Учебно-методические материалы для освоения курса студентами направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» К.т.н., доцент А.Ю. Никишин Калининград 2018
ОЭС, входящие в состав ЕЭС России, имеют различную структуру генерирующих мощностей, значительная часть энергосистем не сбалансирована по мощности и электроэнергии. Основу российской электроэнергетики составляют около 600 электростанций суммарной мощностью 210 ГВт, работающих в составе ЕЭС России. Две трети генерирующих мощностей приходится на тепловые электростанции. Около 55 % мощностей ТЭС составляют теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), а 45 % — конденсационные электростанции (КЭС). Мощность гидравлических (ГЭС), в том числе гидроаккумулирующих (ГАЭС) электростанций составляет 21 % установленной мощности электростанций России. Мощность атомных электростанций составляет 17,2 % установленной мощности электростанций страны. Для ЕЭС России характерна высокая степень концентрации мощностей на электростанциях. На тепловых электростанциях эксплуатируются серийные энергоблоки единичной мощностью 500 и 800 МВт и один блок мощностью 1200 МВт на Костромской ГРЭС. Единичная мощность энергоблоков действующих АЭС достигает 1000 МВт.
Основные понятия, термины, определения
Единая энергетическая система России (ЕЭС России) — совокупность производственных и иных имущественных объектов электроэнергетики, связанных единым процессом производства (в том числе производства в режиме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии) и передачи электрической энергии в условиях централизованного оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике России. Федеральный закон Российской Федерации от 26 марта 2003 г. N 35-ФЗ «Об электроэнергетике» Единая энергосистема — совокупность объединённых энергосистем (ОЭС), соединённых межсистемными связями, охватывающая значительную часть территории страны при общем режиме работы и имеющая диспетчерское управление ГОСТ 21027-75 «Системы энергетические. Термины и определения»
ЕЭС России - 70 энергосистем на территории 81 субъектов Российской Федерации. Шесть работающих параллельно ОЭС — ОЭС Центра, Юга, Северо-Запада, Средней Волги, Урала и Сибири и ОЭС Востока, работающей изолированно от ЕЭС России. ЕЭС России осуществляет параллельную работу с ОЭС Украины, ОЭС Казахстана, ОЭС Белоруссии, энергосистемами Эстонии, Латвии, Литвы, Грузии и Азербайджана, а также с NORDEL (связь с Финляндией через вставку постоянного тока в Выборге). Энергосистемы Белоруссии, России, Эстонии, Латвии и Литвы образуют «Электрическое кольцо БРЭЛЛ». Системный оператор выделяет три крупных независимых энергообъединения в Европе — Северную (NORDEL), Западную (UCTE) и Восточную (ЕЭС/ОЭС) синхронные зоны (NORDEL и UCTE в июле 2009 года вошли в состав нового европейского объединения — ENTSO-E). Под ЕЭС/ОЭС понимается ЕЭС России в совокупности с энергосистемами стран СНГ, Прибалтики и Монголии.
Протяженность сетей Мощность тр-ов
ATSOI, BALTSO, ETSO, NORDEL, UCTE и UKTSOA, объединившиеся в ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity)
Схема основной сети энергетического кольца БРЭЛЛ (Беларусь–Россия–Эстония–Латвия–Литва)
Параллельная работа электростанций в масштабе Единой энергосистемы позволяет реализовать следующие преимущества: - снижение суммарного максимума нагрузки ЕЭС России на 5 ГВт; сокращение потребности в установленной мощности электростанций на 10-12 ГВт; - оптимизация распределения нагрузки между электростанциями в целях сокращения расхода топлива; - применение высокоэффективного крупноблочного генерирующего оборудования; - поддержание высокого уровня надёжности и отказоустойчивости энергетических объединений. Совместная работа электростанций в Единой энергосистеме обеспечивает возможность установки на электростанциях агрегатов наибольшей единичной мощности, которая может быть изготовлена промышленностью, и укрупнения электростанций. Увеличение единичной мощности агрегатов и установленной мощности электростанций имеет значительный экономический эффект.
Энергетическая система Калининградской области
Развитие схемы основной сети энергосистемы Калининградской области
Классификация электрических сетей Классификация электрических сетей по назначению Сети Менее 1кВ 3–35 кВ 110–220 кВ 330–750 кВ 1150 кВ НН СН ВН СВН УВН Охват территории Местные Районные Региональные Назначение Распределительные Системообразующие Потребители Городские, с/х Промышлен-ные –
Изменение напряжения в электрической сети
Разомкнутые сети
Замкнутые сети
Система передачи и распределения ЭЭ Элементы, формирующие системы передачи ЭЭ: совокупность электропередач выдачи мощности ЭС и линий межсистемной передачи 330 кВ и элементы, образующие систему распределения ЭЭ: сложнозамкнутая сеть СН 110 кВ и разветвлённые разомкнутые сети НН 0,38–35 кВ.
Высоковольтные сети с изолированной нейтралью
Принципиальная схема передачи и распределения ЭЭ в промышленном районе
Конструкции воздушных линий электропередачи Основные габаритные размеры воздушной ЛЭП Схема анкерного пролета ВЛ и пролета пересечения с железной дорогой Промежуточная металлическая опора одноцепной линии 110 кВ: 1 - провода; 2 - изоляторы; 3 - грозозащитный трос; 4 - тросостойка; 5 - траверсы опоры; 6 - стойка опоры; 7 - фундамент опоры.
Наименьшие допускаемые расстояния проводов воздушных линий до земли, м Район прохождения линий Номинальные напряжения линий, кВ До 1 6—10 20 35—110 150 220 В ненаселенной местности 6 6 6 6 6,5 7 В труднодоступной местности 3,5 5 5 5 5,5 6 В населенной местности на территории промышленных предприятий в нормальном режиме 6 7 7 7 7,5 8 Район прохождения линий Номинальные напряжения линий, кВ 330 500 750 1150 ±750 В ненаселенной местности 7,5 8 11,5–12 17–17,5 11,5 В трудоступной местности 6,5 7 9,5–10 14–14,5 10,5 В населенной местности, на территории промышленных предприятий в нормальном режиме 8 8 – – – Номинальное Напряжение, кВ Расстояние между проводами, м Длина пролёта , м Высота опоры , м Гаьарит линии , м <1 0,5 40–50 8–9 6–7 6 – 10 1 50–100 10 6–7 35 3 150–200 10 6–7 110 4 170–250 13–14 6–7 220 7 250–350 25–30 7–8 330 9 300–400 25–30 7,5–8 500 12 350–450 25–30 8 750 15 450–750 30–41 10–12 1150 21,7–26 – 33,1–54 14,5–17,5 ±750 22,4–40,4 – 28,1– 3 8,4 10,5–11,5 Конструктивные размеры ВЛ
Провода воздушных линий электропередачи Алюминиевый полый провод марки АП-500 а - однопроволочный; б - многопроволочный монометаллический; в - однопроволочный сталеалюминиевый г, д - многопроволочный сталеалюминиевый; Конструкция СИП до 1кВ (а) и свыше 1кВ (б) а) б) Расширенные провода с каркасной спиралью АСР-400 (а), АСР-500 (б), АСР-1000 (в)
Опоры воздушных линий Промежуточные опоры ВЛ: - деревянные (в, г); - железобетонные (д); - стальные (е). а) б) в) г) д) е) Анкерные опоры ВЛ: - ж елезобетонные ( а ); - с тальные ( б ). Цикл транспозиции проводов одоноцепной линии Угол поворота ВЛ 1 - подножники опоры; 2- траверса; 3 - петля Расположение проводов и тросов на опорах: а - по вершинам треугольника; б - горизонтальное; в - обратная елка; г - бочка
Изоляторы и линейная арматура Штыревые и подвесные изоляторы: а - штыревой 6-10 кВ; б - штыревой 20-35 кВ; в - подвесной тарельчатого типа Поддерживающие и натяжные гирлянды изоляторов и линейная арматура: а - поддерживающая гирлянда изоляторов с глухим зажимом; б - натяжная гирлянда изоляторов с болтовым зажимом; в - глухой поддерживающий зажим; г - болтовой натяжной зажим; д - прессуемый натяжной зажим; е, ж - соединители овальные с обжатием и с закручиванием; з - соединитель прессуемый; и - подвеска гасителей вибрации у натяжных и поддерживающих зажимов; к – демпфирующая петля; л – распорки
Конструкция кабельных линий Трехжильный кабель с поясной изоляцией из пропитанной бумаги а - наружный вид кабеля с секторными жилами; б - разрез кабеля с круглыми жилами; е - разрез кабеля с секторными жилами; 1 - пропитанная кабельная пряжа; 2 - ленточная броня; 3 - защитный покров из кабельной пряжи; 4 - бумага, пропитанная компаундом; 5 - защитная оболочка; б - поясная изоляция; 7 - заполнитель; 8 - изоляция жил; 9 – жилы Сечения силовых кабелей а - двухжильные кабели с круглыми и сегментными жилами; б - трехжильные кабели с поясной изоляцией и отдельными оболочками; в - четырехжильные кабели с нулевой жилой круглой, секторной и треугольной формы; 1 - токопроводящая жила; 2 - нулевая жила; 3 - изоляция жилы; 4 - экран на токопроводящей жиле; 5 - поясная изоляция; 6 - заполнитель; 7 - экран на изоляции жилы; 8 - оболочка; 9 - бронепокров; 10 - наружный защитный покров
Конструкция кабельных линий Схема маслонаполненного кабеля низкого давления МНСА-1: 1 — канал для циркуляции масла МН-4; 2 — Z-образные проволоки токопроводящей жилы; 3 — сегментные проволоки жилы; 4 — изоляция из бумаги толщиной 0,08 мм; 5 — изоляция из бумаги толщиной 0,12 мм; 6 — экран из электропроводящей бумаги; 7 — свинцовая оболочка; 8 — упрочняющие покровы; 9 — защитные покровы Схема маслонаполненного кабеля высокого давления в стальном трубопроводе МВДТ: 1 — одножильный кабель; 2 — масло С-220; 3 — стальной трубопровод; 4 — антикоррозионный покров Конструкция кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена 1. Круглая токопроводящая жила, материал: алюминий, медь, сечение: от 50 до 800 мм2; 2. Экран по жиле из экструдируемого полупроводящего сшитого полиэтилена; 3. Изоляция из сшитого полиэтилена (Пв); 4. Экран по изоляции из СП; 5. Разделительный слой из полупропроводящей водоблокирующей ленты; 6. Экран из медных проволок, скрепленных медной лентой. 7. Разделительный слой из водоблокирующей ленты; 8. Слой из алюмополиэтиленовой ленты; 9. Оболочка из полиэтилена,
Способы прокладки кабельных линий Размещение кабелей в канале на конструкциях: 1 - кабельные конструкции; 2 - огнестойкая перегородка; 3,4 - силовые кабели напряжением соответственно выше 1 кВ и до 1 кВ; 5 - контрольные кабели; б - контрольные кабели или кабели связи Прокладка кабелей в каналах: а - наружная; б – внутренняя прокладка Прокладка кабелей в земляных траншеях
Кабельная арматура Соединение кабелей до 1 кВ. 1 - жилы кабелей 2 – гильзы 3 – распорка 4 - две полумуфты 5 - болты. Концевые муфты: А — мачтовая КМ; 1 — крышка; 2 — изолятор; 3 — проводник заземления; 4 — свинцовая манжета; 5 —корпус муфты; 6 —контактный стержень; Б —концевая КНЭ; 1 — кабельный наконечник; 2 —проходной изолятор; 3 — корпус муфты; 4 — скоба для крепления; 5 — привод заземления; 6 — подмотка из хлопчатобумажных лент Эпоксидная муфта 10 кВ 1 - корпус муфты, 2 - изоляционная распорка, 3 - соединительная гильза. 4 - гибкий медный проводник Концевая эпоксидная заделка КВЭ: 1 — наконечник; 2 — бандаж; 3—трубка; 4 — изоляция жилы; 5 — эпоксидный компаунд; 6 — кабельная броня; 7 — проводник заземления; 8 — подмотка; 9— поясная изоляция; 10 — корпус заделки
Схемы замещения и параметры линий электропередачи П – образная (полная) схема замещения, ЛЭП длиной до 300 км. а - КЛ 6...10 кВ с сечениями жил менее 120 мм2; б - ВЛ напряжением 35 кВ и ниже и КЛ напряжением 6...10 кВ с сечениями жил 120 мм2 и более; в - ВЛ напряжением 110...220 кВ и КЛ напряжением 35...110 кВ; г – то же для расчета установившихся режимов работы; д - ВЛ напряжением 330 кВ и выше Для расчета КЛ напряжением 220 кВ и выше используется полная П – образная схема, включающая все продольные и поперечные параметры.
Зависимости R 0 и Х 0 от сечений проводов и жил кабелей из цветных металлов
U н, кВ 0,22–0,38 6–10 35 110 150 220 330 500 D, м 0,4–0,5 0,7–0,9 2,5–3,0 4,0–4,5 5,5–6,0 7,0–7,5 8,5–9,0 10,0–12,0 Кол-во изоляторов 1 1 3–4 6–7 9–10 12–14 19–22 31–34 Длина пролета, м 35–46 60–80 150–200 170–250 200–250 250–300 300–400 350–450 x 0, Ом/км 0,29–0,35 0,33–0,37 0,40–0,41 0,41–0,43 0,42–0,44 0,42–0,44 0,32 0,29 b 0 · 10 –6, См/км 2,6–2,8 3,4–3,5 3,6–3,9 Q с · 10 –2, Мвар /км – – – 3–4 6–7 12–13 40–42 90–95 Δ Р 0, кВт/км – – – – – 1–2 4–5 8–10 Схемы замещения и параметры линий электропередачи
Напряжение ВЛ, тип опоры, число и сечение проводов в фазе Суммарное сечение проводов в фазе, мм 2 Удельные потери мощности на корону, кВт/км, при видах погоды хорошая сухой снег влажная изморозь 750-5х240 1200 3,9 15,5 55,0 115,0 750-4х600 2400 4,6 17,5 65,0 130,0 500-3х400 1200 2,4 9,1 30,2 79,2 330-2х400 800 0,8 3,3 11,0 33,5 220ст-1х300 300 0,3 1,5 5,4 16,5 220ст/2-1х300 300 0,3 1,4 5,0 15,4 220жб-1х300 300 0,4 2,0 8,1 24,5 220жб/2-1х300 300 0,4 1,8 6,7 20,5 154-1х185 185 0,12 0,35 1,20 4,20 154/2-1х185 185 0,09 0,26 0,87 3,06 110ст-1х120 120 0,013 0,04 0,17 0,69 110ст/2-1х120 120 0,008 0,025 0,13 0,47 110жб-1х120 120 0,018 0,06 0,30 1,10 110жб/2-1х120 120 0,01 0,035 0,17 0,61 П р и м е ч а н и я 1. Варианты 220/2-1х300, 154/2-1х185 и 110/2-1х120 соответствуют двухцепным ВЛ. Потери во всех случаях приведены в расчете на одну цепь. 2. Индексы «ст» и «жб» обозначают стальные и железобетонные опоры. 3. Для линий на деревянных опорах применяют данные, приведенные в таблице для линий на стальных опорах.
Группа погоды Удельные потери мощности от токов утечки по изоляторам, кВт/км, на ВЛ напряжением, кВ 6 10 15 20 35 110 154 220 330 500 750-1150 1 0,011 0,017 0,025 0,033 0,035 0,055 0,063 0,069 0,103 0,156 0,235 2 0,094 0,153 0,227 0,302 0,324 0,510 0,587 0,637 0,953 1,440 2,160 3 0,154 0,255 0,376 0,507 0,543 0,850 0,978 1,061 1,587 2,400 3,600
Схемы замещения и параметры двухобмоточных трансформаторов Схемы опытов холостого хода (а) и короткого замыкания (б) Графическое изображение (а), схема замещения (б) и упрощенная схема замещения двухобмоточного трансформатора. Графическое изображение (а) и схема замещения (б) двухобмоточного трансформатора с расщепленной обмоткой
Схемы замещения и параметры трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов Графическое изображение (а) и принципиальная схема одной фазы (б) автотрансформатора Графическое изображение (а) и схема замещения (б) трехобмоточного трансформатора
Представление сихронных машин в расчетах Схемы замещения и векторные диаграммы синхронных генератора (а), двигателя (б) и компенсатора (в)
Представление сихронных машин в расчетах
Представление сихронных машин в расчетах
Представление нагрузок в расчетных схемах Задание нагрузок: а – постоянным по амплитуде и фазе током; б – постоянной мощностью; в – постоянной проводимостью; г - постоянными сопротивлениями Обобщенные статические характеристики нагрузки по току и по напряжению
Схемы электрических сетей Радиальная распределительная сеть Магистральная распределительная сеть
Варианты конфигураций радиальных сетей: а, в, д – одинарная с одним узлом нагрузки, с несколькими узлами, разветвленная; б, г, е – двойная с одним узлом нагрузки, с несколькими узлами, разветвленная; ж, з – с промежуточным распределительным пунктом
Схемы электрических сетей Петлевая распределительная сеть Основные типы схем районных электрических сетей: - простая (одинарная) схема (а); - двойная схема (б); - простая кольцевая схема (в); - кольцевая схема, опирающаяся на два источника (г); - многоконтурная схема (д).
Варианты конфигураций замкнутых сетей: а – одинарная с питанием от одного ЦП; б – двойная с питанием от одного ЦП; в – одинарная с питанием от двух ЦП; г – двойная с питанием от двух ЦП; д – узловая; е, ж – многоконтурные
Схемы электрических сетей Принципиальная схема электропередачи сверхвысокого напряжения Принципиальная схема передачи постоянного тока
Построение векторной диаграммы ЛЭП Векторная диаграмма линии электропередачи П-образная схема замещения линии
Натуральная мощность и пропускная способность ЛЭП
Пропускная способность воздушных линий электропередачи 110—1150 кВ Напряжение, кВ Сечение фазы, мм 2 Пропускная способность ВЛ, МВт Длина линии электропередачи, км Натуральная При плотности тока 0,9 A/мм 2 Предельная (КПД = 0,9) Средняя (между соседними ПС) 110 70-240 30 11-37 80 25 150 150-300 60 31-63 250 20 220 240-400 135 74-123 400 100 330 2x240-2 х400 360 221-368 700 130 500 3 х330-3 х500 900 630-1064 1200 280 750 5 х300-5 х400 2100 1500-2000 2200 300 1150 8 х300-8 х500 5200 4000-6000 3000 - Для ВЛ 750-1150 кВ плотность тока принята равной 0,85 А/мм 2.
Расчеты режимов электрических сетей с одним источником питания Векторные диаграммы для звена сети: а – по данным конца; б – по данным начала Схема замещения элемента электрической сети Расчет по данным конца: Дано: S 2 = P 2 - jQ 2; U 2. Найти: S 1; U 1.
Расчеты режимов электрических сетей с одним источником питания Расчет по данным начала: Дано: S 1 = P 1 - jQ 1; U 1. Найти: S 2; U 2. Расчет по смешанным данным: Дано: S 2 = P 2 - jQ 2; U 1. Найти: S 1; U 2. Расчет ведется итерационным методом. Задаемся U2 = U ном Расчет повторяется при U2 = U2 расч до необходимой точности.
Расчет режима линии электропередачи с учетом генерации реактивной мощности линии Схема замещения линии электропередачи 1. Дано: S н= P н - jQ н; U 2. Найти: S 1; U 1. 2. Дано: S и; U 1. Найти: S н; U 2. 3. Дано: S н = P н- jQ н; U 1. Найти: S 1; U 2. Расчет ведется итерациями:
Учет трансформаторов при расчете режима электрической сети Учет трансформаторов при расчете режима: а – исходная схема сети; б – схема замещения; в – схема замещения с расчетной нагрузкой подстанции
Расчет режима разветвленной разомкнутой сети одного номинального напряжения Схема части разомкнутой сети (а) и схема замещения (б) I этап. Принимаем напряжения в узлах равными U 2= U 3= U ном II этап. Определяем напряжения в узлах, учитывая падения напряжения Если высокая точность не требуется, ограничиваются одной итерацией
Особенности расчета режимов замкнутых сетей Схемы замкнутых электрических сетей: а – сеть с одним контуром; б – линия с двухсторонним питанием; в – сложнозамкнутая сеть одного номинального напряжения; г- сложнозамкнутая сеть с линиями двух номинальных напряжений
Определение потокораспределения в линиях с двухсторонним питанием К определению потокораспределения в линии с двухсторонним питанием: а - схема линии с двухсторонним питанием; б – первый этап расчета; в – второй этап расчета Если напряжения источников питания равны U A = U B, то Если сеть однородная, то
Электрический расчет сети методом контурных уравнений К расчету сети методом контурных уравнений: а – исходная схема сети; б – расчетная схема Электрический расчет сети обобщенным методом контурных уравнений: Если кт1 не равно кт2, Е = Uo (1-П к т i ), Пкт i = к т1* к т2,
Электрический расчет сети методом узловых напряжений Схема сети Взаимные проводимости узлов: Собственные проводимости узлов 2, 3, 4: По 1 закону Кирхгофа:
Моделирование режимов сложных электрических сетей
Потери электроэнегии в сетях
Здесь должен быть расчет потерь электроэнергии и мероприятия по их снижению
Потери электроэнергии в сетях
Снижение потерь электроэнергии
Снижение потерь электроэнергии
Снижение потерь электроэнергии
Регулирование напряжения в сетях
Регулирование напряжения на электростанциях
Регулирование напряжения в сетях
Регулирование напряжения в сетях
Регулирование напряжения в сетях
Регулирование напряжения в сетях
Баланс активных мощностей и регулирование частоты в ЭЭС
Влияние частоты на работу оборудования
Баланс реактивных мощностей в энергосистеме
Регулирование напряжения
Устройства РПН и ПБВ двухобмоточных трансформаторов
Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы
Автотрансформаторы
Несимметрия напряжения в сетях
Способы присоединения подстанций к сети: а, б, в – радиальной с одной линией; г, д, е – двойной радиальной; ж, з, и – с двумя центрами питания; к, л – с тремя и более центрами питания
