ограничение потребляемой мощности) только для потребителей, непосредственно подключенных к этому участку.

В системах передачи электроэнергии с сосредоточенными нагрузками непрерывность электроснабжения не может быть нарушена отдельной аварией, т.к. электроснабжение подстанций ПС1-ПС4 (центров питания распределительных сетей 6-220 кВ) осуществляется по двум и более линиям от нескольких независимых источников. Однако в замкнутых сетях более сложна, чем в разомкнутых релейная защита и автоматика.

Внутрисистемные передачи электроэнергии, осуществляемые магистральными одно-двухцепными воздушными линиями220-330 кВ, обеспечивают связь отдельно расположенных электростанций и центров питания 6-220 кВ распределительных сетей.

к оглавлению

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира