Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»
Институт высокоточных систем им. В. П. Грязева
Кафедра «Электроэнергетика»
УТВЕРЖДАЮ Декан факультета систем автоматического управления _____________ А. Э. Соловьёв Дата | |
В электронной версии утверждён деканом ____________ факультета Дата |
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
дисциплины «Электроэнергетика»
Направление подготовки:
140200 «Электроэнергетика»
Специальность:
140211 «Электроснабжение»
Форма обучения очная
Тула 2009 г.
Конспект лекций составлен проф. В. М. Степановым и обсужден на заседании кафедры «Электроэнергетика» факультета систем автоматического управления
протокол № от "___"______________2009 г.
Зав. кафедрой _______________________ В. М. Степанов
Конспект лекций пересмотрен и утвержден на заседании кафедры «Электроэнергетика» факультета систем автоматического управления
протокол №___ от "___"______________ 20 г.
Зав. кафедрой _______________________ В. М. Степанов
Лекция 1.1. Производство электроэнергии
Источники энергии. Их основная классификация
Энергия — всеобщая основа природных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время энергия понимается как количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую. По видам энергия подразделяется на химическую, механическую, электрическую, ядерную и т. д. Возможная для практического использования человеком энергия сосредоточена в материальных объектах, называемых энергетическими ресурсами.
Из многообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в больших количествах для практических нужд. К ним относят огранические топлива, такие, как уголь, нефть, газ, а также энергию рек, морей и океанов, солнца, ветра, тепловую энергию земных недр (геотермальную) и т. д.
Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относят энергоресурсы непрерывно восстанавливаемые природой (вода, ветер и т. д.), а ко вторым — энергоресурсы, ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).
Инженеру-энергетику необходимо иметь хотя бы общее представление о мировых запасах топлива. Различные виды топлива имеют существенно разные энергоемкости, величины которых приведены в табл. 1.1.1
Таблица 1.1.1
Уголь. Мировые геологические запасы угля, выраженные в условном топливе, оцениваются в 12 000 млрд. т, из которых 6000 млрд. т относятся к достоверным. Наглядное представление о мировых запасах угля и
Рис. 1.1.1. Оценки мировых запасов угля:
а — на различных континентах; б — перспектива использования
перспективах их использования дает рис. 1.1.1. Наибольшими достоверными запасами располагают СССР и США. Значительные достоверные запасы имеются в ФРГ, Англии, КНР и ряде других стран. Современная техника и технология позволяют экономически оправдан-
но добывать лишь 50% от всех достоверных запасов угля.
В энергобалансе СССР в начале 70-х годов произошли существенные изменения: ископаемые угли временно уступили занимаемое ими ранее первое место нефти и газу. Однако роль угля в снабжении народного хозяйства нашей страны источниками энергии в перспективе исключительно велика. Углепромышленные бассейны имеются в пределах РСФСР (Печорский, Кузнецкий, Канско-Ачинский, Иркутский, Подмосковный), на Украине (Донецкий, Днепропетровский, Львовско-Волын-ский) и в Казахстане (Карагандинский и Экибастуз-ский).
Запасы угля мирового масштаба находятся в Восточной и Западной Сибири. Среди подсчитанных общих геологических запасов углей в СССР более 90% составляют энергетические угли и менее 10%—дефицитные коксующиеся угли, необходимые для металлургии. Энергетические угли большой массы (202 млрд. т) имеются на площадях, пригодных для открытой разработки. Это, например, Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сибири, где имеются запасы бурых углей в мощных (от 20 до 40 м) пластах, залегающих на глубине менее 200 м от поверхности, и многие другие.
Более 90% общесоюзных запасов углей находится на территории, расположенной к востоку от Урала, а 60% добываемого в СССР угля потребляется на Урале и в западных районах. Между тем, добыча угля в европейской части нашей страны достигает 50% от общей добычи. Перспективно использование запасов угля, расположенных за Уралом. Особенно богато угольными бассейнами пространство между Тургайской низменностью и озером Байкал до 60° с. ш., прилегающее к Сибирской и Южно-Сибирской магистралям. Оно включает из всех подсчитанных запасов углей (Карагандинский, Экиба-стузский, Майкюбейский, Кузнецкий, Минусинский, Канско-Ачинский, Иркутский, Нерюнгринский и многие другие бассейны). В местах разработок полезных ископаемых создаются новые промышленно-экономические районы и центры.
Дальность перевозки каменных углей из Казахстана на Урал и в Поволжье и полная нерентабельность транспортировки на значительное расстояние рыхлых и высокозольных сибирских бурых углей, а также нерешенность задачи сверхдальней передачи электроэнергии заставляют обратить особое внимание на расширение площадей с энергетическими углями в старых углепромышленных районах и поиски новых месторождений на западе СССР. В
этом отношении перспективны Донецкий и Печорский бассейны, обладающие реальными для освоения запасами энергетических углей .
Каменный уголь состоит из остатков флоры, существовавшей на Земле в геологические эпохи задолго на нашего времени. В каменноугольный период жизни поверхность планеты была обильно покрыта растениями. Многие из современных растений, такие, например, как папоротники, в ту эпоху имели намного большие размеры. Каменный уголь образовался после отмирания растений и покрытия их осадочными породами.
Растения в период жизни запасают химическую энергию, превращая за счет энергии солнечных лучей углекислоту и воду в растворимые углеводы, откладывая их в виде клетчатки в стволах и ветках. Белковые вещества в растениях получаются синтезом неорганических азотсодержащих веществ, поступающих из почвы, и органических веществ, выработанных за счет энергии Солнца. По выражению акад. П. П. Лазарева «...химическая энергия, запасенная в древесных породах, есть превращенная энергия Солнца».
Если дерево сжечь в присутствии кислорода с образованием углекислоты, воды и первоначальных азотистых соединений, то полученная при этом теплота будет отвечать энергии, доставленной растению Солнцем.
Среднее содержание различных элементов в каменном угле показано на рис. 1.1.2.
При сгорании каменного угля выделяется примерно 8,14 кВт-ч/кг (29,3 МДж/ /кг) энергии.
Нефть.Оценка мировых запасов нефти в настоящее время представляет особый интерес. Это вызвано быстрым ростом ее потребления и тем, что во многих странах (Японии, Швеции и др.) нефть при производстве электроэнергии вытеснила уголь (в последнее время этот процесс приостановился). На транспорте за счет нефти в настоящее время удовлетворяется свыше 90% мирового потребления энергии . Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т, из которых 53 млрд. т составляют достоверные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеются высокоразвитые производительные силы, сосредоточены относительно небольшие запасы нефти (табл. 1.1.2).
Таблица 1.1.2
Оценки достоверных запасов нефти по своей природе динамичны. Их величина изменяется по мере проведения разведок новых месторождений. Геологические разведки, осуществляемые в широких масштабах, приводят, как
правило, к увеличению достоверных запасов нефти. Все имеющиеся в литературе оценки запасов являются условными и характеризуют только порядок величин.
Быстрый рост потребления нефти определяется в основном четырьмя причинами:
1) развитием транспорта всех видов и в первую очередь автомобильного и авиационного, для которых жидкое топливо пока незаменимо;
2) улучшением показателей добычи, транспортировки и использования (по сравнению с твердым топливом);
3) стремлением в кратчайшие сроки и с минимальными затратами перейти к использованию природных энергетических ресурсов;
4) стремлением в промышленно развитых странах получить возможно большие прибыли за счет эксплуатации нефтяных месторождений развивающихся стран.
Несоответствие между расположением нефтяных ресурсов и местами их потребления или центрами производительных сил привело к бурному прогрессу в развитии средств транспортировки нефти, в частности к созданию трубопроводов большого диаметра (больше 1 м) и танкеров большой грузоподъемности.
Месторождения нефти представляют собой пористые пласты песчаника или известняка, пропитанные жидкостью. Сооружение колодцев в те времена было делом опасным. Колодец необходимо было рыть до пропитанного нефтью пласта, по мере приближения к которому нефтяные газы просачивались в колодец и делали невозможным дыхание. Один из таких колодцев на Апшеронском полуострове сохранил надпись о том, что он сооружен в 1594 г.
С помощью колодцев нефть добывали до XIX в. Первая в мире нефтяная скважина пробурена в 1848 г. Ф. А. Семеновым в урочище Биби-Эйбат на берегу Каспийского моря.
Нефть представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин и смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.
Чтобы объяснить происхождение нефти, ученые пользовались результатами опытов, при которых производилось нагревание до высоких температур растений и остатков животных без доступа воздуха. В результате такого нагревания, называемого сухой перегонкой, образовывались углеводороды, сходные с углеводородами, заключающимися в нефти.
Предполагалось, что в древние времена существовавшие и умершие флора и фауна были покрыты осадочными породами на дне морей и океанов, которые образовались при опускании земной поверхности. Можно допустить, что опускание земной поверхности происходило до больших глубин, где органические остатки под действием теплоты Земли превращались в нефть. Такое воззрение составляет основу биолого-геологической теории образования нефти, подтвержденной многочисленными исследованиями.
Природный газ. Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140—170 трлн. м3. Распределение запасов газа по странам и районам приведено в табл. 1.4. Эти цифры следует рассматривать как весьма приближенные, изменяющиеся по мере проведения разведок.
Нефть и газ нужны не столько как энергетическое сырье, сколько как сырье для химической промышленности. В настоящее время известно более 5000 синтетических материалов, и число их ежегодно увеличивается. Однако пока только 3—5% от добытых запасов перерабатывается как химическое сырье. Нефтяные и газовые месторождения открываются на глубине и оцениваются только бурением глубоких скважин. Затраты на бурение составляют
Таблица 1.1.3
более 70% от затрат, расходуемых на проведение геологоразведочных работ.
Ресурсы морей и океанов можно разбить на три -группы:
1) вертикальные термоградиенты и океанические
ветры;
2) морская биомасса и геотермальные воды;
3) поверхностные волны, течения и перепады солености.
Предполагают, что использование ресурсов первой группы может начаться в конце 80-х годов, второй — в 90-х, а третьей не ранее 2000-го года.
Мощности и стоимости различных потенциальных источников энергии приведены в табл. 1.1.4
Таблица 1.1.4
Приведенные показатели свидетельствуют о большой стоимости «энергии будущего». В самом деле, если считать, что электроэнергия, полученная на основе нефти, угля или урана, стоит в среднем 3—6 центов за 1 кВт-ч, то энергия вертикальных термоградиентов и океанских ветров будет в 1,5—2 раза дороже. Остальные виды энергии будут дороже в 4—6 раз.
Из указанных возможных энергий океана пока наиболее ясно использование вертикальных термоградиентов. На рис. 3.15 показана работа так называемой «закрытой» системы. Насос обеспечивает циркуляцию аммиака, имеющего очень низкую температуру кипения, в замкнутом контуре. Теплая океаническая вода нагревает аммиак (верхняя часть схемы), который переходит
в газообразное состояние и в этом виде поступает на турбину, где он расширяется и приводит в действие генератор. С турбины аммиак выходит с пониженной температурой и при меньшем давлении и пропускается через теплообменник, использующий холодную воду; газ сжижается, и цикл повторяется. В «открытой» системе в качестве рабочего тела используется морская вода; ее температура кипения снижается в вакуумной камере, где поддерживается давление на уровне 3,5% от нормального атмосферного.
Рис.1.1.2 Технологическая схема электрический генератор; 2 — турбина; 3 — теплообменник, 4 — насос; 5 — конденсатор |
Рассматривая возможные способы преобразования энергии, необходимо учитывать, что в соответствии с законами физики все энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой. Здесь важно то обстоятельство, что плотности потоков энергии ограничиваются физическими свойствами среды. Это, в свою очередь, практически исключает применение в энергетике больших мощностей многих казалось бы эффективных процессов трансформации энергии. Например, в топливных элементах химическая энергия окисления водорода непосредственно превращается в электрическую. Такой способ получения электрической энергии, несмотря на очень высокий КПД, равный примерно 70%, на сегодня приходится признать непригодным для промышленности из-за малой скорости диффузионных процессов в электролите и, следовательно, малой плотности энергии. Так, с 1 м2 электрода можно получить не более 200 Вт мощности. А это означает, что при генерировании 100 МВт мощности рабочая площадь электродов должна быть примерно 1 км2, что, конечно, практически нереализуемо. Из-за малой плотности потока энергии неперспективным представляется применение в энергетике и прямого преобразования химической энергии в механическую. Такое преобразование происходит с высоким КПД в мускулах животных. Механизм его достаточно глубоко пока не изучен. Но даже если предположить, что такое преобразование энергии будет воспроизведено искусственно, то .оно, видимо, не сможет найти применение в энергетике из-за малой плотности потока энергии, которая не может быть больше, чем у топливных элементов.
Топливно-энергетические ресурсы. Горение топлива. Законы преобразования энергии.
Газотурбинные электростанции (ГТУЭС)
Топливо (газ, дизельное горючее) подается в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается сжатый воздух. Горячие продукты сгорания отдают свою энергию газовой турбине, которая вращает компрессор и синхронный генератор. Запуск установки осуществляется при помощи разгонного двигателя и длится 1-2 мин, в связи с чем газотурбинные установки (ГТУ) отличаются высокой маневренностью и пригодны для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах.
Для повышения экономичности газовых турбин разработаны парогазовые установки (ПГУ). В них топливо сжигается в топке парогенератора, пар из которого направляется в паровую турбину. Продукты сгорания из парогенератора направляются в газовую турбину. Таким образом, ПГУ имеет два электрических генератора, приводимых во вращение один – газовой турбиной, другой – паровой турбиной.
Недостатком является выброс отработанного газа в атмосферу.
Другие типы электростанций
К ним относятся электростанции, использующие для выработки электроэнергии энергию солнца, ветра, геотермальных источников, морских приливов, дизельные электростанции. Мощность таких электростанций мала по сравнению с традиционными, и они используются для питания небольших изолированных от энергосистемы потребителей. Дизельные электростанции
используются также в качестве резервного источника питания потребителей 1 категории.
Лекция 1.2. Современные и перспективные источники электроэнергии
Возобновляемые и невозобновляемые источники электроэнергии
Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относят энергоресурсы непрерывно восстанавливаемые природой (вода, ветер и т. д.), а ко вторым — энергоресурсы, ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).
Громадные запасы энергоресурсов, таких, как энергия ветра, Солнца, геотермальная энергия, энергия, обусловленная разностью температур в глубинах океанов и на поверхности, и т. д., используются совершенно незначительно.
Ветровые энергетические установки
Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175—219 тыс. Твт-ч в год, при этом развиваемая им мощность достигает (20—25) 1030 кВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только 5% от этой величины; в настоящее же время используется значительно меньше. Применять ветер, т. е. энергию движения воздуха, человек начал еще в глубокой древности. Задолго до нашей эры финикяне, египтяне, греки и римляне приводили в движение парусные корабли с помощью ветра. Согласно греческой мифологии, бог Эол по своему желанию выпускал ветры, заключенные в пещере. Энергия ветра обеспечила открытие Америки, так как именно благодаря постоянным ветрам, дующим в северном полушарии с северо-востока на юго-запад, Колумбу удалось достичь берегов Америки.
Схема с двумя системами сборных шин
С учетом особенностей электроприемников (I, II категории), схемы электроснабжения их (отсутствие резерва по сети), а также большого количества присоединений к сборным шинам для главного распределительного устройства ТЭЦ при технико-экономическом обосновании может предусматриваться схема с двумя системами сборных шин (рис. 5.11), в которой каждый элемент присоединяется через развилку двух шинных разъединитеей, что позволяет осуществлять работу как на одной, так и на другой системе шин. На рис. 5.11 схема изображена в рабочем состоянии: генераоры G1 и G2 присоединены на первую систему сборных шин А1, от которой получают питание групповые реакторы и трансформаторы связи Т1 и Т2. Рабочая система шин секционирована выключателем QB и peaктором LRB, назначение которых такое же, как и в схеме с одной системой шин. Вторая система шин А2 является резервной, напряжение на ней нормально отсутствует. Обе системы шин могут быть соединены между собой шиносоединительными выключателями QAI и QA2, которые в нормальном режиме отключены.
Рис. 1.3.3 – Схема с двумя системами сборных шин
Возможен и другой режим работы этой схемы, когда обе системы шин находятся под напряжением и все присоединения распределяются между ними равномерно. Такой режим, называемый работой с фиксированным
присоединением цепей, обычно применяется на шинах повышенного напряжения.
Схема с двумя системами шин позволяет производить ремонт одной системы шин, сохраняя в работе все присоединения. Так, при ремонте одной секции рабочей системы шин А1 все присоединения ее переводят на резервную систему шин А2, для чего производят следующие операции:
включают шиносоединительный выключатель QA2 и с его привода снимают оперативный ток;
проверяют включенное положение QA2;
включают на систему шин А2 разъединители всех переводимых присоединений;
отключают от системы шин А1 разъединители всех присоединений, кроме разъединителей QA2 и трансформатора напряжения;
переключают питание цепей напряжения релейной защиты, автоматики и измерительных приборов на трансформатор напряжения системы шин А2;
проверяют по амперметру отсутствие нагрузки на QA2;
на привод подают оперативный ток и отключают QA2;
производят подготовку к ремонту секции шин А1.
При КЗ на первой секции рабочей системы шин А1 отключаются генератор G1, секционный выключатель QB и трансформатор связи Т1. Для восстановления
работы потребителей в этом случае необходимо выполнить переключения:
отключить все выключатели, не отключенные релейной защитой (выключатели тупиковых линий);
отключить все разъединители от поврежденной секции;
включить разъединители всех присоединений первой секции на резервную систему шин;
включить выключатель трансформатора связи Т1, подав тем самым напряжение на резервную систему шин для проверки се исправности;
включить выключатели наиболее ответственных потребителей;
развернуть генератор G1 и после синхронизации включить его выключатель;
включить выключатели всех отключившихся линий.
В этой схеме можно использовать шиносоединительный выключатель для замены выключателя любого присоединения.
Подробно оперативные переключения в схеме с двумя системами шин рассматриваются в курсе «Эксплуатация и ремонт электрооборудования электрических станций и сетей».
Рассматриваемая схема является гибкой и достаточно надежной, К недостаткам ее следует отнести большое количество разъединителей, изоляторов, токоведущих материалов и выключателей, более сложную конструкцию распределительного устройства, что ведет к увеличению
капитальных зampam на сооружение ГРУ. Существенным недостатком является использование разъединителей в качестве оперативных аппаратов. Большое количество операций разъединителями и сложная блокировка между выключателями и разъединителями приводят к возможности ошибочного отключения тока нагрузки разъединителями. Вероятность аварий из-за неправильного действия обслуживающего персонала в схемах с двумя системами шин больше, чем в схемах с одной системой шин.
Схема с двумя системами шин может быть применена на расширяемых ТЭЦ, на которых ранее была выполнена такая схема.
Характеристики механизмов собственных нужд
Общие сведения об распределительных устройствах
Распределительное устройство — это электроустановка, предназначенная для приема и распределения -электрической энергии, содержащая электрические аппараты, шины и вспомогательные устройства.
Если распределительное устройство расположено внутри здания, то оно называется закрытым.
Закрытые распределительные устройства (ЗРУ) сооружаются обычно при напряжении 3 — 20 кВ. При больших напряжениях, как правило, сооружаются открытые РУ. Однако при ограниченной площади под РУ или при повышенной загрязненности атмосферы, а также в районах Крайнего Севера могут применяться ЗРУ на напряжения 35-220 кВ.
Распределительные устройства должны обеспечивать надежность работы электроустановки, что может быть выполнено только при правильном выборе и расстановке электрооборудования, при правильном подборе типа и конструкции РУ в соответствии с ПУЭ.
Требования к РУ
1) неизолированные токоведущие части должны быть ограждены или помещены в специальные камеры.
2) Из помещения ЗРУ должен быть выход в наружу или в помещении не сгораемые.
Двери из РУ должны открываться в наружу, иметь самозапирающие замки, открываемые без ключа со стороны РУ.
В ЗРУ предусматривается естественная вентиляция помещений, трансформаторов и реакторов, а также аварийная вытяжная вентиляция камер с маслонаполненным оборудованием.
РУ монтированные из укрепленных узлов называются сборными.
Все аппараты ОРУ обычно располагаются на не высоких металлических или железобетонных основаниях.
1.4.2. Закрытые распределительные устройства.
РУ 6—10 кВ с одной системой шин без реакторов на отходящих линиях широко применяются в промышленных установках и городских сетях. В таких РУ устанавливаются маломасляные или безмасляные выключатели небольших габаритов, что позволяет все оборудование одного присоединения разместить в одной камере. Такие РУ с камерами КСО-266, КСО366 получили широкое распространение. Однако ремонт выключателей в этих камерах затруднен, поэтому взамен их в настоящее время применяют камеры с выключателями, расположенными на выкатной тележке.
Как было отмечено ранее, в особых условиях (ограниченность площади, загрязненная атмосфера, суровые климатические условия) распределительные устройства 35 — 220 кВ сооружаются закрытыми. ЗРУ 35 — 220 кВ дороже
открытых распределительных устройств на то же напряжение, так как стоимость здания значительно больше стоимости металлоконструкций и фундаментов, необходимых для открытой установки аппаратуры. В ЗРУ 35 — 220 кВ применяют только воздушные или маломасляные выключатели.
Установка баковых масляных выключателей привела бы к значительному увеличению стоимости РУ за счет сооружения специальных камер и маслосборных устройств,
На рис. 6.5 показано закрытое РУ 110 кВ с двумя рабочими и обходной системами шин. Здание зального типа высотой 10,2 м, одноэтажное. Сборные шины выполнены гибкими проводами и закреплены на гирляндах изоляторов (фазы А, В) и стержневых опорных изоляторах (фаза С). Обслуживание изоляторов, ошиновки, шинных разъединителей производится с помощью передвижных телескопических подъемников. В ЗРУ 110 кВ могут устанавливаться выключатели ВВБ-110, ВНВ-110.
В работающих электроустановках имеются другие конструкции ЗРУ 110 кВ, например двухэтажное с вынесенной наружу обходной системой шин. Последнее обстоятельство является серьезным недостатком, так как значительно увеличивает занимаемую площадь и снижает надежность работы при возможности загрязнения изоляции обходной системы шин.
Так же как и для ГРУ 6 — 10 кВ, наиболее прогрессивным является применение комплектных РУ 35 — 110 кВ (см. § 6.2,в).
На рис. 6,6 приведен поперечный разрез ЗРУ 220 кВ с двумя рабочими и обходной системами шин. Здание из сборного железобетона шириной 24 и высотой 18 м. Внутри здания предусмотрены стальные колонны и поперечные балки на высоте 3 и 3,9 м, которые используются для установки
Рис. 1.4.1 ЗРУ 110 кВ зального типа. Разрез по ячейке воздушной линии:
1 – выключатель ВНВ-110; 2 – первая система шин; 3 – шинные разъединители; 4 – вторая система шин; 5 – обходная система шин; 6 – обходной разъединитель; 7 – конденсатор связи; 8 – линейный разъединитель
линейных и обходных разъединителей. На высоте 11 м предусмотрены плиты перекрытия, которые образуют боковые проходы второго этажа вдоль здания. Сборные шины выполнены из проводов АС 500, закрепленных на подвесных изоляторах к балкам перекрытия. По торцам здания провода дополнительно крепятся к стенам с помощью оттяжных гирлянд. Обходная система шин крепится на подвесных изоляторах, закрепленных на балках на высоте II м.
Выключатели установлены на отметке 8 м. Для монтажных и ремонтных работ предусмотрены широкие проезды для автокранов по обе стороны здания. Ячейки разделены легкими плитами, что обеспечивает безопасное обслуживание при ремонтах.
Рис. 1.4.2. ЗРУ 220 кВ с двумя рабочими и обходной системами шин. Разрез по ячейке линии: 1 – рабочие системы шин; 2 – шинный разъединитель; 3 – обходная система шин; 4 – обходной разъединитель; 5 – выключатель; 6 – линейный разъединитель; 7 – ВЧ заградитель; 8 – конденсатор связи
Расчет заземляющих устройств
По ПУЭ сопротивление заземляющего устройства для сети 110 кВ с эффективно заземленной нейтралью должно быть не более 0,5 Ом.
Значение сопротивления искусственных заземлителей, учитывая сопротивление естественных заземлителей:
Сопротивление одиночного заземлителя с достаточной точностью можно определить по формуле:
где l - длина, м;
d - диаметр, мм.
Общее число электродов
где коэффициент экранирования h = 0, 43 найдем по таблице справочника
при расположении прутков по контуру а/l= 1 .
Лекция1.6. Системы измерения, контроля, сигнализации и управления напряжением и частотой; резерв мощности
Оборудование систем контроля и измерения электротехнических величин на подстанциях.
Различают следующие виды управления: местное, автоматическое, дистанционное.
Дистанционное управление. Это управление на расстояние нескольких сот метров; производится оператором, подающим команду с поста или щита управления путем замыкания специальным ключом цепи управления приводом выключателя, разъединителя или двигателя.
Действия схемы дистанционного управления зависит от исправности аппаратуры и цепи управления, которые должны находиться под постоянным контролем. Выключатель может отключаться ключом управления со щита или защитой при аварийном режиме, поэтому в схеме управления должна предусматриваться сигнализация всех видов отключения.
Для управления высоковольтными выключателями ранее применялись ключи управления типа КСВФ.
В настоящее время применяют ключи, изготовляемые заводом «Электропульт» в двух сериях: ПМО (переключатель малогабаритный общего применения) и МК (малогабаритный ключ) с пониженной коммутационной способностью.
Разновидностью ключей ПМО являются: ключ ПМОФ на несколько фиксированных положений и ключ ПМОВФ — на два положения с возвратом и четыре фиксированных положения.
Положение контактов при различных положениях рукоятки ключа определяют диаграммой ключа.
Отметим некоторые особенности этой схемы управления. В ней применена блокировка от многократного включения на существующее короткое замыкание, с использованием специального промежуточного реле
РБМ, которое имеет две обмотки — последовательную РБМС в цепи обмотки отключения ЭО и параллельную обмотку РМБШ в цепи управления. При включении выключателя на короткое замыкание (дистанционно или автоматикой) срабатывает релейная защита на отключение. Одновременно создается цепь «несоответствия» — ключ управления включен, а выключатель выключен: плюс ШУ—реле защиты — катушка РБМ0 — обмотка ЭО— блок-контакты выключателя В — ШУ. Происходит отключение выключателя и срабатывание реле РБМ, одна пара контактов которого размыкает цепь контактора включения КП, а вторая пара контактов замыкает цепь катушки РБМШ. Этим обеспечивается блокировка цепи включения и запрет повторного включения выключателя на существующее короткое замыкание. Применение ключа управления ПМОВФ дает возможность получить в схеме управления предупреждающий сигнал о ненормальном режиме работы* отдельных частей
установки или о состоянии цепей защиты и автоматики. Для этого в схему управления вводится реле положения «включено»
Контроль состояния изоляции в сети переменного тока. В сетях с глухозаземленными нейтралями напряжением 380/220 В, 660/380 В, и выше замыкание одной из фаз на землю является коротким замыканием и автоматически отключается защитой. Поэтому в таких сетях не предусматривают устройств, контролирующих состояние изоляции.
В сетях с малым током замыкания на землю, т. е. с незаземленными нейтралями или с нейтралями, заземленными через дугогасящие катушки, в нормальных условиях напряжения всех трех фаз по отношению к земле равны фазному напряжению. В случае металлического однофазного замыкания на землю напряжение поврежденной фазы относительно земли становится равным нулю, а напряжение неповрежденных фаз увеличивается до междуфазного. Междуфазные напряжения при этом не изменяются, и работа электроприемников не нарушается. Через место повреждения протекает сравнительно небольшой ток. При таком замыкании сеть может некоторое время (примерно 2 ч) оставаться в работе. Длительная работа с замкнутой на землю фазой опасна, так как при пробое на землю изоляции другой фазы в сети возникает междуфазное короткое замыкание со всеми вытекающими последствиями. Поэтому в сетях с малым током замыкания на землю предусматривают специальные устройства для контроля состояния изоляции относительно земли.
Наиболее простой схемой контроля является схема включения трех вольтметров (VA, VB и Vc) на фазные напряжения. В нормальном режиме вольтметры показывают равные по величине фазовые напряжения. При глухом (металлическом) замыкании на землю одной из фаз напряжение этой фазы относительно земли станет равным нулю, а напряжения двух других фаз возрастут и станут равными междуфазному. Соответственно этому изменятся показания вольтметров. Если замыкание на землю будет не глухим (а через переходное сопротивление), то напряжение поврежденной фазы понизится, а напряжения неповрежденных фаз повысятся в меньшей степени, чем при глухом заземлении, что также отразится на показаниях вольтметров. Для получения звукового сигнала в провод, соединяющий нулевую точку вольтметров с нулевым проводом трансформатора напряжения, включается указательное реле У.
Контроль состояния изоляции сети постоянного тока. Пробой изоляции относительно земли в двух точках сети постоянного тока может привести к образованию обходных цепей в оперативной цепи защиты и ложным отключением оборудования Поэтому установки постоянного тока на подстанциях оборудуются устройствами контроля состояния изоляции.
Устройство систем сигнализации электрических сетей
Автоматизация процесса производства электроэнергии на электростанциях
Лекция 1.8. Ремонт оборудования
Диагностирование технического состояния оборудования электрических сетей
В состав электрических сетей входят следующие основные объекты:
1. воздушные линии (ВЛ) электропередач 0,4-20 кВ;
2. трансформаторные подстанции (ТП) 6-20/0,4 кВ, распределительные пункты (РП) 6-20 кВ;
3. воздушные линии электропередач (ВЛ) 35-150 кВ;
4. кабельные линии электропередач (КЛ) 0,4-150 кВ;
5. электрические подстанции 35 кВ и выше;
6. воздушные линии электропередач (ВЛ) 220-800 кВ;
7. производственные здания и сооружения;
8. средства релейной защиты и автоматики;
- средства диспетчерского и технологического управления.
Система технического обслуживания и ремонта электрических сетей предусматривает выполнение комплекса работ, которые проводятся с определенной периодичностью и последовательностью, направленных на обеспечение исправного состояния электрического оборудования, его надежной и экономической эксплуатации при оптимальных трудовых и материальных затратах. Комплекс работ, в основном, включает в себя:
1. четко организованное техническое обслуживание электрического оборудования;
2. установление оптимальной периодичности проведения капитальных ремонтов
электрического оборудования;
1. внедрение прогрессивных форм организации и управление ремонтом электрического оборудования;
2. внедрение специализации ремонтных работ;
3. контроль качества выполнения работ в процессе ремонта;
4. своевременное обеспечение ремонтных работ материалами, запчастями и комплектующим оборудованием;
5. анализ параметров технического состояния оборудования до и после ремонта.
Система технического обслуживания и ремонта производственных зданий и сооружений приведена в разделе 2.
1.1.1. Техническое обслуживание электрических сетей (далее - техническое обслуживание) является методом обслуживания, при котором выполняются все необходимые работы комплекса работ, направленные на поддержание трудоспособности и предотвращение преждевременного срабатывания элементов объекта электрических сетей. Это достигается осмотрами, выполнением профилактических проверок и измерений и отдельных видов работ с заменой сработанных деталей и элементов электрических сетей, устранением повреждений.
1.1.2. Капитальный ремонт электрических сетей (далее — капитальный ремонт) — это метод ремонта, при котором одновременно выполняется комплекс мероприятий, направленных на поддержание или восстановление их начальных эксплуатационных характеристик. Это достигается ремонтом сработанных деталей и элементов или заменой их на более надежные и экономичные, что в свою очередь, значительно улучшит эксплуатационные характеристики объектов.
1.1.3. Обеспечение технического обслуживания и ремонта, поддержание в трудоспособном состоянии электрических сетей возлагается на энергоснабжающиекомпании.
Техническое обслуживание воздушных линий электропередачи 0,4-20 кВ, трансформаторных подстанций 6-20/0,4кВ и распределительных пунктов 6-20 кВ должно проводиться, исходя из результатов обследования конкретного объекта, и по решению начальника (главного инженера) РЭС. Перечень работ, которые выполняются при техническом обслуживании ВЛ 0,4-20 кВ, приведенный в таблице 1.1;
Таблица 1.8.1. Перечень работ, которые выполняются при техническом обслуживании ВЛ 0,4-20 кВ
Название работы | Срок проведения | Примечания |
1 Периодический осмотр ВЛ 1.1. Осмотр по всей длине | Не менее 1 раз в год | Годовой график ТО |
1.2 Осмотр ВЛ, которые есть в плане капремонта, инженерно-техническим персоналом | В течение года, который предшествует ремонтному | |
1.3 Верховой осмотр | При необходимости | Совмещается с проведением капитального ремонта, выключением ВЛ и проверкой загнивания верхних частей опор, закрепление крюков, проводов, изоляторов |
2 Внеочередные осмотры 2.1 Осмотр после стихийного бедствия | По указанию руководства РЭМ | |
2.2 Осмотр, связанный с непредвиденным отключением ВЛ | По указанию руководства РЭМ | |
3 Профилактические проверки иизмерения 3.1 Проверка загнивания деталей деревянных опор | В соответствии с нормами, перед подъемом на опору, или заменой деталей |
3.2 Проверка состояния железобетонных опор | В соответствии с нормами | |
3.3 Измерение сопротивления заземления опор на опорах с разрядниками, защитными промежутками электрооборудования, заземленной молниезащитой и повторными заземлениями нулевого провода | Не меньше чем 1 раз в 6 лет | |
3.4 Измерение сопротивления заземления опор выборочно на 2% железобетонных опор от общего количества опор в населенной местности на участках ВЛ с наиболее агрессивным грунтом | Не меньше чем 1 раз в 12 лет | |
4 Выборочная (2% опор с заземлителями) проверка заземления с раскапыванием грунта | То же | |
5 Проверка расстояния от проводов до поверхности земли и разных объектов инженерных сооружений и приведение их в соответствие с ПТЭ | При необходимости | |
6 Проверка сопротивления петли "фаза-нуль" | При приеме в эксплуатацию, в дальнейшем во время подключении новых потребителей и выполнении работ, которые вызывают изменение этого сопротивления | |
7 Проверка трубчатых разрядников со снятием их с опоры | Не менее чем 1 раз в 6 лет | |
8 Вырубывание отдельных деревьев, которые угрожают падением на ВЛ | При необходимости | |
9 Вырубывание кустов в охранной зоне ВЛ, обрезание ветвей | При необходимости | |
10 Замена отдельных поврежденных деталей ВЛ | При необходимости | |
11 Замена трубчатых разрядников | При необходимости | |
13 Выравнивание опор (отдельных) | То же | |
14 Утрамбование грунта под опорами | То же | |
15 Перетягивание проводов в пролетах ВЛ | То же | |
16 Перетягивание бандажей крепления стойки опоры к приставке | То же | |
17 Снятие набросов с проводов | То же |
18 Замена оборванных заземляющих спусков и установка зажимов | То же | |
19 Замена оборванных вязок проводов | То же | |
20 Проверка состояния изоляции и замена отдельных изоляторов (поврежденных) | То же | |
21 Установка замков на приводах разъединителей | То же | |
22 Установление защиты для -"- защиты кабелей | То же | |
23 Расчистка растительности для защиты опор от низовых пожаров | То же | |
24 Измерение нагрузок, теплового режима | То же | |
25 Измерение напряжения в контрольных точках ВЛ | То же | |
26 Замена поврежденных отдельных опор | То же | |
27 Замена поврежденных проводов в отдельных пролетах | То же | |
28 Замена поврежденных шлейфов | То же | |
29 Выравнивание траверсы | То же | |
30 Ремонт отдельных ответвлений на вводах | То же | |
31 Выполнение работ, связанных с охраной ВЛ. Допуск к работе посторонних организаций и надзор за роботами, которые проводятся возле ВЛ | При необходимости | |
32 Технический надзор, проверка для приема на баланс и сдачу в эксплуатацию ВЛ, строительство и реконструкцию которой выполняет подрядная организация | То же |
Передача и распределение электроэнергии
Конструктивное выполнение электрических сетей
Воздушные и кабельные сети
Лекция 2.2. Общие сведения об электроэнергетических системах
Основные понятия и определения
В настоящее время практически вся электрическая энергия производится, передается и распределяется потребителям специально созданными структурами, называемыми электрическими системами и сетями. Рассмотрим основные понятия, относящиеся к ним, и дадим определения установкам, которые их составляют.
Энергетическая система - совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и теплоты при общем управлении этим режимом.
Электроэнергетической (электрической) системой называется совокупность электроустановок электрических станций и электрических сетей энергосистемы и питающихся от нее приемников электрической энергии, объединенных общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.
Состояние электрической системы в некотором интервале времени называется режимом. Режим характеризуется определенными показателями, изменяющимися при изменении режима и называемыми параметрами режима. К параметрам режима относятся напряжения в точках системы, токи или активные и реактивные мощности в ее элементах.
Различают три основных вида режимов электрических систем: нормальный установившийся, послеаварийный установившийся и переходный.
Установившийся - режим работы, при котором его параметры могут приниматься неизменными.
Переходный - режим, при котором скорости изменения параметров настолько значительны, что они должны учитываться при рассмотрении конкретных практических задач.
Наиболее целесообразным режимом работы электрической системы является нормальный режим, при котором обеспечивается снабжение электроэнергией всех потребителей с поддержанием ее качества в установленных пределах. Основными составляющими электрической системы являются электрическая часть электрических станций, электрические сети и электроприемники.
Электрическая станция - энергоустановка, предназначенная для производства электрической энергии или электрической энергии и теплоты, содержащая строительную часть, оборудование для производства энергии и необходимое вспомогательное оборудование. В зависимости от источника первичной энергии основные электрические станции делят на тепловые (газ, уголь, мазут), атомные (ядерное топливо) и гидравлические (вода).
Электрическая сеть - совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их линий электропередачи, работающих на определенной территории. Она предназначена для передачи электроэнергии от
электростанций к потребителям и ее распределения.
Подстанция - электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления и вспомогательных устройств.
Распределительное устройство - электроустановка, предназначенная для приема и распределения электрической энергии на одном напряжении, содержащая коммутационные аппараты и соединяющие их сборные шины, устройства управления и защиты. Распределительные устройства сооружаются на всех напряжениях любых подстанций и делятся на открытые и закрытые.
Линия электропередачи - электроустановка, состоящая из проводов, кабелей, изолирующих элементов и несущих конструкций, предназначенная для передачи электрической энергии между двумя пунктами электроэнергетической системы с возможным промежуточным отбором. Линии бывают воздушные и кабельные.
Наиболее целесообразным режимом работы электрической системы является нормальный режим, при котором обеспечивается снабжение электроэнергией всех потребителей с поддержанием ее качества в установленных пределах. Основными составляющими электрической системы являются электрическая часть электрических станций, электрические сети и электроприемники.
Электрическая станция - энергоустановка, предназначенная для производства электрической энергии или электрической энергии и теплоты, содержащая строительную часть, оборудование для производства энергии и необходимое вспомогательное оборудование. В зависимости от источника первичной энергии основные электрические станции делят на тепловые (газ, уголь, мазут), атомные (ядерное топливо) и гидравлические (вода).
Электрическая сеть - совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их линий электропередачи, работающих на определенной территории. Она предназначена для передачи электроэнергии от электростанций к потребителям и ее распределения.
Подстанция - электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления и вспомогательных устройств.
Распределительное устройство - электроустановка, предназначенная для приема и распределения электрической энергии на одном напряжении, содержащая коммутационные аппараты и соединяющие их сборные шины, устройства управления и защиты. Распределительные устройства
сооружаются на всех напряжениях любых подстанций и делятся на открытые и закрытые.
Линия электропередачи - электроустановка, состоящая из проводов, кабелей, изолирующих элементов и несущих конструкций, предназначенная для передачи электрической энергии между двумя пунктами электроэнергетической
системы с возможным промежуточным отбором. Линии бывают воздушные и кабельные.
Воздушная линия электропередачи - устройство для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам или сооружаются на всех напряжениях любых подстанций и делятся на открытые и закрытые.
Линия электропередачи - электроустановка, состоящая из проводов, кабелей, изолирующих элементов и несущих конструкций, предназначенная для передачи электрической энергии между двумя пунктами электроэнергетической системы с возможным промежуточным отбором. Линии бывают воздушные и кабельные.
Воздушная линия электропередачи - устройство для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам, стойкам на зданиях и инженерных сооружениях.
Кабельной называется линия для передачи электроэнергии, состоящая из одного или нескольких параллельных кабелей с соединительными, стопорными и концевыми муфтами. Кабельные линии размещают в земле либо в специально предназначенных для них кабельных сооружениях, к которым относят туннели, каналы, короба, блоки и др.
Приемник электрической энергии (электроприемник) - аппарат, агрегат, механизм, предназначенные для преобразования электрической энергии в другой вид.
Потребителем электрической энергии называется электроприемник или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.
2.2.2. Технические, социально-экономические и экологические требования, предъявляемые к системам электроснабжения.
Потери мощности в проводах трехфазной системы выражаются формулой:
=
или
= . (2.2.1)
Определяя отсюда сечение провода F, получим так называемую формулу Доливо-Добровольского
P2L
F = ,
которая показывает, что при заданной потере мощности сечение провода обратно пропорционально квадрату напряжения.]
Для экономичности электроустановок важное значение имеет соотношение капиталовложений и стоимости потерь электроэнергии.
Изложим принципы поиска оптимального значения этого отношения по условиям минимума главного экономического критерия - стоимости передачи электроэнергии. Эти принципы следует рассматривать как дополнение к основам технико-экономических расчетов электрических сетей, изложенных выше. *|
Стоимость передачи электрической энергии по линии запишем в следующем виде:
сПЛ = , (2.2.2)
где L - длина линии электропередачи; рл - ежегодные отчисления от стоимости линии, включают амортизацию ра, расходы не эксплуатацию рэ и отчисления по нормативному коэффициенту эффективности капиталовложений Ен; К1 - стоимость 1 км линии; THБ - число часов использования наибольшей нагрузки; - потери мощности в линии в максимальном режиме; - число часов наибольших потерь; Рнб - передаваемая мощность в максимальном режиме; - стоимость 1 кВтч потерянной электроэнергии.
Потери мощности в линии определятся по формуле (2.2.1). Выразим отношение /Р через КПД линии
= . (2.2.3)
тогда
= .
Отсюда находим
Р = . (2.2.4)
Общие сведения об оперативном токе на электрических станциях и подстанциях
Оперативный ток – питает цепи дистанционного управления выключателями, оперативные цепи релейной защиты, автоматики.
Основное требование к источникам оперативного тока – надежность, при КЗ и ненормальных режимах напряжение источников оперативного тока и их мощность должны иметь достаточную величину как для действия релейной защиты, так и для отключения выключателей.
На электрических станциях и подстанциях применяют многочисленные вспомогательные электрические устройства и механизмы, служащие для управления, регулирования режима работы, сигнализации, релейной защиты и автоматики (см. гл. 9, 12, 13, 15). Все эти оперативные устройства и механизмы питаются электроэнергией от специальных источников, которые принято называть источниками оперативного тока. Соответствующие электрические цепи, питающие названные устройства и механизмы, называют оперативными цепями, а схемы питания — схемами оперативного тока.
Оперативные цепи и их источники питания должны быть весьма надежны, так как нарушение их работы может приводить к серьезным авариям в электроустановках.
Различают независимые и зависимые источники оперативного тока. Работа первых не зависит, а работа вторых зависит от режима работы и состояния первичных цепей электроустановки.
Независимыми источниками оперативного тока являются аккумуляторные батареи и дизель-генераторные агрегаты, а зависимыми источниками — двигатель-генераторные агрегаты (асинхронный двигатель и генератор постоянного тока), измерительные трансформаторы тока и напряжения, трансформаторы собственных нужд.
Оперативные цепи работают на постоянном или переменном токе. В ряде случаев используют выпрямленный ток.
Наибольшее применение на электрических станциях и крупных подстанциях имеет постоянный оперативный ток, получаемый от аккумуляторных батарей. Широкое использование постоянного оперативного тока в основном вызвано тем, что многие применяемые в электроустановках электромагнитные механизмы, выполненные на постоянном токе, более просты, имеют лучшие характеристики и более надежны в работе, чем выполненные на переменном токе.
Использование аккумуляторных батарей в качестве источников постоянного оперативного тока определяется стремлением иметь независимый источник, обеспечивающий питание оперативных цепей при любых авариях в первичных цепях, сопровождающихся снижением и даже полной потерей переменного
напряжения электроустановки. Вместе с тем аккумуляторные батареи в качестве источников оперативного тока имеют и существенные недостатки: большой расход дефицитного свинца на изготовление пластин, высокая стоимость батарей и значительные эксплуатационные расходы, необходимость сооружения аккумуляторных помещений, оборудованных приточно-вытяжной вентиляцией, необходимость специального обслуживающего персонала. На крупных электрических станциях и подстанциях централизованное снабжение постоянным током от центральной аккумуляторной батареи приводит к необходимости сооружения протяженной и разветвленной сети оперативного тока, что резко снижает надежность ее работы.
Учитывая сказанное, в настоящее время стремятся по возможности не применять аккумуляторные батареи и сооружать электроустановки на переменном оперативном токе. Последние дешевле, могут выполняться с децентрализованным питанием оперативных цепей отдельных присоединений и по надежности в ряде случаев не уступают установкам с аккумуляторными батареями. Источники переменного оперативного тока применяют пока на электрических станциях и подстанциях, оборудованных выключателями с грузовыми и пружинными приводами.
Аккумуляторные батареи продолжают применять на крупных электрических станциях и подстанциях, где необходимы повышенная надежность питания оперативных цепей и значительные мощности для управления электромагнитными приводами масляных выключателей. При этом от аккумуляторных батарей питают также ряд других потребителей, требующих надежного питания. Так, на тепловых электростанциях от аккумуляторных батарей питают аварийное освещение, резервные ма-слонасосы турбин и обеспечивают резервирование питания электродвигателей питателей пыли котлов.
На мощных блочных электростанциях с большим числом агрегатов и значительной
длиной здания станции устанавливают несколько аккумуляторных батарей, каждая из которых питает потребителей части агрегатов, что упрощает сеть постоянного тока и повышает надежность питания оперативных цепей.
Линии на переменном оперативном токе
Источниками служат измерительные трансформаторы тока и напряжения, а также трансформаторы собственных нужд, подключаемые на ток и напряжение самой сети.
Трансформаторы напряжения и трансформаторы собственных нужд не пригодны для питания цепей релейной защиты при КЗ – так как напряжение в сети при этом резко снижается. Могут использоваться при ненормальных режимах: перегрузка, замыкание на землю.
Трансформаторы тока надежны для защит от КЗ – ток при этом увеличивается, мощность достаточна для питания оперативных цепей. Однако трансформаторы тока не обеспечивают необходимой мощности при
повреждениях и ненормальных режимах, не сопровождающихся резким увеличением тока.
Чаще всего используется комбинированное питание от трансформаторов тока и напряжения. Принципиальная схема блоков питания типов БПТ представлена на рис. 2.3.1.
Рис. 2.3.1
Трансформаторы тока могут быть использованы в качестве источников переменного оперативного тока токовых релейных защит, если отдаваемая ими мощность при коротких замыканиях в защищаемых цепях достаточна для надежного отключения выключателей. На рис. 19-7,а приведена схема максимальной токовой защиты, выполненной с использованием встроенных в привод выключателей реле прямого действия без выдержки времени РТ и с зависимой выдержкой времени РТВДля обеспечения правильной работы реле прямого и косвенного действия трансформаторы тока при всех возможных величинах токов короткого замыкания в первичной цепи должны иметь погрешность во вторичном токе не более 10%» что проверяют
по кривым 10-%-ной погрешности трансформаторов тока (рис. 15-3). В схеме на рис. 19-7,6 после дешунтирования электромагнита отключения нагрузка на трансформаторы тока существенно возрастает и как следствие значительно увеличивается погрешность во вторичном токе. В этих условиях для обеспечения необходимой надежности защиты мощность, отдаваемая трансформаторами тока, должна быть достаточной для работы отключающего электромагнита привода при минимальном расчетном токе короткого замыкания в первичной-цепи. Мощность, отдаваем-ая трансформатором тока, зависит от величины сопротивления нагрузки и наибольшее значение имеет при равенстве со-, противления ветви намагничивания трансформатора суммарному сопротивлению вторичной обмотки трансформатора и нагрузки. Из приведенных на рис. 19-8 примерных кривых зависимости вторичной мощности трансформаторов тока от нагрузки видно, что с увеличением нагрузки отдаваемая мощность вначале растет, достигая максимума, а далее уменьшается, что объясняется насыщением сердечника трансформатора тока. Отдаваемая мощность пропорциональна величине тока в первичной цепи (/1>/2>/з)- Работа трансформаторовтока в области максимальной отдаваемой мощности неустойчива, поэтому величину нагрузки согласовывают с парамет
рами трансформатора тока так, чтобы он работал в начальной части характеристики.
Трансформаторы напряжения используют для питания устройств релейной защиты и автоматики, работающих на переменном токе, для дистанционного управления выключателями и для питания цепей сигнализации. При достаточной мощности трансформаторов напряжения от них одновременно могут питаться как катушки напряжения измерительных приборов, так и оперативные цепи.
Нормальное потребление оперативных цепей мало, и трансформатор напряжения работает в классе точности, необходимом для питания измерительных приборов. При работе устройств релейной защиты и автоматики, включении и отключении выключателей нагрузка на трансформатор напряжения возрастает и он кратковременно работает с большими погрешностями, что, однако, допустимо для электроизмерительных приборов и не является препятствием для питания оперативных цепей.
Линии на постоянном оперативном токе
Источниками данного тока являются аккумуляторные батареи напряжением 110...220 В. Для повышения надежности сеть постоянного тока секционируется (рис2.3.2). Аккумуляторные батареи обеспечивают питание независимо от состояния основной сети и являются самым надежным источником питания. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, необходимость в зарядных агрегатах, сложную сеть постоянного тока.
Рис. 2.3.2
Основными частями аккумулятора (рис. 19-1) являются: электроды, электролит, сепараторы и сосуд.
Электроды. В качестве положительных электродов используют штампованные или отлитые из свинца пластины поверхностного типа с большим числом ребер, благодаря которым рабочая поверхность пластин примерно в 8 раз
больше их кажущейся поверхности, определенной по внешним габаритам пластин [Л, 19-1 и 19-2].
В качестве отрицательных электродов обычно используют пластины коробчатого типа. Остов этих пластин, имеющих вид решетки с большими ячейками, изготовляют из сплава свинца с 4—12% сурьмы. Последняя увеличивает прочность решетки и уменьшает коррозию пластин. В решетку вмазан актив-.ный материал, состоящий из окислов свинца и свинцового порошка. Для предотвращения выпадания активной массы отрицательные пластины с обеих сторон закрывают тонкими перфорированными свинцовыми листами.
Пластины изготовляют трех типоразмеров: И-1, И-2, И-4. Поверхность и емкость пластин типа И-2 в 2 раза, а пластин И-4 в 4 раза больше поверхности и емкости пластин типа И-1.
Собранный на месте эксплуатации аккумулятор подвергают специальной обработке (формированию), в результате которой на положительных пластинах образуется перекись свинца РЬ02 (коричневого цвета), а на отрицательных пластинках — губчатый свинец РЬ (светло-серого цвета). Таков состав активных масс электродов заряженного аккумулятора.
Электролитом является раствор серной кислоты повышенной чистоты (ГОСТ 667-53) в дистиллированной воде. Удельный вес электролита стационарного заряженного аккумулятора при 25° С равен 1,21.
Сепараторы — это изоляционные перегородки между положительными и отрицательными пластинами аккумулятора, которые препятствуют замыканию пластин при их возможном короблении, а также мешают выпаданию активных масс с пластин.
Сосуды небольших аккумуляторов стеклянные, а больших—деревянные, выложенные внутри свинцом (рис. 19-1),
Число и тип пластин в сосуде определяются необходимой емкостью аккумулятора. Для предупреждения коробления положительные поверхностные пластины должны равномерно работать обеими сторонами. Поэтому в аккумуляторе число отрицательных пластин берется на одну больше, чем положительных. Пластины одинаковой полярности соединяют в блоки, для чего полюсные отростки пластин припаивают к соединительным свинцовым полосам. Блоки- пластин вместе с подвешенными на них сепараторами устанавливают в сосуде. Соединяют аккумуляторы в батарею при помощи межэлементных соединительных полос,
б) Работа свинцово-кислотных аккумуляторов
Аккумулятор является химическим источником постоянного тока с обратимыми электрохимическими процессами. При заряде аккумулятора электрическая энергия преобразуется в химическую, а при разряде, наоборот, — химическая энергия в электрическую. Вследствие неизбежных потерь от аккумулятора при разряде не удается получить то же количество энергии, которое ему было сообщено при заряде.
Аккумулятор характеризуется емкостью, э. д. с, зарядным и разрядным токами.
Емкость или количество электричества в ампер-часах, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор, зависит от типоразмера и числа пластин аккумулятора, разрядного тока и температуры электролита. Номинальной емкостью аккумулятора является его емкость при 10-часовом разряде и нормальных температуре ( + 25° С) и удельном весе (1,21) электролита.
Электродвижущая сила аккумулятора. Принято различать обратимую э. д. с. Е0, численно равную напряжению аккумулятора при разомкнутой внешней цепи, и динамическую э. д. fc. ERim при замкнутой внешней цепи, т. е. пр'и протекании через аккумулятор тока (режимы заряда и разряда).
Типы конфигураций электрических сетей
Показатели качества электрической энергии
Каждый потребитель должен обеспечиваться качественной электроэнергией. Для характеристики качества электроэнергии применяются специальные показатели, которые установлены государственным стандартом (ГОСТ 13109—97); отклонение частоты от номинального значения, отклонение напряжения от номинального значения, коэффициенты несимметрии и несинусоидальности трехфазной системы напряжений и др.
Экономичность сооружения и эксплуатации. При проектировании электрической сети следует соразмерять средства, вложенные на сооружение сети, и расходы, которые пойдут на ее эксплуатацию. Для этого используют специальные критерии, например: полные затраты на сооружение и эксплуатацию в течение экономического срока службы сети.
Лекция 2.10. Регулирование напряжения и частоты в электроэнергетической системе
Рис. 2.14.1
В период нормальной эксплуатации ИО уменьшается и практически остается постоянной, при этом отказы носят случайный характер и появляются внезапно, прежде всего из-за несоблюдения условий эксплуатации, случайных изменений нагрузки, неблагоприятных внешних факторов и т. п. Именно этот период соответствует основному времени эксплуатации объекта.
Возрастание ИО относится к периоду старения объекта и вызвано увеличением числа отказов от износа, старения и других причин, связанных с длительной эксплуатацией.
Выбор закона распределения состоит в подборе аналитической функции наилучшим образом аппроксимирующей эмпирические функции надежности.
Выбор, в значительной мере, процедура неопределенная и во многом субъективная, при этом многое зависит от априорных знаний об объекте и его свойствах, условиях работы, а также анализа вида графиков (t), (t), (t).
Очевидно, что выбор распределения будет зависеть, прежде всего, от вида эмпирической функции ПРО (t), а также от вида - (t). Так коэффициентИтак, выбор закона распределения носит характер принятия той или иной гипотезы.
Предположим, что по тем или иным соображениям, выбран гипотетический закон распределения, заданный теоретической ПРО
где a, b, c, … - неизвестные параметры распределения.
Требуется подобрать эти параметры так, чтобы функция f(t) наилучшим образом сглаживала ступенчатый график (t). При этом используется следующий прием: параметры a, b, c, … выбираются с таким расчетом, чтобы несколько важнейших числовых характеристик теоретического распределения были равны соответствующим статистическим оценкам.
2.14.3. Показатели надёжности систем электроснабжения
Надежность является комплексным свойством, включающим в себя в зависимости от назначения объекта или условий его эксплуатации ряд простых свойств:
· безотказность;
· долговечность;
· ремонтопригодность;
· сохраняемость.
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.
Наработка – продолжительность или объем работы объекта, измеряемая в любых неубывающих величинах (единица времени, число циклов нагружения, километры пробега и т. п.).
Долговечность– свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Ремонтопригодность– свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость– свойство объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования.
В зависимости от объекта надежность может определяться всеми перечисленными свойствами или частью их. Например, надежность колеса зубчатой передачи, подшипников определяется их долговечностью, а станка – долговечностью, безотказностью и ремонтопригодностью.
Показатель надежности количественно характеризует, в какой степени данному объекту присущи определенные свойства, обусловливающие надежность.Одни показатели надежности (например, технический ресурс, срок службы) могут иметь размерность, ряд других (например, вероятность безотказной работы, коэффициент готовности) являются безразмерными.
Рассмотрим показатели составляющей надежности - долговечность.
Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуатации или возобновления эксплуатации после ремонта до наступления предельного состояния. Строго говоря, технический ресурс может быть регламентирован следующим образом: до среднего, капитального, от капитального до ближайшего среднего ремонта и т. п. Если регламентация отсутствует, то имеется в виду ресурс от начала эксплуатации до достижения предельного состояния после всех видов ремонтов.
Для невосстанавливаемых объектов понятия технического ресурса и наработки до отказа совпадают.
Назначенный ресурс – суммарная наработка объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состояния.
Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации (в том числе, хранение, ремонт и т. п.) от ее начала до наступления предельного состояния.
На рис. 2.14.2 приведена графическая интерпретация перечисленных показателей, при этом:
t0 = 0 – начало эксплуатации;
t1, t5 – моменты отключения по технологическим причинам;
t2, t4, t6, t8 – моменты включения объекта;
t3, t7 – моменты вывода объекта в ремонт, соответственно, средний и капитальный;
t9 – момент прекращения эксплуатации;
t10 – момент отказа объекта.
Рис. 2.14.2.
Технический ресурс (наработка до отказа)
ТР = t1+ (t3 – t2 ) + (t5 – t4) + (t7 – t6) + (t10 – t8).
Назначенный ресурс
ТН = t1 + (t3 –t2 ) + (t5 – t4 ) + (t7 –t6 ) + (t9 –t8 ).
Срок службы объекта ТС = t10 .
Для большинства объектов электромеханики в качестве критерия долговечности чаще всего используется технический ресурс.
2.14.4. Уровень надёжности электроснабжения. Методы его достижения
Надежность является одной из основных инженерных проблем. Проблемой надежности занимались всегда с тех пор, как появилась техника. Ненадежные изделия никогда никому не были нужны. Давно уже было понятно, что надежность связана с избыточностью. В связи с этим в инженерных расчетах в различных областях техники широко используются необходимые коэффициенты запаса.
Однако за последние 25—30 лет проблема надежности технических систем и входящих в нее элементов сильно обострилась. Это обусловлено главным образом следующими причинами:
1. Ростом сложности современных технических систем, включающих до 1000000 отдельных элементов;
2. Интенсивностью режимов работы системы или отдельных
ее частей: при высоких температурах, высоких давлениях, высоких
скоростях;
3. Сложностью условий, в которых эксплуатируется техническая система, например: низкие или высокие температуры, высокие
влажность, вибрации, ускорения и радиация и т. п.;
4 Требованиями к качеству работы системы: высокие точность, эффективность и т. п.;
5. Повышением ответственности функций, выполняемых системой; высокой технической и экономической ценой отказа;
6. Полной или частичной автоматизацией и исключением непосредственного участия человека при выполнении технической системой ее функции, исключением непрерывного наблюдения и контроля со стороны человека.
Одной из главных причин обострения внимания к проблеме надежности является рост сложности технических систем.
Лекция 2.15. Условия выбора параметров основного оборудования в системах электроснабжения различного назначения
Условия выбора выключателей, разъединителей, трансформаторов
Ниже изложена общая методика выбора и проверки электрических аппаратов и проводников. Выбор и проверка отдельных видов аппаратов имеет некоторую специфику и особенности, что отражено в табл. 2.15.2.
Лекция 2.16. Защитные меры безопасности
Электроустановки с преобразованием электрической энергии в механическую
Даныый раздел изучается студентом самостоятельно
Элетротермические установки
Электропечи сопротивления
Температура наружной поверхности кожуха электропечи должна быть не выше значений, установленных инструкцией по эксплуатации завода-изготовителя.
Состояние нагревательных элементов должно проверяться в соответствии с инструкцией по эксплуатации завода-изготовителя с учетом местных условий.
Общие требования
Какие защитные меры должны быть предусмотрены в электросварочных установках, кроме защитного заземления ОПЧ и подключения к системе уравнивания потенциалов сторонних проводящих частей?
Ответ. Должно быть предусмотрено заземление одного из выводов вторичной цепи источников сварочного тока: сварочных трансформаторов, статических преобразователей и тех двигателей-генераторных преобразователей, у которых обмотки возбуждения генератора присоединяются к электрической сети без разделительных трансформаторов. В электросварочных установках, в которых дуга горит между электродом и электропроводящим изделием, следует заземлять вывод вторичной цепи источника сварочного тока, соединяемый проводником (обратным проводом) с изделием.
Электрохимические и электролизные установки
Настоящая глава Правил распространяется на расположенные внутри зданий (исключения приведены в 7.10.4) производственные и опытно-промышленные установки электролиза водных растворов кислот, щелочей и солей с получением и без получения металлов, установки электролиза расплавленных солей, окислов и щелочей и установки гальванических покрытий изделий (деталей) черными и цветными металлами, в том числе редкими и драгоценными.
Электролизные установки и установки гальванических покрытий и используемое в них электротехническое и др. оборудование или устройства, кроме требований настоящей главы, должны удовлетворять также требованиям разделов 1-6 и гл. 7.3-7.5 Правил в той мере, в какой они не изменены настоящей главой.
Основные понятия
Потери электроэнергии - это потери мощности за какой-то промежуток времени. На величину потерь существенно влияет характер изменения нагрузки в течение этого периода времени.
В элементе электрической сети, работающем с неизменной нагрузкой и имеющем потери активной мощности P, потери электроэнергии за время t составят
W=P t. (2.19.1)
В действительности нагрузки элементов сети не остаются постоянными, а изменяются в соответствии с графиками нагрузки потребителей, режимами работы отдельных электростанций.
В общем случае потери электроэнергии в элементе электрической сети с неизменными сопротивлением R и напряжением U за промежуток времени Т составят
W= , (2.19.2)
где I, S - соответственно протекающие по элементу сети ток и мощность в момент времени t.
Расчет потерь электроэнергии по формуле (2.19.2) требует знания закона изменения тока или мощности во времени. Однако в общем случае этот закон математическому описанию не поддается. Поэтому для учета изменения тока или мощности во времени применяют различные математические и алгоритмические приемы, позволяющие упростить определение значения
интеграла I2(t)dt или S2(t)dt . Они определяют погрешность методов и ограничивают область их применения.
Классификация реле
Реле – автоматические приборы управления, обладающие релейным действием, т.е. скачкообразным изменением состояния управляемой цепи (например, её замыкание или размыкание) при заданных значениях величин, характеризующих определенное отклонение режима контролируемого объекта.
Типы реле:
Электрические – реагируют на электрические величины.
Механические – реагируют на неэлектрические величины: скорость истечения жидкости или газа, уровень жидкости.
Тепловые – реагируют на количество выделенного тепла или изменение температуры.
Разновидности реле.
Токовые реле – электромагнитные реле, включенные на ток сети (непосредственно или через трансформаторы тока).
Для уменьшения нагрузки на трансформатор тока токовые реле должны иметь по возможности малое потребление мощности. Обмотки токовых реле рассчитываются на длительное прохождение токов нагрузки и кратковременное – токов КЗ. kвоз должен приближаться к единице.
Реле РТ–40. Ток срабатывания регулируется плавно изменением натяжения пружины. Обмотка реле состоит из двух секций, что позволяет путём параллельного и последовательного включений изменять пределы регулирования тока срабатывания. При последовательном соединении число витков возрастает, увеличивается точность, диапазон уменьшается в 2 раза.
Обозначение реле РТ–40/0,2 – диапазон токов срабатывания – 0,05...0,2 А;
РТ–40/20 – 5...20А.
В справочниках по реле указываются: пределы уставок, термическая стойкость, коэффициент возврата, потребляемая мощность.
Реле напряжения. По конструкции реле напряжения аналогичны токовым, подключаются к трансформаторам напряжения.
Реле РН–55. В реле напряжения для снижения вибраций подвижной системы обмотка реле включена в сеть вторичного тока не непосредственно, а через выпрямитель.
Промежуточные реле. Применяются, когда необходимо одновременно замыкать несколько независимых цепей или когда требуется реле с мощными контактами для замыкания/размыкания цепей с большим током.
Промежуточные реле по способу включения подразделяются на реле параллельного и последовательного включения.
В справочниках указываются номинальные величины напряжения, тока, время срабатывания, допустимый ток, контактная система реле.
Конструкция. Промежуточные реле в основном выполняются при помощи системы с поворотным якорем – достоинство этой системы в большой электромагнитной силе при малом потреблении мощности, удобна для изготовления многоконтактных реле.
Указательные реле. Ввиду кратковременности прохождения тока в обмотке указательного реле они выполняются так, что сигнальный флажок и контакты реле остаются в сработавшем состоянии до тех пор, пока их не возвратит на место обслуживающий персонал.
Типы указательных реле: РУ–21, СЭ–2, ЭС–41.
Реле времени. Служат для искусственного замедления действия устройств релейной защиты. Основное требование – точность. Погрешность во времени действия реле не должна превышать ±0,25 с, а для высокоточных реле ±0,06 с.
Конструкция. При появлении тока в обмотке якорь втягивается, освобождая рычаг с зубчатым сегментом. Под действием пружины рычаг приходит в движение, замедляемое устройством выдержки времени. Через определенное время подвижный контакт замкнет контакты реле.
Типы реле времени: ЭВ–100, ЭВ–200. Широко используется и полупроводниковые реле времени серии ВЛ. Изготовляются реле времени с синхронным электродвигателем серии Е–52, ВС–10. Реле серий Е–512, Е–513 имеют двигатели постоянного тока.
Для уменьшения размеров реле их катушки не рассчитаны на длительное прохождение тока. Поэтому реле, предназначенные для длительного включения под напряжение, выполняются с добавочным сопротивлением rд.
Экологические аспекты электроустановок высокого напряжения
Нарушение экологического баланса биосферы объектами энергетики
Данный раздел изучается студентами самостоятельно.
Помехи и электромагнитное излучение
Влияние электромагнитного излучения на живые организмы
Невротические заболевания – раздражительность, забывчивость, головные боли, метеопатия.
Психосоматические – гипертония, стенокардия, язва, бронхит, астма.
Изменение поля атмосферы от 150 ¸ 2000 В/м может вызывать у людей ухудшение самочувствия.
Воздействие компьютеров - осаждение пыли на кожу, аллергия
Е может достигать 20 ¸ 30 кВ/м на расстоянии 30см.
Экологические аспекты электроустановок высокого напряжения
Нарушение экологического баланса биосферы объектами энергетики
Данный раздел изучается студентами самостоятельно.
Помехи и электромагнитное излучение
Нормативные документы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная
1. Основы современной энергетики: Учебник для вузов в двух частях/ Под общей ред. чл.-корр. РАН Е.В. Аметистова, 2-е изд, перераб. и доп. М.: Издательство МЭИ, 2003.
2. Лыкин А.В. Электрические системы и сети: Учебное пособие. - М.: Университетская книга; Логос, 2006.
3. Лычев П.В., Федин В.Т. Электрические сети энергетических систем. : Учебное пособие - Мн.: Унiверсiтэцкае, 1999.
4. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. - М.: Энергоатомиздат, 1989..
Дополнительная
1. Макаров Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4-35 и 110-1150 кВ. Учебно-производственное издание в 7 томах. М.: Энергия, 2006.
2. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. М.: Высшая школа, 1981.
3. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования, изд.4. М.: Энергоатомиздат, 1989.
4. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций, изд.3. М.: Энегроатомиздат,1987.
5. Руководящие указания по расчёту токов короткого замыкания и выбору электрооборудования РД153-34.0-20.527-98. М.: «Издательство НЦ ЭНАС»