Классификация сетей передачи и распределения электроэнергии

2.3.1. По признакам, связанным с номинальным напряжением

Все электроприемники, генераторы, трансформаторы и прочие элементы ЭЭС проектируются для работы в длительном нормальном режиме при определенном напряжении, при котором эти элементы обладают наиболее целесообразными технико-экономическими показателями. Эти напряжения называются номинальными, и их значения всегда устанавливаются в соответствии с действующими ГОСТами [16, 17]. В настоящее время для электрических сетей в соответствии с ГОСТ 21128–83 стандартизованы четыре напряжения менее 1 кВ (40, 220, 380 и 660 В) и в соответствии ГОСТ 721–77 двенадцать напряжений выше 1 кВ (3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ). Все перечисленные цифры соответствуют линейным (междуфазным) значениям напряжений трехфазной системы переменного тока.

Электрические сети современных энергосистем характеризуются весьма сложной структурой и конфигурацией. В этих условиях невозможно классифицировать их по какому-либо одному признаку, который мог бы считаться определяющим, однако ряд признаков в той или иной мере связан со значением номинального напряжения сети U_ном. К числу таких признаков можно отнести охват территории, функцию сети в составе ЭЭС, назначение сети и тип приемников электроэнергии. В табл. 2 приводятся элементы классификации по названным признакам.

Таблица 2
Признак	Номинальное напряжение, кВ
£ 1	3–35	110–220	330–750
Номинальное напряжение	Сети низкого напряжения (НН)	Сети среднего напряжения (СН)	Сети высокого напряжения (ВН)	Сети сверх-высокого напряжения (СВН)	Сети ультра-высокого напряжения (УВН)
Охват территории	Местные	Районные	Региональные
Тип сети	Сети распределения электроэнергии	Сети передачи электроэнергии
Назначение	Распределительные	Системообразующие (питающие)
Тип приемников	Промышленные, городские, сельскохозяйственные, железнодорожного и трубопроводного транспорта	Районные распределительные пункты

Как уже отмечалось в разделе 2.2.1, системообразующие (питающие) сети осуществляют функции формирования районных энергосистем путем объединения их электростанций на параллельную работу, а также объединение региональных и районных энергосистем. Кроме того, они осуществляют передачу электроэнергии к системным подстанциям (см. рис. 9), играющим роль источников питания для распределительных сетей.

Во внутренней энергосистеме Республики Беларусь исторически сложилась система напряжений 330–(220)–110–35–10(6)–0,38 кВ. В перспективе намечен вывод из эксплуатации ЛЭП и подстанций с напряжением 220 кВ с заменой их сетями напряжением 110 и 330 кВ, а также ЛЭП и подстанций с напряжением 35 кВ с переводом сети на напряжение 110 кВ. в результате сложится система напряжений 330–110–35–10(6)–0,38 кВ. В межсистемной связи энергосистемы Республики Беларусь от подстанции «Белорусская» до Смоленской АЭС используется воздушная линия 750 кВ.

Рассмотрим обоснование целесообразности повышения напряжения для передачи электроэнергии. Активная мощность, передаваемая по линии трехфазного тока при симметричной нагрузке (см. раздел 1) равна:

,

(4)

где U и I – линейные (межфазные) значения напряжения и тока; cos j – коэффициент мощности.

Передача электроэнергии связана с потерями мощности, т.к. электрический ток нагревает провода ЛЭП. Величина потерь мощности в проводах трехфазной линии DР определяется по формуле:

,

(5)

где r – удельное сопротивление материала проводов; l – длина проводов;
s – площадь поперечного сечения проводов.

Анализируя формулы (4) и (5) можно предложить способы снижения потерь мощности. Величина передаваемой мощности Р, необходимой потребителю, и дальность передачи l определяются условиями электропередачи. Эти величины изменить невозможно. Удельное сопротивление r зависит от материала, из которого сделаны провода. Для изготовления проводов по определению используются материалы с наименьшим значением r (медь, алюминий). Увеличение площади поперечного сечения s малоэффективно: значительное утолщение проводов невозможно из-за большой массы и стоимости линии. Следовательно, потери мощности можно снизить только уменьшая ток I, а это в свою очередь, с учетом формулы (4), возможно без изменения величины передаваемой мощности Р только за счет увеличения напряжения U и коэффициента мощности потребителя cos j.

Когда коэффициент мощности cos j мал, значительная часть энергии циркулирует по проводам от генератора к потребителям и обратно, что приводит к значительным потерям на нагревание проводов. При таком сравнительно высоком коэффициенте мощности, как cos j = 0,8, потери в линии электропередачи примерно в полтора раза больше, чем для cos j = 1. При современных масштабах передачи энергии повышение значения cos j с 0,8 до 0,9 дало бы огромную экономию мощности, равную мощности нескольких крупных электростанций.

Однако главный путь уменьшения потерь мощности в проводах ЛЭП – это повышение напряжения в ЛЭП.

При сооружении сети обычно исходят из альтернативы: либо строить линию более высокого напряжения U_в, либо передавать энергию по n линиям более низкого напряжения U_н. При условии, что передаваемая мощность одинакова, запишем:

, .

(6)

Передача электроэнергии связана с потерями мощности, которые для линий высокого и низкого напряжений будут составлять, соответственно:

, ,

где R_в и R_н – сопротивления линий высокого и низкого напряжений соответственно.

Принимая во внимание, что линии имеют одинаковую длину (l_в = l_н) и одинаковое удельное сопротивление материала проводов (r_в = r_н), найдем соотношение потерь мощности для рассматриваемых вариантов передачи электроэнергии:

,

(7)

где s_в и s_н – площади сечения проводов линий высокого и низкого напряжений соответственно.

Подставив (6) в конечную форму (7), получим:

.

(8)

Из формулы (8) следует, что если U_в > U_н и s_в = n×s_н, то

,

и, следовательно, при одинаковом расходе цветного металла потери мощности в линии высокого напряжения будет меньше, чем в n линиях низкого напряжения.

Аналогично, для случая одинаковых потерь мощности (DР_в = DР_н) из (8) следует:

;

т.е. расход цветного металла в n линиях низкого напряжения будет больше, чем в линии высокого напряжения.

Стоимость сооружения 1 км линии высокого напряжения, как правило, меньше стоимости n линий низкого напряжения. Т.о. повышение напряжения позволяет затрачивать меньше материалов и средств на сооружение ЛЭП.

Следует отметить, что приведенное сравнение экономичности линий разного напряжения не является достаточно строгим. Учет стоимости устройств на приемном и передающем концах линий при определенных значениях передаваемых мощностей может привести к тому, что предпочтительным окажется сооружение линий более низкого напряжения. Поэтому приведенные рассуждения следует понимать в том смысле, что при росте передаваемой мощности наступит такой предел, при котором линия более высокого напряжения обеспечит меньшие потери мощности и меньшие затраты, чем сооружение n линий более низкого напряжения, т.е. напряжение следует рассматривать как основное средство повышение экономичности передачи при увеличении ее дальности и величины передаваемой мощности [2, 6, 18, 19].

Накопленный опыт проектирования и эксплуатации сетей передачи и распределения электроэнергии сформировал рекомендации по экономически целесообразным соотношениям параметров сетей по напряжению, передаваемой мощности и дальности передачи электроэнергии, приведенные в табл. 3 [9].

Таблица 3
Напряжение, кВ	Максимальная передаваемая мощность, МВт	Максимальное расстояние передачи, км
0,38	0,05 – 0,15	0,5 – 1,0
	2,0 – 3,0	10 – 15
	5 – 10	30 – 50
	25 – 50	50 – 150
	40 – 70	100 – 200
	100 – 200	150 – 250
	200 – 300	300 – 400
	700 – 900	800 – 1200
	1800 – 2200	1000 –1500
	4000 – 6000	2000 – 3000

2.3.2. По роду тока

В соответствии с родом тока различают сети переменного и постоянного тока.

В настоящее время производство и передача электроэнергии во всех странах мира осуществляется преимущественно на трехфазном переменном токе частотой 50 Гц или 60 Гц. Это объясняется следующими причинами. Основными промышленными потребителями электроэнергии являются электроприводы различных механизмов, для которых применяют трехфазные асинхронные двигатели. Вращающееся электромагнитное поле – естественное свойство трехфазной системы. Производство электроэнергии технически возможно как генераторами переменного тока, так и постоянного тока, рабочее напряжение которых ограничено. Для обеспечения экономичности передачи электроэнергии на дальние расстояния необходимо напряжение, значительно превышающее номинальное напряжение генераторов. Непосредственная трансформация постоянного тока невозможна. Поэтому повышение напряжения при токах в несколько тысяч ампер возможно только с помощью явления электромагнитной индукции и трансформаторов, что создает возможность для последующей эффективной передачи электроэнергии переменным током. Потребление электроэнергии производится на относительно низком напряжения – сотни, тысячи вольт. Поэтому на приемном конце электропередачи необходимо снова использовать трансформаторные устройства. Переменный ток выявил свои преимущества после изобретения трансформатора. По этим двум причинам цепочка: производство, передача и потребление электроэнергии осуществляется, как правило, на переменном токе.

Сети постоянного тока используются для обеспечения некоторых технологических процессов в промышленности, например для электролизных и гальванических установок в цветной металлургии и химической промышленности. На постоянном токе работают электроприводы ряда механизмов, и частично осуществляется электрификация транспорта. Вставки постоянного тока используют для связи ЭЭС с различными номинальными частотами (50 и 60 Гц) и для независимой связи ЭЭС с одинаковыми частотами – в этом случае изменение частоты в одной системе не оказывает влияния на частоту в другой.

Основная сфера использования протяженных электропередач постоянного тока – обеспечение межсистемных связей энергосистем. В качестве таких линий обычно используют линии повышенного напряжения большой протяженности и большой пропускной способности.

Большие длины ЛЭП переменного тока приводят к необходимости учета волнового характера процессов, происходящих при передаче электрической энергии. В линиях, длина которых соизмерима с длиной волны переменного тока, необходимо учитывать распределенность параметров линии. При частоте переменного тока 50 Гц волновые свойства передачи начинают сказываться при длинах линии 250 – 300 км. Это, прежде всего, возможные перенапряжения при холостых режимах, малых нагрузках, при отключении линии с одного конца. Большой емкостной ток линий дальней электропередачи вызывает дополнительные потери активной мощности, поэтому его и соответствующую проводимость линии компенсируют включением в переключательных пунктах реакторов поперечной компенсации. Также требуется снижение индуктивного сопротивления линии за счет последовательного включения конденсаторных установок продольной компенсации. Кроме того, передача электроэнергии по линиям переменного тока большой протяженности связана с решением задач по релейной защите, автоматическому управлению режимами работы и т.д. Все эти мероприятия приводит к техническому усложнению и удорожанию ЛЭП. Схема дальней электропередачи переменного тока показана на рис. 10–а).

Для передачи электроэнергии постоянным током сооружаются преобразовательные подстанции – выпрямительная, преобразующая после трансформации на высокое напряжение переменный ток в постоянный с последующей передачей электроэнергии на дальнее расстояние, и инверторная с обратным преобразованием постоянного тока в переменный для трансформации на низкое напряжение. Схема передачи мощности из
ЭЭС–1 в ЭЭС–2 с использованием ЛЭП постоянного тока показана на
рис. 10–б).

Передача электроэнергии постоянным током имеет следующие преимущества по сравнению с переменным:

- отсутствие реактивной мощности (реактивные элементы линии не проявляют себя при постоянном токе; сопротивление линии ограничивается омическим значением);

- пропускная способность линии не зависит от длины, а определяется пропускной способностью выпрямительной и инверторной подстанций;

- конструкции ЛЭП постоянного тока проще и дешевле линий переменного тока, в частности из-за сокращения числа проводов в линии от трех до двух при возможности работы одним проводом через «землю» и, как следствие, возможность применения более простых конструкций опор воздушных линий;

- отсутствие эффекта перенапряжений на конце линии, находящейся на холостом ходу.

ЛЭП постоянного тока может передавать бóльшую мощность по проводнику, так как для заданной номинальной мощности постоянное напряжение в линии постоянного тока ниже, чем амплитудное напряжение в линии переменного тока. Мощность переменного тока определяет действующее напряжение, но действующее составляет только приблизительно 71% амплитудного напряжения (U = U_m / » 0,71×U_m), которое определяет фактическую толщину изоляции и расстояние между проводниками. Поскольку линия постоянного тока работает на амплитудном напряжении, это позволяет по существующей линии электропередачи с проводниками и изоляцией того же размера передавать больше мощности, чем на переменном токе, что снижает затраты.

Вместе с тем, технико-экономические преимущества использования постоянного тока для дальней электропередачи снижаются из-за наличия дорогих и сложных в эксплуатации подстанций (выпрямительной и инверторной), а также из-за ухудшения качества электроэнергии в связи с появлением высших гармоник при преобразовании электроэнергии из постоянного в переменный ток. В связи с этим применение постоянного тока рассматривается как альтернатива переменному току для сверхдальних линий (длиной свыше 1000 км и передаваемой мощностью свыше 2000 МВт), а также в тех случаях, когда сооружение воздушных и кабельных ЛЭП переменного тока экономически нецелесообразно, например, для пересечения морского пространства (длинные подводные кабели имеют высокую емкость, что приводит к дополнительным потерям мощности при передаче электроэнергии переменным током).

В дальнейшем будем рассматривать сети передачи и распределения электроэнергии на переменном трехфазном токе, используемые в энергосистеме Республики Беларусь. Преимущества этой системы неоспоримы в электрических сетях по всему диапазону напряжений, от низковольтных линий передачи 0,38 кВ и до сверхвысокого напряжения 1150 кВ, т.е. от обеспечения электроэнергией индивидуальных потребителей до межсистемных связей длиной до 1500 км и более [2, 5, 6, 9, 19].

2.3.3. По конфигурации

При построении сетей передачи и распределения электроэнергии используется большое многообразие конфигураций, которые можно разделить на две группы: разомкнутые и замкнутые.

В местных распределительных сетях электроэнергия к потребителям распределяется от центров питания, под которыми понимаются шины распределительных устройств вторичного напряжения (6–35 кВ) понижающих подстанций ЭЭС или шины распределительных устройств того же напряжения электростанций. Эти сети, как правило, имеют разомкнутую конфигурацию, т.е. не содержат замкнутых контуров, питаются от одного центра питания и передают электрическую энергию к потребителю только в одном направлении. Разомкнутые сети бывают радиальными, магистральными, смешанными (радиально-магистральными) и петлевыми.

В радиальных схемах электроснабжение осуществляется по линиям, не имеющим распределения энергии по их длинам. Радиальные схемы применяются в тех случаях, когда потребители расположены в разных направлениях от центра питания. Конфигурация радиальной схемы для трех потребителей показана на рис. 11–а. Для подключения потребителя к центру питания соответствующий разъединитель замыкается.

При расположении потребителей в одном направлении от центра питания используется магистральная схема, в которой линии, питающие потребителей, имеют распределение энергии по длине. Конфигурация магистральной схемы для трех потребителей показана на рис. 11–б.

Рис. 11

а)

б)

Смешанные схемы применяются при различном расположении потребителей относительно центра питания и сочетают принципы построения как радиальной, так и магистральной схем. Пример смешанной конфигурации показан на рис. 12–а.

Рис. 12

а)

б)

В петлевой схеме участки линий, связывающих между собой различных потребителей, образуют замкнутый контур – петлю, но в нормальном режиме петлевая схема всегда работает в разомкнутом состоянии, поэтому ее иногда называют полузамкнутой. В примере на рис. 12–б в нормальном режиме может быть разомкнут разъединитель a на подстанции потребителя П₂, а все остальные замкнуты, т.е. потребители П₁ и П₂ получают питание по магистральному участку 1–2, а П₃ и П₄ – по магистральному участку 3–4. Если происходит повреждение какого-либо участка линии, например 4, то потребитель П₃ остается без питания. Для восстановления электроснабжения замыкается разъединитель a, а для отключения и ремонта поврежденного участка размыкаются b и c. На время ремонта потребители П₁, П₂ и П₃ получают питание по участку 1–2–5, а П₄ – по участку 3.

Разомкнутые сети бывают одно- и двухступенчатыми. В одноступенчатых сетях (см. рис. 11 и рис. 12) потребители непосредственно связаны с центральным распределительным пунктом (центром питания). Так в основном реализуются сети низкого напряжения для питания нагрузки небольшой мощности. В двухступенчатых распределительных сетях 6–20 кВ центр питания может быть соединен с распределительным пунктом, от которого уже отходят линии непосредственно к узлам нагрузки.

В районных распределительных сетях электроэнергия к потребителям распределяется от центров питания, под которыми понимаются шины распределительных устройств вторичного напряжения (110–220 кВ) крупных понижающих подстанций ЭЭС или шины такого же напряжения распределительных устройств электростанций. Эти сети имеют, как правило, достаточно сложную структуру, определяемую географическими условиями, распределением нагрузок, размещением источников электроэнергии. Многообразие и несхожесть этих условий для разных районов страны приводит к большому количеству различных конфигураций. Как и для местных распределительных сетей, здесь используют радиальные, магистральные и смешанные схемы. Кроме того, для районных распределительных сетей широко используют замкнутые и сложно-замкнутые схемы.

Замкнутыми называют сети, питающие потребителей по меньшей мере с двух сторон. Сложно-замкнутой называется многоконтурная сеть.

Наиболее простой формой замкнутой сети является одноконтурная кольцевая схема (в отличие от петлевой – нормально замкнутая). В примере кольцевой схемы, показанной на рис. 13, пять подстанций (ПС) получают питание от центра питания (ЦП). Присоединение к разным системам шин центра питания повышает надежность электроснабжения за счет двухстороннего питания каждого потребителя. Дальнейшее повышение надежности может быть обеспечено с использованием двух центров питания и двойных линий. Замкнутая одинарная и двойная сети для трех подстанций с питанием от двух центров показаны на рис. 14–а и рис. 14–б соответственно.

Заметим, что двойные линии используются для повышения надежности любой конфигурации сети, замкнутой или разомкнутой.

Рис. 13

Рис. 14

а)

б)

На последующих этапах развития может сформироваться многоконтурная схема. Создание такой сети определяется необходимостью создания узловых подстанций (с присоединением трех и более линий) и дальнейшим повышением надежности электроснабжения потребителей. В таких схемах количество центров питания может быть самым различным. Пример конфигурации сложно-замкнутой многоконтурной сети пяти подстанций, получающих питание от трех центров, показан на рис. 15.

Рис. 15

Как уже отмечалось, для региональных системообразующих сетей передачи электроэнергии напряжением от 330 кВ и выше характерны большая протяженность (сотни км) и большая передаваемая мощности (сотни МВт). По конфигурации это наиболее простые сети, представляющие собой магистраль: электростанция – ЛЭП – приемная узловая подстанция [2, 6, 9, 10].

2.3.4. По конструктивному исполнению

По данному признаку сети передачи и распределения электроэнергии делятся на внутренние проводки (до 1 кВ), кабельные (до 500 кВ) и воздушные (до 750–1150 кВ).

Внутренними электропроводками называются провода и кабели с электроустановочными и электромонтажными изделиями, предназначенные для выполнения внутренних сетей в зданиях. Они выполняются открытыми и скрытыми, в большинстве случаев изолированными проводами, прокладываемыми на изоляторах или в трубах. Кабели прокладываются в каналах, полах или стенах.

К внутренним электропроводкам также иногда относят токопроводы (шинопроводы) цеховых сетей промышленных предприятий. Внутренние сети промышленных предприятий выполняются закрытыми токопроводами, прокладываемыми вдоль колонн и стен цехов на высоте, допустимой по условиям производства. Токоведущие части токопроводов выполняются из проводов, крепящихся на поддерживающих и опорных конструкциях внутри защитных оболочек – коробов (рис. 16–а, б).

Рис. 16

а)

б)

Кабельная линия – линия для передачи электроэнергии, состоящая из одного или нескольких параллельных кабелей, прокладка которой выполнена определенным способом – в земляной траншее (рис. 17–а), туннеле (рис. 17–б), коллекторе, кабельном канале и проч. Кабельные линии прокладывают там, где строительство воздушных линий невозможно из-за ограниченности территории, по условиям техники безопасности, архитектурно-планировочным и другим требованиям. Основными конструктивными элементами кабельных линий является собственно кабель, соединительные и концевые муфты, строительные конструкции, элементы крепления и др. Кабель представляет собой изделие, состоящее из изолированных токопроводящих жил, заключенных в защитную герметичную оболочку и броню, предохраняющие их от влаги, кислот и механических повреждений.

Кабельные сети являются основой городских и промышленных распределительных сетей.

Рис. 17

а)

б)

Воздушными называются линии, предназначенные для передачи и распределения электроэнергии по проводам на открытом воздухе, поддерживаемых с помощью опор и изоляторов. Воздушные линии являются основой сетей передачи и распределения, по ним проходит основной поток электроэнергии от станций ЭЭС к потребителям. Воздушные сети характерны для электроснабжения сельских потребителей, а также для районных и системообразующих сетей.

Основными конструктивными элементами воздушных линий являются опоры, провода, грозозащитные заземленные тросы, изоляторы и крепежные элементы.

Физико-технические свойства кабелей, проводов и тросов подробно рассматриваются в дисциплине «Конструкционные и электротехнические материалы»; конструкции изоляторов и принципы защиты линий от перенапряжения – в дисциплине «Техника высоких напряжений».

Опоры могут быть деревянными (рис. 18–а), металлическими (рис. 18–б) и железобетонными (рис. 19–а). Для перехода от воздушных к кабельным линиям используются воздушно-кабельные вводы (рис. 19–б).

По конструктивному исполнению наиболее распространены одно- и двухцепные воздушные линии. Одна цепь высоковольтной линии объединяет три провода трехфазной линии, в низковольтной линии – от трех до пяти проводов [8, 9, 19].

Рис. 18

а)

б)

Рис. 19

а)

б)

Полная классификация сетей передачи и распределения электроэнергии с учетом взаимосвязей между классификационными признаками показана на рис. 20.