Сократ (ок. 430 г. до н.э.)

С.В.Горелов, В.П.Горелов, Е.В.Иванова

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ТРАНСПОРТА И ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебник

Под редакцией д–ра техн. наук, профессора В.П.Горелова,

д–ра техн. наук, профессора В.Г.Сальникова

Новосибирск 2015

УДК 621.331 (075.8)

ББК 31.29–5Я73

Г 687

Горелов, В.П. Системы электроснабжения транспорта и предприятий: учебник / С.В.Горелов, В.П.Горелов, Е.В.Иванова; под ред. В.П.Горелова, В.Г.Сальникова. – Новосибирск: Изд-во Сиб. гос. ун-та водн. тр-та, 2015. – 526 с.

ISBN 978-5-8119-0635-2

В книге рассматриваются вопросы электроснабжения водного транспорта, электротранспорта, промышленных и бытовых объектов с перспективой использования нетрадиционных источников энергии. Приведены сведения о тяговом электрическом приводе, требования к качеству электроэнергии

Учебник предназначен к использованию бакалаврами, магистрантами, специалистами, аспирантами, преподавателями, слушателями системы повышения квалификации и переподготовки кадров (по направлениям подготовки).

Рекомендуется по направлениям подготовки: бакалавров – «Электроэнергетика и электротехника» и специалистов – «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматизации».

Рецензенты:

Завкафедрой «Теоретические основы электротехники» ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет», доктор технических наук, профессор Владимир Юрьевич Нейман;

Первый замдиректора Филиала ОАО «Электросетьсервис ЕНЭС» НПСБ, доктор технических наук, профессор Александр Георгиевич Овсянников;

Профессор кафедры «Строительное производство» ФГБОУ ВО «Новосибирская государственная архитектурно-художественная академия», доктор технических наук, профессор Анатолий Филиппович Бернацкий

© С.В. Горелов В.П. Горелов,

Е.В. Иванова, 2015

© ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет

водного транспорта», 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

Основные термины и определения.7

От авторов.18

Введение.21

ГЛАВА 1 ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА..27

1.1 Электроснабжение судовых электропотребителей..27

1.1.1 Классификация и структура судовых электроэнергетических систем27

1.1.2 Основные параметры судовой электроэнергетической системы39

1.1.3 Качество электрической энергии в судовой электроэнергетической системе43

1.1.4 Судовые потребители электроэнергии..48

1.1.5 Автоматизация судовых электростанций..55

1.1.6 Система управления судовой электроэнергетической системой58

1.1.7 Эффективность судовых электроэнергетических систем..63

1.1.8 Техническая эксплуатация судовых электрических сетей..65

1.2 Энергетика предприятий водного транспорта.69

1.2.1 Основные принципы электроснабжения предприятий водного транспорта (на примере морского порта)70

1.2.2 Электроснабжение береговых промышленных сооружений..81

Электроснабжение крановых установок и шлюзов.92

Контрольные вопросы и задания.94

ГЛАВА 2 СХЕМЫ ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ..95

2.1 Резисторы и электронагреватели из резистивных композиционных материалов в схемах электротеплоснабжения95

2.1.1 Электромагнитная обстановка в электрических сетях (0,4 – 35) кВ102

2.1.2 Применение изделий из резистивных композиционных материалов114

Контрольные вопросы и задания.134

ГЛАВА 3 ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ НАЗЕМНОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА135

3.1 Железнодорожный транспорт.135

3.1.1 Классификация систем электроснабжения тяги по роду тока и устройство тяговых подстанций140

3.1.2 Система постоянного тока.141

3.1.3 Система однофазного переменного тока промышленной частоты 50 Гц145

3.1.4 Устройство тяговой сети..158

3.1.5 Электроснабжение устройств автоблокировки и электрической централизации162

3.2 Электроснабжение городского транспорта.169

3.2.1 Тяговые подстанции..172

3.2.2 Контактная тяговая сеть.175

Контрольные вопросы и задания.178

3.3 Применение тягового электропривода на транспорте.178

3.3.1 Статические и динамические нагрузки электроприводов.187

3.3.2 Классификация преобразователей тяговых электроприводов.191

3.3.3 Источники энергии для электроприводов.193

3.3.4 Источники централизованного электроснабжения тяговых электроприводов208

3.3.5 Автономные источники энергии..217

3.3.6 Комбинированные источники питания тяговых электроприводов230

Контрольные вопросы и задания.232

ГЛАВА 4 ПРИНЦИПЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОБЪЕКТОВ233

4.1 Назначение электрических подстанций и распределительных устройств233

4.2 Классификация приёмников электрической энергии..236

4.3 Характерные схемы электроснабжения промышленных предприятий251

4.4 Картограмма нагрузок и центр электрических нагрузок..259

4.5 Определение местоположений главной понизительной подстанции с учётом развития системы электроснабжения265

4.6 Выбор типа, числа и мощности силовых трансформаторов.269

4.7 Влияние реактивной энергии на работу электрической нагрузки..278

4.7.1 Компенсация реактивной мощности..288

4.7.2 Средства компенсации реактивной мощности..292

4.7.3 Схемы соединения и включения конденсаторов и конденсаторных установок в электрическую сеть302

4.7.4 Влияние отклонения напряжения на работу различных электроприёмников319

Контрольные вопросы и задания.323

ГЛАВА 5 ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЁЖНОЙ РАБОТЫ И ЗАЩИТА СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ324

5.1 Общие сведения о заземляющих устройствах.324

5.2 Работа заземляющего устройства и его основные параметры..327

5.3 Способы заземления электроустановок..330

5.4 Расчёт заземляющих устройств.337

5.5 Защита подземных сооружений от электрокоррозии блуждающими токами342

5.6 Перенапряжения и молниезащита.346

5.6.1 Грозовая деятельность и её последствия.346

5.6.2 Защита зданий и сооружений стержневыми молниеотводами от поражения молнией360

5.6.3 Применение нелинейных ограничителей перенапряжений для молниезащиты368

5.7 Режимы нейтрали электрической сети напряжением (6–35) кВ..391

5.7.1 3аземление нейтрали сети напряжением (6–35) кВ через резистор.395

5.7.2 Эффективность использования опор воздушных линий электропередачи напряжением от 6 до 220 кВ401

Контрольные вопросы и задания.411

Список литературы..412

ПРИЛОЖЕНИЕ А Статистическая обработка экспериментальных данных415

П.А.1 Планирование и математическая обработка.415

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Перечень справочного материала по программам пакета SNEDECOR421

ПРИЛОЖЕНИЕ В Требования к оформлению рефератов, контрольных заданий и курсовых проектов425

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Пример оформления титульного листа реферата.445

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Примеры библиографического описания различных видов произведений печати по ГОСТ 7.1-2003446

Приложение Е Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименований..458

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Пример списка использованной литературы..460

ПРИЛОЖЕНИЕ И Пример оформления содержания реферата по дисциплине «Электроснабжение промышленных предприятий».462

ПРИЛОЖЕНИЕ К Единицы физических величин..463

П.К.1 Физические единицы системы СИ..463

П.К.2 Дополнительные единицы в системе СИ..464

П.К.3 Единицы физических величин, применяемых в отечественной и зарубежной практике468

Приложение Л Чтение букв греческого и латинского алфавитов.470

ПРИЛОЖЕНИЕ М Пример расчёта электрической сети теплоэлектростанции (ТЭЦ)472

Приложение Н Регламентированные уровни кондуктивных электромагнитных помех в электрических системах486

Таблица П.Н.1 Свойства электрической энергии, показатели качества и наиболее вероятные виновники ухудшения качества электроэнергии..488

П.Н.2 Нормы качества электрической энергии как уровни электромагнитной совместимости технических средств в электрических сетях.489

Основные термины и определения

Автономная система электроснабжения– система, в которой в качестве первичного источника энергии выступает локальная электростанция, не входящая в энергетическую систему района, региона, страны.

Аккумуляторная батарея– электрохимический источник энергии на транспорте.

Влияние электромагнитной помехи – снижение показателей качества функционирования технического средства, вызванного электромагнитной помехой.

Внутрисистемная помеха– электромагнитная помеха, источник которой находится внутри рассматриваемой системы.

Внутрицеховая подстанция– электрическая подстанция, расположенная внутри производственного здания (открыто или в отдельном закрытом помещении).

Восприимчивость (электромагнитная) – способность рецептора реагировать на электромагнитную помеху.

Временнόе перенапряжение – повышение напряжения в точке электрической сети выше продолжительностью более 10 мс, возникающее в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях.

Доза фликера – мера восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени.

Длительность провала напряжения – интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.

Допустимая электромагнитная помеха – электромагнитная помеха, при которой качество функционирования технического средства, подверженного её воздействию, сохраняется на заданном уровне.

Заявленная мощность (заявленный максимум) – величина электрической мощности, установленная договором на пользование электроэнергии, которую предприятие получает в период максимальной нагрузки энергоснабжающей организации.

Импульс напряжения – резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд.

Индустриальная помеха – электромагнитная помеха, создаваемая техническими средствами.

Источник электромагнитной помехи – источник искусственного происхождения, который создаёт или может создать электромагнитную помеху.

Качество энергии– система показателей, устанавливаемая государственными стандартами или иными нормативными актами, подтверждающая потребительские свойства и пригодность энергии для потребления.

Кондуктивная электромагнитная помеха в системе электроснабжения– электромагнитная помеха, распространяющаяся по элементам электрической сети.

Коммутационная помеха– индустриальная помеха, возникающая при процессах коммутации тока и напряжения.

Коэффициент временного перенапряжения– величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.

Линия электропередачи– электрическая линия (воздушная, кабельная), выходящая за пределы электростанции или подстанции, и предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние.

Мониторинг– наблюдение, оценка и прогноз состояния наблюдаемого объекта в связи с изменяющимися факторами внешней среды или внутренними процессами и хозяйственной деятельностью человека.

Межсистемная помеха – электромагнитная помеха, источник которой находится в системе, не относящейся к рассматриваемой.

Нагрузка электроустановки – значение мощности, потребляемой электроустановкой в установленный момент времени.

Надёжность электроснабжения – способность выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в условиях, оговоренных в нормативных документах.

Недопустимая помеха – электромагнитная помеха, воздействие которой снижает качество функционирования технического средства до недопустимого уровня

Номинальное значение параметра (номинальный параметр)– указанное изготовителем электротехнического устройства значение параметра, являющееся исходным для отсчёта отклонений от этого значения при эксплуатации и испытаниях устройства.

Норма на электромагнитную помеху– регламентированный максимальный уровень помехи.

Огибающая среднеквадратичных значений напряжения – ступенчатая временная функция, образованная среднеквадратичными значениями напряжения, дискретно определёнными на каждом полупериоде напряжения.

Организационное обеспечение электромагнитной совместимости – организационные решения, постановления, нормативно-технические документы, направленные на исключение или снижение до приемлемого уровня электромагнитных помех между техническими средствами.

Параметр электромагнитной совместимости – величина, количественно характеризующая какое-либо свойство электромагнитной совместимости, отражающая одно из значений характеристики электромагнитной совместимости.

Полупроводниковый преобразователь – комплект полупроводниковых вентилей (неуправляемых или управляемых), смонтированных на рамах или в шкафах, с системой воздушного или водяного охлаждения, а также приборов и аппаратуры, необходимых дня пуска и работы преобразователя.

Потребитель электрической энергии – электроприёмник или группа электроприёмников объединённых технологическим процессом и размещающихся на определённой территории.

Преобразование электрической энергии – изменение рода тока, напряжения, частоты или числа фаз.

Приёмник электрической энергии (электроприёмник) – аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии.

Присоединённая мощность электроустановки – сумма номинальных мощностей трансформаторов и приёмников электрической энергии потребителя, непосредственно подключенных к электрической сети.

Провал напряжения – внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже , за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня через промежуток времени от десяти миллисекунд до нескольких десятков секунд.

Распределительное устройство (РУ) – электроустановка, служащая для приёма и распределения электроэнергии и содержащая коммутационные аппараты, сборные и соединительные шины, вспомогательные устройства (компрессорные, аккумуляторные и др.), а также устройства защиты, автоматики и измерительные приборы.

Открытым распределительным устройством (ОРУ) называется РУ, все или основное оборудование которого расположено на открытом воздухе.

Закрытым распределительным устройством (ЗРУ) называется РУ, оборудование которого расположено в здании.

Распределительный пункт (РП) – РУ, предназначенное для приёма и распределения электроэнергии на одном напряжении без преобразования и трансформации, не входящее в состав подстанции.

Рецептор – техническое средство, реагирующее на электромагнитный сигнал и (или) электромагнитную помеху.

Система электроснабжения общего назначения – совокупность электроустановок и электрических устройств энергоснабжающей организации, предназначенных для обеспечения электрической энергией различных потребителей.

Системный подход – направление методологии научного познания, в основе которого лежит исследование объектов как систем. Системный подход способствует адекватной постановке проблем в конкретных науках и выработке эффективной стратегии их изучения. В электроэнергетике, например, системный подход позволяет, опираясь на признание объективного характера всеобщей связи, причинной обусловленности явлений и господства необходимости, правильного сочетания необходимости и случайности, нетривиально подойти к построению электрической системы.

Тепловая электростанция – электростанция, преобразующая химическую энергию топлива в электрическую энергию или электрическую энергию и тепло.

Точка общего присоединения – точка электрической сети общего назначения, электрически ближайшая к сетям рассматриваемого потребителя электрической энергии, к которой присоединены или могут быть присоединены электрической сети других потребителей.

Тариф на электрическую энергию – система ставок, по которым взимают плату за потребленную электрическую энергию.

Техническое обеспечение электромагнитной совместимости – технические решения, направленные на улучшение характеристик их электромагнитной совместимости.

Техническое средство – изделие, оборудование, аппаратура или их составные части, функционирование которых основано на законах электротехники, радиотехники и (или) электроники, содержащие электронные компоненты и (или) схемы, которые выполняют одну или несколько следующих функций: усиление, генерирование, преобразование, переключение и запоминание.

Тяговая подстанция– преобразовательная подстанция, предназначенная для потребителей электрической энергии электрифицированного железнодорожного транспорта.

Тяговый электропривод – совокупность элементов электрического и механического оборудования, предназначенная для управляемого преобразования энергии источника питания в энергию поступательного движения транспортного средства.

Уровень напряжения в пунктах электрической сети – значение напряжения в пунктах электрической сети, усреднённое по времени или по некоторому числе узлов сети.

Уровень электромагнитной помехи– значение величины электромагнитной помехи, измеренное в регламентированных условиях.

Уровень электромагнитной совместимости в системе электроснабжения– регламентированный уровень электромагнитной помехи, используемой в качестве эталонного для координации между допустимым уровнем помех, вносимым техническими средствами энергоснабжающей организации и потребителей электрической энергии, и уровнем помех, воспринимаемым техническими средствами без нарушения их нормального функционирования.

Установленная мощность электроустановки– наибольшая активная электрическая мощность, с которой электроустановка может длительно работать без перегрузки в соответствии с техническими условиями или паспортом на оборудование.

Устойчивость к электромагнитной помехе (помехоустойчивость)– способность технического средства сохранять заданное качество функционирования при воздействии на него внешних помех с регламентируемыми значениями параметров в отсутствие дополнительных средств защиты от помех, не относящихся к принципу действия или построения технического средства.

Фликер – субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники.

Характеристика электромагнитной совместимости – характеристика технического средства, отражающая возможность его функционирования в заданной электромагнитной обстановке и (или) степень его воздействия на другие технические средства.

Централизованный источник питания – источник, имеющий тяговые сети, через которые осуществляется питание электрооборудования подвижного состава от тяговых подстанций.

Центр питания – РУ генераторного напряжения электростанции или РУ вторичного напряжения понизительной подстанции энергосистемы, к которым присоединены распределительные сети данного района.

Электрификация – преобразование энергоиспользующих технологических процессов с целью замены электрической энергией других видов энергии.

Электрическая подстанция – электроустановка, предназначенная для преобразования и распределения электрической энергии и состоящая из трансформаторов или других преобразователей энергии, распределительных устройств, устройств управления и вспомогательных сооружений.

В зависимости от преобладания той или иной функции подстанции они называются трансформаторными или преобразовательными.

Электрические сети межрегионального уровня – линии электропередачи высокого напряжения, как правило 1150, 500. 220 кВ (и в отдельных случаях 110 кВ), образующие Национальную энергопередающую организацию.

Электрические сети местного уровня – сети напряжением 10,5 кВ и 0,4 кВ и менее, осуществляющие передачу и распределение электрической энергии до конечных потребителей промышленного, сельскохозяй-ственного, коммунально-бытового назначения и других, расположенных на территории городских и сельских районов.

Электрические сети регионального уровня – электрические сети напряжением 110, 35, 10 кВ (в отдельных случаях 220 кВ), осуществляющие передачу электрической энергии от понизительных подстанций межрегионального уровня и местных энергопроизводящих предприятий до потребителей, присоединённых непосредственно к электрическим сетям регионального уровня, и электрических сетей местного уровня.

Электрическая сеть – совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определённой территории.

Электрическая сеть общего назначения – электрическая сеть энергоснабжающей организации, предназначенная для передачи электрической энергии различным потребителям (приёмникам электрической энергии).

Электромагнитная обстановка (ЭМО) – совокупность электромагнитных явлений, процессов в заданной области пространства, частотном и временном диапазонах.

Электромагнитная помеха (ЭМП) – электромагнитное явление, процесс, которые снижают или могут снизить качество функционирования технического средства.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) технических средств – способность технического средства функционировать с заданным качеством в заданной электромагнитной обстановке и не создавать недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.

Электроустановка – совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования её в другой вид энергии.

Электроэнергетика – сфера производства, передачи, распределения и использования электрической мощности и электрической энергии.

Энергетическая безопасность – состояние защищённости государства, региона, предприятия и человека от угрозы недополучения энергии и энергетических ресурсов в необходимых для жизнедеятельности количестве и качестве для нынешнего и будущих поколений.

Энергетическая система (энергосистема) – совокупность электростанций, электрических и тяговых сетей, соединённых между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и теплоты при общем управлении этим режимом.

Энергопередающая организация – организация, осуществляющая на основе договора передачу и (или) распределение электрической мощности и энергии.

Энергоснабжающая организация – организация, осуществляющая продажу потребителям произведенной или купленной электрической мощности и электрической энергии.

Энергоустановка – комплект взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для производства или преобразования, передачи, накопления, распределения или потребления энергии.

Электромагнитный импульс – изменение уровня электромагнитной помехи в течение времени, соизмеримого со временем установления переходного процесса в техническом средстве, на которое это изменение воздействует.

Электромагнитная кондукция (от источника помехи) – явление, процесс, при котором помеха распространяется от источника кондуктивным путём в проводящей среде.

Электростанция – энергоустановка или группа энергоустановок для производства электрической энергии или электрической энергии и тепла

Электроэнергетическая система (электрическая система) – электрическая часть энергосистемы и питающиеся от неё приёмники электрической энергии, объединённые общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Экспертиза электромагнитной совместимости – экспериментальное и (или) теоретическое исследование состояния обеспечения электромагнитной совместимости технического средства в заданной электромагнитной обстановке.

«Что было бы, если бы мы отрицали всё то, чего не в состоянии объяснить».

Доминик Франсуа Арагó

(ок. 1824 г)

От авторов

Начало XXI в. отмечено продолжающимся спадом выпуска учебников и специальной технической литературы. Поэтому перед авторами была поставлена задача написать книгу, отвечающую программам политехнических вузов, и, одновременно, которая не устарела бы сразу по выходу из печати, т.к. учитывала бы постоянное развитие науки об электроэнергетике. Этим определены особенности курса «Электроснабжение транспорта и предприятий».

В написании учебника, принимали участие учёные в области электроэнергетики и электрофизики изучения поведения электротехнических конструкций в слабых и сильных электрических полях. Одной из главных целей авторов являлось информирование читателей, проживающих в регионах Сибири и Дальнего Востока, недостаточно обеспеченных научно-технической литературой. Поэтому информация приведена в объёме, достаточном для понимания сложных вопросов по электротехнике, электротехническим материалам, электрическому автоматизированному приводу и технике высоких напряжений.

Авторы использовали выдержки из материалов, как своих научных трудов, так и печатных работ других авторов. Значительная часть учебника содержит материалы лекций по дисциплинам «Электротехнические материалы», «Техника высоких напряжений» и «Перенапряжения и молниезащита», «Основы электротехники и электроники», «Тяговый электрический привод» читаемых автора­ми с 1973 г. студентам электротехнических специальностей Ал­тайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, Павлодарского государственного университета им. С.Торайгырова и ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта», а также информацию из книг авторов: «Энергоснабжение стационарных и мобильных объектов»: учеб. пособие: в 3 ч./ С.В. Горелов [и др.]; под ред. В.П. Горелова, Н.В. Цугленка. – Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2007. – Часть I – 239 с; Часть II – 348 с; Часть III – 228 с.»; «Технология конструкционных электротехнических материалов»: учеб. пособие: в 2 кн. / С.В. Горелов [и др.]; под ред. В.П. Горелова. – 2-е изд. дополн. – Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2005. – Кн. 1 – 387 с; – Кн. 2 – 239 с; «Электроснабжение транспортных объектов»: учеб. пособие: в 2 кн./ В.П. Горелов [и др.]; под ред. В.П. Горелова, В.Г. Сальникова. – Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. акад. водн. транспорта., 2012.

– Кн. 1: Водный транспорт с комбинированными электроисточниками. – 299 с.

– Кн. 2: Электротранспорт и промышленные предприятия. – 378 с.

Авторы акцентируют внимание на том факте, что когда наряду с традиционными и невозобновляемыми источниками энергии (уголь, нефть, газ и др.), всё большее внимание уделяется возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии (ВНИЭ) – ветровой, солнечной, геотермальной, энергии малых рек и др., то возрастают требования к надёжности электроснабжения потребителей, к качеству электроэнергии и электромагнитной совместимости.

Учебник предназначен для бакалавров, магистров, специалистов, слушателей системы повышения квалификации и переподготовки кадров, аспирантов, научных работников, специализирующихся в области электроэнергетики, и в достаточной степени отражает современное состояние науки.

Общее научное редактирование учебника выполнено доктором техни­ческих наук, профессором Гореловым Валерием Павловичем, доктором технических наук, профессором Сальниковым Василием Герасимовичем.

Авторы приносят глубокую благодарность рецензентам, принимавшим участие в обсуждении и рецензировании работы: доктору технических наук, профессору Владимиру Юрьевичу Нейману; доктору технических наук, профессору Александру Георгиевичу Овсянникову, доктору технических наук, профессору Анатолию Филипповичу Бернацкому.

Заслуженный деятель науки РФ,

Горелов Валерий

Павлович

«Я не стыжусь учиться, я выспраши­ваю и выведываю, и питаю великую благодарность к тому, кто отвеча­ет и никто не бывает этой благодар­ностью обойдён.»

Сократ (ок. 430 г. до н.э.)

Введение

Технический прогресс в современную эпоху измеряется не только достижениями в области космоса и электроники, но и ростом производства электроэнергии. Развитие электроэнергетики опережает развитие всех других отраслей промышленности и, следовательно, служит показателем общего роста индустриальной мощи страны. С ростом производства элек­троэнергии растут потоки мощности в электрических сетях и расстояния, на которые эти мощности передаются. Соответственно растут и напряже­ния электрических сетей и отдельных электропередач.

Экономисты отмечают прямую связь между энергообеспеченно­стью, т.е. ежедневным потреблением всех видов энергоресурсов, и на­циональным доходом, приходящимся надушу населения. Так, например, первобытный человек, имевший в своём распоряжении только энергию собственных мускулов , ежедневно расходовал около 107 Дж (2500 ккал); в 1920 г средняя энергообеспеченность составляла 3 ; в 1967 г – . В передовых странах мира, в больших масштабах использующих энергию угля, нефти и газа, рек, атомную энергию, энергообеспе­ченность превысила 40 . В настоящее время в США она превышает 80 и есть все основания ожидать, что в 2015 году в ряде стран энергообес­печенность превысит 250 .

Достигнутая энергообеспеченность послужила фундаментом для создания современной цивилизации. Причиной зависимости человека от энергии могут послужить последствия крупной аварии в энергосистеме на Севере США в ноябре 1965 г, парализовавшей на значительное время жизнь 15 % населения страны, и жестокие энергетические кризисы 70-х и 90-х годов прошлого столетия.

Потребление и выработка электроэнергии, являющейся наибо­лее совершенным промежуточным видом энергии, а также доля её в миро­вом энергобалансе, неуклонно растут.

Огромные возможности решения энергетической проблемы от­крыла ядерная физика. Так как применение ядерных реакторов на тепловых нейтронах не обеспечивает решения энергетической проблемы из-за ограниченно­сти разведанных запасов рентабельных урановых руд, то более перспек­тивными являются применение реакторов-размножителей, работы по со­зданию и совершенствованию которых проводятся в России, США, Анг­лии и Франции. Работая на быстрых нейтронах, такие реакторы позволя­ют не только получать энергию, но и перерабатывать уран-238 в плутоний-239, а торий-232 – в уран-233, которые используются в качестве ядер­ного топлива. Это позволяет эффективно использовать природные ура­новые и ториевые руды. Ожидается, что в XXI веке на помощь традицион­ным и атомным станциям придут электростанции, использующие термо­ядерный синтез.

Энергетика России имеет прочную базу для своего развития. Од­нако сравнительно низкий коэффициент полезного действия современ­ных электростанций, различная стоимость добычи и неравномерность распределения энергоресурсов по территории страны, неравноценные технико-экономические возможности и рентабельность транспортировки угля, нефти, газа и линий электропередачи (по этому показателю на пер­вом месте - нефтепроводы, а на последнем - линии электропередачи) дик­туют развитие энергетики при компромиссе между максимальной эконо­мией энергоресурсов и минимуме затрат. Для передачи больших мощностей на значительные расстояния увеличивают номинальное напряжение линий электропередачи (ЛЭП) переменного тока, что является основным факто­ром по удешевлению ЛЭП и улучшению их основных характеристик. Од­нако, опыт проектирования и исследования последних лет привели к вы­воду, что безграничный рост номинальною напряжения у воздушных ЛЭП переменного тока, для которых воздух достаточно надёжно служил изолирующей средой, невозможен. Поэтому в настоящее время прово­дится анализ современных и перспективных возможностей кабелей и ЛЭП постоянного тока; оцениваются техническая осуществимость и возмож­ные характеристики линий электропередачи новых типов (газовых, крио­генных и СВЧ), которые сравнительно мало известны.

Для обеспечения нормальной работы электрических систем необ­ходимо применять определённые средства грозозащиты, предотвра­щающие повреждения изоляции. Известными средствами грозозащиты являются молниеотводы — надёжно заземлённые металлические прово­да или стержни, расположенные вблизи защищаемого объекта. На линии очень высокого напряжения в качестве молниеотводов применяются за­землённые провода (тросы), подвешиваемые на опорах выше фазовых проводов.

Несмотря на то, что защита тросами резко уменьшает вероят­ность появления на изоляции перенапряжений, но полностью её не уст­раняет. Поэтому, помимо молниеотводов в целях грозозащиты при­меняются специальные защитные аппараты - разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН).

В переходных режимах возникают так называемые внутренние перенапряжения. Закон изменения во времени внутренних перенапря­жений может быть самым разнообразным, а длительность их изменяется от сотых долей секунды до нескольких секунд.