Электростанции могут находиться вблизи потребителей и, наоборот, могут быть удалены от них на значительные расстояния. И в том, и в другом случае передача электрической энергии от электростанции к потребителю осуществляется по линиям электропередачи (ЛЭП). Однако, когда потребители удалены от электростанции, передачу электрической энергии приходится осуществлять при повышенном напряжении. Тогда между электростанцией и потребителями необходимо сооружать повышающие и понижающие подстанции (ПС).
Часто источники энергии расположены на значительном расстоянии от крупных заводов, населенных пунктов и других центров потребления. Передача топлива может быть произведена по газопроводам и нефтепроводам, перевозка высококачественных углей – по железным дорогам. Передача тепловой энергии возможна по специальным трубопроводам. Но во многих случаях перевозка топлива, например, угля, может быть нерентабельной; более выгодными оказываются сооружение электростанций вблизи бассейна топлива и передача электрической энергии по линиям сети. Это особенно существенно в условиях России, где большая часть наиболее экономичных топливно-энергетических ресурсов находится в азиатской части страны, а основная часть потребителей электрической энергии в настоящее время сосредоточена в центральной части, на юге, западе и Урале. В связи с этим возникает необходимость переброски на большие расстояния значительных потоков электрической энергии. Это требует строительства мощных линий электропередачи высокого напряжения.
Исключение могут представлять лишь отдельные промышленные электростанции небольшой мощности либо теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Последние располагаются вблизи потребителей, так как передача пара и горячей воды может быть осуществлена на расстояние не более нескольких километров.
Электростанции при помощи электрических линий (через подстанции) связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку. Такая совокупность электростанций, подстанций и приемников электрической энергии, связанных между собой линиями электропередачи, называется энергетической системой (ЭЭС).
При этом получаются существенные технико-экономические преимущества:
- Возможность увеличения единичной мощности генераторов и электростанции. Это снижает стоимость 1 кВт установленной мощности, позволяет резко повысить производительность электромашиностроительных заводов при тех же производственных площадях и трудозатратах.
- Значительное повышение надежности электроснабжения потребителей.
- Повышение экономичности работы различных типов электростанций, при этом обеспечиваются наиболее эффективное использование мощности ГЭС и более экономичные режимы работы ТЭС;
- Снижение необходимой резервной мощности на электростанциях.
Основные доводы в пользу объединения энергосистем таковы:
- уменьшение суммарного резерва мощности;
- улучшение использования мощности и энергии гидроэлектростанций одной или обеих систем;
- уменьшение суммарного максимума нагрузки объединяемых энергосистем;
- взаимопомощь систем в случае неодинаковых сезонных изменений мощности электростанций и, в частности, гидроэлектростанций;
- взаимопомощь систем в случае неодинаковых сезонных изменений нагрузки;
- взаимопомощь систем в проведении ремонтов. Остановимся на некоторых из этих доводов.
Уменьшение суммарного резерва мощности дает в большинстве случаев наиболее существенные преимущества. Совершенно очевидно, что при соединении равновеликих по мощности систем оно дает пользу обеим системам. При соединении двух резко различных по мощности систем польза для мощной системы и для всего объединения в целом значительно меньше. Мощность межсистемной связи должна быть такой, чтобы в необходимых случаях резерв одной из систем мог быть передан в другую.
Электрическая сеть как часть электроэнергетической системы обеспечивает возможность выдачи мощности электростанций, ее передачу на расстояние, преобразование параметров электрической энергии (напряжения, тока) на подстанциях и ее распределение по некоторой территории вплоть до непосредственных электроприемников.
Электрические сети современных энергосистем характеризуются многоступенчатостью, т.е. большим числом трансформаций на пути от источников электрической энергии к ее потребителям.
Наряду со сложностью конфигурации характерной особенностью электрических сетей является их много-режимность. Под этим понимается не только разнообразие загрузки элементов сети в суточном и годовом разрезе при нормальном функционировании системы, вызываемое естественным изменением во времени нагрузки потребителей, но и обилие режимов, возникающих при выводе различных элементов сети в плановый ремонт и при их аварийных отключениях.
Все электроприемники, генераторы, трансформаторы и прочие элементы электроэнергетических систем 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 Государственным стандартом. В настоящее время для электрических сетей стандартизованы 4 напряжения менее 1 кВ (40, 220, 380 и 660 В) и 12 напряжений выше 1 кВ (3, 6, 10, 20, 35, 11 О, 150, 220, 330, 500, 750,1150 кВ). Все перечисленные цифры соответствуют линейным (междуфазным) значениям напряжений трехфазной системы переменного тока.
Как уже упоминалось, 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. К числу таких признаков можно условно отнести охват территории, назначение сети и частично характер ее потребителей.
По размерам территории, охватываемой сетью, могут быть выделены так называемые местные (до 35 кВ), районные (110—220 кВ) и региональные сети (выше 330 кВ). Линии электропередачи СВН, являющиеся основой последней категории сетей, служат как для связи отдельных районов и относительно небольших энергосистем в региональных объединенных энергосистемах – ОЭС, так и для связи между собой крупных объединений.
По назначению различают системообразующие и распределительные сети. Первые осуществляют функции формирования районных энергосистем (РЭС) путем объединения их электростанций на параллельную работу, а также объединение РЭС и ОЭС между собой. Кроме того, они осуществляют передачу электрической энергии к системным подстанциям, выполняющим роль источников питания распределительных сетей. Распределительной линией считается линия, питающая ряд трансформаторных подстанций или вводы к электроустановкам потребителей. Такие линии и являются основой распределительной сети. Распределительные линии в принципе могут быть выделены в сетях различных номинальных напряжений. В связи с этим не следует отождествлять понятия местных и распределительных сетей, как это делалось ранее. В настоящее время по мере развития сетей СВН верхняя граница этого диапазона в ряде ОЭС сдвинулась в сторону более высоких напряжений, и современные сети 110-220 и даже 330 кВ постепенно приобретают характер распределительных. Так, по мере наложения вновь создаваемой сети 750 кВ на сеть 330 кВ в тех районах, где ранее последняя выполняла функции системообразующей, сети 330 кВ постепенно переходят в разряд распределительных. В будущем аналогичный процесс будет наблюдаться в тех частях ЕЭС России, где линии напряжением 1150 кВ возьмут на себя роль основных связей между ОЭС, в которых сейчас основными являются сети 500 кВ.
Линии электропередачи представляют собой металлический проводник, по которому проходит электрический ток. В настоящее время практически повсеместно используется переменный ток. Электроснабжение в по¬давляющем большинстве случаев – трёхфазное, поэтому линия электропередачи, как правило, состоит из трёх фаз, каждая из которых может включать в себя несколько проводов. Конструктивно линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные.
Воздушные линии (ВЛ) подвешены над поверхностью земли на безопасной высоте на (специальных сооружениях, называемых опорами. Как правило, провод на воздушной линии не имеет поверхностной изоляции; изоляция имеется в местах крепления к опорам. На воздушных линиях имеются системы грозозащиты. Основным достоинством воздушных линий электропередачи является их относительная дешевизна по сравнению с кабельными. Также гораздо лучше ремонтопригодность, поскольку не требуется проводить земляные работы для замены провода, а также ничем не затруднён визуальный осмотр состояния линии.
Кабельные линии (КЛ) проводятся под землёй. Сердцевиной кабеля являются три токопроводящие жилы (по числу фаз). Кабели имеют как внешнюю изоляцию, так и изоляцию межу токопроводящими жилами. Обычно в качестве изолятора выступает трансформаторное масло в жидком виде, или промасленная бумага. Токопроводящая сердцевина кабеля, как правило, защищается стальной бронёй. С внешней стороны кабель покрывается битумом. Кабельные линии не портят своим видом городской пейзаж, они гораздо лучше воздушных защищены от внешнего воздействия. К недостаткам кабельных линий электропередачи можно отнести высокую стоимость строительства и последующей эксплуатации: сметная стоимость погонного метра кабельной линии в разы выше, чем стоимость воздушной линии того же класса напряжения. Также кабельные линии менее доступны для визуального наблюдения их состояния, что также является существенным эксплуатационным недостатком.
Для связи с энергосистемой и потребителями, а также для питания собственных потребителей станции (собственных нужд) на электрических станциях и подстанциях устанавливают повышающие и понижающие трансформаторы. В связи с тем, что в сетях энергосистем существует несколько ступеней трансформации, количество трансформаторов и их мощность в несколько раз превышают число и установленную мощность генераторов. На крупных электростанциях для связи двух высших напряжений, как правило, применяются автотрансформаторы, обладающие существенными технико-экономическими преимуществами в сравнении с обычными трансформаторами. Стоимость автотрансформатора, потери энергии при эксплуатации значительно ниже, чем у обычных трансформаторов той же мощности.
Для изменения схемы ЭЭС, отключения поврежденных элементов и защиты остальных элементов сети служит коммутирующая аппаратура и защитные и ограничивающие аппараты.
К коммутационным аппаратам относятся выключатели, выключатели нагрузки, разъединители, короткозамыкатели, отделители, автоматические выключатели;
К защитным и ограничивающим аппаратам – предохранители, токоограничивающие реакторы, разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений.
