автордың кітабын онлайн тегін оқу Основы электроэнергетики
В. С. Холянов, О. М. Холянова
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
Информация о книге
УДК 621.3
ББК 31.2
Х75
Авторы:
Холянов В. С., Холянова О. М.
Рецензенты:
Веревкин В. Ф. — д-р техн. наук, профессор, ДВГМА;
Монахов Е. П. — гл. инспектор тех. инспекции МЭС, ФСК, ЕЭС.
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы электроэнергетики» включает рабочую программу дисциплины, учебное пособие, тесты и контрольно-измерительные материалы.
Учебное пособие содержит общие сведения о состоянии и перспективах развития электроэнергетики в России в целом, в ее Дальневосточном регионе и за рубежом, о конструкциях традиционных (старых) и нетрадиционных (новых) воздушных и кабельных линий электропередачи, контрольные вопросы.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 140200 «Электроэнергетика», всех форм обучения.
УДК 621.3
ББК 31.2
© ДВФУ, 2007
© ООО «Проспект», обложка, 2015
© ООО «Проспект», электронная версия книги, 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие представляет собой конспект части лекционного курса «Основы электроэнергетики» для студентов направления 140200 – Электроэнергетика (Электрические станции. Электроснабжение. Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем. Электроэнергетические системы и сети) в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, утвержденным 27 марта 2000 г., № 214 тех/ДС.
По учебному плану специальностей предусматривается получение знаний о развитии электроэнергетических систем, о конструкциях воздушных (ВЛ) и кабельных линий (КЛ) электропередачи, способов прокладки кабельных линий.
В пособии представлена информация о современных конструкциях воздушных и кабельных линий. Это компактные экологически безопасные ВЛ, ВЛ с самонесущими изолированными проводами (СИП); это кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена (СПЭ). Приводятся основные элементы конструкции этих линий (провода, опорные конструкции, грозозащитные тросы, изоляция, арматура, заземляющие устройства и т. д.).
Назначение пособия – помочь студенту освоить большой объем информации, являющейся базовой при изучении дисциплины «Основы электроэнергетики».
Цель – дать студенту представление об устаревших (традиционных) и новых (перспективных) технологиях, используемых при создании электроэнергетических систем.
ГЛАВА 1.
СОСТОЯНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ
1.1 Развитие энергетических систем и электрических сетей в России
Начало развития энергетики России было положено принятым в декабре 1920 г. планом ГОЭЛРО (Государственная комиссия по электрификации России). В плане ГОЭЛРО были намечены основные направления динамичного развития электроэнергетики: концентрация генерирующих мощностей, объединение разрозненных энергосистем в единую энергетическую систему страны.
К 1935 г. было сооружено 40 электростанций с установленной мощностью 6,9 млн. кВт. Первые энергосистемы были созданы на основе сетей напряжением 110 кВ.
В 1940 г. была построена первая межсистемная линия электропередачи напряжением 220 кВ «Донбасс – Днепр».
За время Великой Отечественной войны 1941–1945 гг. было разрушено более 60 электростанций, что отбросило страну на уровень 1934 г.
С 1945 г. началось восстановление разрушенного хозяйства страны, а в начале 1950-х годов – строительство каскада гидроэлектростанций на Волге. От них были построены линии электропередачи напряжением 500 кВ, которые связали промышленные районы Центра и Урала. Это обеспечило возможность параллельной работы энергосистем Центра, Средней и Нижней Волги и Урала. Был завершен первый этап создания Единой энергетической системы (ЕЭС) страны.
В 1970 г. к ЕЭС европейской части страны была присоединена ОЭС Закавказья, а в 1972 г. – ОЭС Казахстана и Западной Сибири.
Далее продолжалась работа по переводу на параллельную работу ЕЭС СССР и Объединенной энергетической системы (ОЭС) стран-членов СЭВ. В итоге была создана уникальная Единая энергетическая система, сети которой протянулись от Берлина до Улан-Батора с установленной мощностью 300 млн. кВт.
В 1984 г. была сооружена линия электропередачи напряжением 1150 кВ «Экибастуз – Кокчетав», а в 1990 г. – «Сибирь – Казахстан – Урал». Изолированно работают энергосистемы Якутии, Магадана, Сахалина, Камчатки, районов Норильска и Колымы.
В результате образования на территории СССР независимых государств изменилась структура управления электроэнергетикой. В состав ЕЭС России теперь входят объединенные энергетические системы Северо-Запада, Центра, Средней Волги, Урала, Северного Кавказа, Сибири. Самостоятельно функционирует ОЭС Дальнего Востока.
Параллельно с ЕЭС России работают энергосистемы стран Балтии, Белоруссии, Закавказья и отдельные районы Украины. Через вставку постоянного тока работает энергосистема Финляндии, которая, в свою очередь, входит в объединение стран Северной Европы (NORDEL). Россия также экспортирует электроэнергию в Норвегию, Монголию, Китай и Болгарию.
Большинство энергосистем России приняли основную шкалу напряжений 110–220–500–1150 кВ. В ОЭС Северо-Запада и частично Центра принята шкала напряжений 110–330–750 кВ.
На территории Дальневосточного федерального округа создана Дальневосточная энергетическая компания (ДЭК), объединившая энергосистемы Приморского и Хабаровского краев, Амурской области, Еврейской АО и юга Якутии.
Системообразующая сеть энергосистемы Приморского края сформирована на напряжениях 220 и 500 кВ. В 1971 г. была построена двухцепная воздушная линия (ВЛ) напряжением 220 кВ «Приморская ГРЭС – Хехцир», а в 2004 г. – ВЛ 500 кВ – «Приморская ГРЭС – Хабаровская».
Первоочередной задачей развития основной электрической сети ДЭК является завершение формирования единой электрической сети 500 кВ от Зейской ГЭС до южных районов Приморского края. Создание кольца 500 кВ на юге энергосистемы обеспечит надежное электроснабжение потребителей юга Приморья.
Сегодня наметились перспективы создания единой энергосистемы стран Северо-Восточной Азии, в которую должны войти энергосистемы России, Китая, Японии, Монголии, Южной Кореи, КНДР.
1.2 Развитие электрических сетей за рубежом
Высшим напряжением основной электрической сети переменного тока стран Европы является напряжение 750 кВ. Это напряжение характерно для Украины, присутствует в энергосистемах Венгрии и Польши.
Для распределительной сети среднего напряжения в странах Европы приняты напряжения 110(115)–132–150 кВ. Характерно вытеснение из практики промежуточных напряжений 33–35, 66 кВ. На подстанциях выполняется трансформация со 110 кВ на 20 кВ.
Системообразующая сеть энергосистем стран Европы строится на двухцепных, а порой на четырехцепных ВЛ. На узловых подстанциях устанавливают по два-четыре трансформатора. Такое резервирование элементов электрической сети повышает надежность электроснабжения потребителей.
В электрических сетях стран Европы широко используется современное электрогазовое оборудование, комплектные распределительные устройства (КРУ), маслонаполненные кабели, а в последнее время – кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена. Ведущими производителями кабельной продукции разработаны и изготовлены кабели сверхвысокого напряжения рекордной пропускной способности напряжением:
– до 1000 кВ (маслонаполненный, с сечением токоведущей жилы 2500 мм2, пропускной способностью 3 млн. кВт);
– до 500 кВ (с изоляцией из сшитого полиэтилена, с сечением токоведущей жилы 2500 мм2, пропускной способностью 1,9 млн. кВт).
Среди энергосистем Азии привлекают внимание энергосистемы Южной Кореи и Токио.
На долю энергокомпании ТЕРСО в Токио приходится треть всей электроэнергии страны. Опорная сеть Токио сформирована на напряжениях 275–500–1000 кВ переменного тока (50 Гц). Уже в 1970-х годах в ТЕРСО пришли к выводу о целесообразности перехода в кольцевой сети города на напряжение 1000 кВ. Каждая фаза ВЛ состоит из восьми сталеалюминевых проводов общим сечением 810 мм2. ВЛ 500 кВ практически все в двухцепном исполнении.
На напряжении 500 кВ широко используются кабельные линии с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Жесткое условие экономии земли, отводимой для воздушных линий и подстанций, создало предпосылки к сооружению закрытых и подземных подстанций. Например, подстанция 500 кВ Shin-Toyosu в Токио имеет пять этажей, из которых только один располагается над землей.
Передовые позиции в развитии электроэнергетики в Азии занимает энергокомпания Южной Кореи (КЕРСО).
Высокие темпы роста потребления электроэнергии и трудности с прокладкой новых трасс линий электропередачи предопределили переход с напряжения 345 кВ на напряжение 765 кВ. Впервые в мире были построены ВЛ напряжением 765 кВ в двухцепном исполнении. Трассы ВЛ прокладываются по предгорным районам и другим территориям, не используемым в хозяйственной деятельности страны.
В Северной Америке выведены на параллельную работу три крупнейшие энергосистемы США, Канады и Мексики. В США приняты две системы напряжений переменного тока: 115—230— 500 кВ и 156–345–750 кВ. Кроме ВЛ переменного тока, построено более 7 тыс. км ВЛ постоянного тока.
В Южной Америке крупнейшей является энергосистема Аргентины с высшим напряжением 500 кВ (50 Гц), которая объединена с энергосистемой Бразилии с частотой 60 Гц. Преобразовательная подстанция 50/60 Гц построена на территории Бразилии.
К числу крупнейших в мире производителей и потребителей электроэнергии относятся США, Китай, Япония, Россия, Канада, Германия и Франция.
1.3 Классификация передовых технических решений в сфере передачи электроэнергии
Для удобства понимания вопроса все технические решения можно условно разделить на две группы. К первой группе отнесены так называемые «традиционные» («старые») решения, а ко второй – «нетрадиционные» («новые»). Очевидна условность принятых терминов, так как в развитых странах некоторые технические решения применяются уже много лет и являются старыми, тогда как в других странах они относительно новые.
Классификация относительно новых технических решений в области передачи электроэнергии на переменном токе приведена на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Основные категории нетрадиционных линий электропередачи переменного тока
Линии «открытого типа» разделяют на две крупные категории. К первой относят воздушные линии, у которых реактивные параметры изменяют за счет изменения геометрического расположения фаз в целом и их составляющих. В этом случае речь идет о статической оптимизации режимных свойств линии. В результате увеличивается передаваемая натуральная мощность и уменьшается напряженность электрического поля под линией. Характерным образцом этой категории являются ВЛ со сближенными расщепленными фазами, иначе называемые «компактными». Эти ВЛ выполняются на опорах охватывающего типа, где совмещены соответствующие фазы двух цепей и не разделены стойками опор (см. раздел 2.3.1).
Во вторую группу входят воздушные линии, в которых изменяют режимные параметры, управляя балансом реактивной мощности в ней, т. е. соотношением между генерацией линией реактивной мощности и потерями реактивной мощности. В последнее время появился термин «управляемые самокомпенсирующиеся воздушные линии». В качестве компенсирующих устройств используют автоматически управляемые шунтирующие реакторы (УШР), которые потребляют реактивную мощность в зависимости от уровня напряжения.
Тиристорные компенсаторы (СТК) работают как в режиме потребления, так и в режиме генерации реактивной мощности.
Применение названных устройств характеризует ВЛ, как имеющую способность к динамической оптимизации режимных свойств линии.
Новые типы кабелей условно разделяют на три группы. Пока не выработана методика выбора экономически целесообразного типа кабеля в зависимости от передаваемой мощности и длины линии. В зарубежной практике шире используют короткие кабельные линии двух категорий: с форсированным (принудительным) охлаждением и газоизолированные линии, где в качестве изолирующего материала используют чистый элегаз под давлением. В России таких линий пока нет.
ГЛАВА 2.
КОНСТРУКЦИИ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
2.1 Общие сведения
Воздушная линия электропередачи напряжением выше 1 кВ – устройство для передачи электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам и стойкам на инженерных сооружениях (мостах, путепроводах и т. п.).
Нормальный режим ВЛ напряжением выше 1 кВ – состояние ВЛ при необорванных проводах и тросах.
Аварийный режим ВЛ напряжением выше 1 кВ – состояние ВЛ при оборванных одном или нескольких проводах и тросах.
Монтажный режим ВЛ выше 1 кВ – состояние в условиях монтажа опор, проводов и тросов.
Габаритный пролет – пролет, длина которого определяется нормированным вертикальным габаритом от проводов до земли при устройстве опор на идеально ровной поверхности.
Габаритная стрела провеса провода – наибольшая стрела провеса в габаритном пролете.
Населенная местность – земли городов в пределах городской черты в границах их перспективного развития на 10 лет, пригородные и зеленые зоны, курорты, земли поселков городского типа в пределах поселковой черты и сельских населенных пунктов в пределах черты этих пунктов.
Ненаселенная местность – земли единого государственного земельного фонда, за исключением населенной и труднодоступной местности.
Труднодоступная местность – местность, недоступная для транспорта и сельскохозяйственных машин.
На ВЛ 110–500 кВ длиной более 100 км для ограничения несимметрии токов и напряжений должен выполняться один полный цикл транспозиции. На двухцепных ВЛ схемы транспозиции должны быть одинаковыми.
Обслуживание ВЛ должно предусматриваться с ремонтно-производственных баз и ремонтно-эксплуатационных пунктов.
К ВЛ 110 кВ и выше должен быть обеспечен в любое время года подъезд на возможно близкое расстояние, но не далее чем на 0,5 км от трассы ВЛ. Для проезда вдоль трассы указанных ВЛ и для подъезда к ним должна быть расчищена от насаждений, пней, камней и т. п. полоса земли шириной не менее 2,5 м.
Опоры ВЛ рекомендуется устанавливать вне зоны размыва берегов с учетом возможных перемещений русел рек и затопляемости района, а также вне мест, где могут быть потоки дождевых и других вод, ледоходы (овраги, поймы рек и др.).
На опорах ВЛ на высоте 2,5–3,0 м должны быть нанесены следующие постоянные знаки:
– порядковый номер – на всех опорах;
– номер ВЛ или ее условное обозначение на концевых опорах, первых опорах ответвлений от линии, в месте пересечения линий одного напряжения;
– предупреждающие плакаты – на всех опорах ВЛ в населенной местности;
– плакаты, на которых указаны расстояния от опоры ВЛ до кабельной линии связи.
Металлические опоры и подножники, выступающие металлические части железобетонных опор и все металлические детали деревянных и железобетонных опор ВЛ должны быть защищены от коррозии путем оцинковки или окраски стойким покрытием. Очистка, грунтовка и окраска должны производиться только в заводских условиях.
Для определения мест повреждения на ВЛ 110 кВ и выше должны быть предусмотрены специальные проборы, устанавливаемые на подстанциях. При прохождении этих ВЛ в районах, где может быть гололед с толщиной стенки 15 мм и более, рекомендуется предусматривать устройства, сигнализирующие о появлении гололеда.
Для ВЛ, проходящих в районах с толщиной стенки гололеда 20 мм и более, а также в местах с частыми образованиями гололеда или изморози в сочетании с сильными ветрами, рекомендуется предусматривать плавку гололеда на проводах.
На ВЛ с плавкой гололеда должны быть предусмотрены устройства, сигнализирующие о появлении гололеда.
Трасса ВЛ должна выбираться, по возможности, кратчайшей. В районах с большими отложениями гололеда, сильными ветрами, лавинами, оползнями, камнепадами, болотами и т. п. необходимо при проектировании предусматривать обходы особо неблагоприятных мест, что должно быть обосновано сравнительными технико-экономическими расчетами.
2.2 Традиционные воздушные линии электропередачи
2.2.1. Конструктивные элементы ВЛ
Воздушные линии электропередачи предназначены для передачи электроэнергии на большое расстояние по проводам, в том числе для распределения электроэнергии по территории промышленного предприятия, где могут применяться воздушные линии низкого напряжения (НН) и высокого напряжения (ВН). Основными конструктивными элементами ВЛ являются: провода, тросы, опоры, изоляторы и линейная арматура. Провода служат для передачи электроэнергии. В верхней части опор над проводами для защиты ВЛ от грозовых перенапряжений монтируют грозозащитные тросы.
Опоры поддерживают провода и тросы на определенной высоте над уровнем земли или воды.
Изоляторы изолируют провода от опоры. С помощью линейной арматуры провода закрепляются на изоляторах, а изоляторы на опорах.
Наибольшее распространение получили одно- и двухцепные ВЛ. Одна цепь трёхфазной ВЛ состоит из проводов разных фаз. Две цепи могут располагаться на одних и тех же опорах.
2.2.2. Провода и грозозащитные тросы
На ВЛ применяются неизолированные провода, т. е. без изолирующих покровов.
ВЛ могут выполняться с одним или несколькими проводами в фазе; во втором случае фаза называется расщеплённой.
Диаметр проводов, их сечение и количество в фазе, а также расстояние между проводами расщепленной фазы определяются расчетом.
По конструктивному исполнению делают одно- и многопроволочные провода и полые провода.
Однопроволочные провода состоят из одной круглой проволоки. Они дешевле многопроволочных, но имеют меньшую механическую прочность. Стальные однопроволочные провода (ПСО) применяют редко из-за высокого удельного электрического сопротивления стали. Обычно они используются при небольших нагрузках в сельскохозяйственных сетях. Алюминиевые однопроволочные провода вообще не выпускаются промышленностью из-за низкой механической прочности.
Многопроволочные алюминиевые провода обычно применяются в сетях на 0,38 кВ. При более высоких напряжениях используют сталеалюминиевые провода марок АС, АСКС, АСК и других в зависимости от способа их исполнения. Например, АСК состоит из алюминиевых проволок и стального сердечника из стальных оцинкованных проволок, изолированных двумя лентами из полиэтилентерефталатной пленки, заполненной смазкой. Стальные многопроволочные провода обозначаются ПМС.
Конструкции и общий вид неизолированных проводов приведены на рис. 2.1. Однопроволочный провод (рис. 2.1 б) состоит из одной круглой проволоки. Многопроволочные провода из одного металла (рис. 2.1 в) состоят из нескольких свитых между собой проволок. При увеличении сечения растет число проволок. В многопроволочных проводах из двух металлов – сталеалюминиевых проводах (рис. 2.1 г) – внутренние проволоки (сердечник провода) выполняется из стали, а верхние – из алюминия.
Стальной сердечник увеличивает механическую прочность, а алюминий является токопроводящей частью провода, так как поверхностный эффект на переменном токе вытесняет линии тока к поверхности проводника.
Полые провода (рис. 2.1 д) изготовляют из плоских проволок, соединенных друг с другом в паз, что обеспечивает конструктивную прочность провода. У таких проводов больший по сравнению со сплошным диаметр, благодаря чему повышается напряжение появления коронирующего разряда на проводах и значительно снижаются потери энергии на корону. Полые провода применяются на ВЛ редко. Они главным образом используются для ошиновки подстанций 330 кВ и выше. Для снижения потерь электроэнергии на корону ВЛ при напряжении более 330 кВ каждая фаза ВЛ расщепляется на несколько проводов.
Материал проводов должен иметь высокую электрическую проводимость. На первом месте по проводимости стоит медь, затем алюминий; сталь имеет значительно более низкую проводимость. Провода и тросы должны быть выполнены из металла, обладающего достаточной прочностью. По механической прочности на первом месте стоит сталь. Материал проводов и тросов должен быть стойким по отношению к коррозии и химическим воздействиям.
Рис. 2.1. Конструкции проводов ВЛ: а – общий вид многопроволочного провода; б – сечение однопроволочного провода; в, г – сечения многопроволочных проводов из одного и двух металлов; д – сечение пуcтотелого провода
Медь при своих высоких качествах – хорошей проводимости, большой механической прочности и коррозионной стойкости – дорога и дефицитна. Поэтому в настоящее время медные провода для выполнения ВЛ не применяются. Их использование допускается в контактных сетях, сетях специальных производств (шахт, рудников и др.).
Алюминий – наиболее распространенный в природе металл. Его удельная проводимость составляет 65,5% проводимости меди. Большая проводимость, легкость и распространенность алюминия в природе привели к эффективному использованию его в качестве токопроводящего металла для проводов и кабелей. Основной недостаток алюминия – относительно малая механическая прочность.
Алюминиевые провода марок А и АКП из-за недостаточно высоких физико-механических свойств используются, как правило, лишь для подвески на ВЛ напряжением до 35 кВ с небольшими пролетами и в условиях слабогололедных районов.
Провод марки А состоит из алюминиевых проволок одного диаметра (число проволок от 7 до 61), скрученных концентрическими повивами. АКП – провод марки А, но его межпроволочное пространство заполнено нейтральной смазкой повышенной термостойкости, противодействующей появлению коррозии. Коррозионно-стойкий провод АКП применяется для ВЛ вблизи морских побережий, соленых озер и химических предприятий.
Провода из сплавов алюминия (АН – нетермообработанный, АЖ – термообработанный сплав) имеют большую механическую прочность и примерно такую же проводимость, как и провода марки А. С успехом могут применяться как на ВЛ 6–35 кВ (провода марки АН), так и на ВЛ до 110 кВ (провода марки АЖ).
Сталеалюминиевые провода наиболее широко применяются на ВЛ. Проводимость стального сердечника не учитывается, а за электрическое сопротивление принимается только сопротивление алюминиевой части. В соответствии с ГОСТ 839–80 выпускаются сталеалюминевые провода марок АС, АСО, АСУ (нормальной, облегченной и усиленной конструкции). Провод марки АС состоит из стального сердечника и алюминиевых проволок. Он предназначен для ВЛ при прокладке их на суше, кроме районов с загрязненным вредными химическими соединениями воздухом. Коррозионно стойкие провода АСКС, АСКП, АСК предназначены для ВЛ, проходящих по побережьям морей, соленых озер и в промышленных районах с загрязненным воздухом; АСКС и АСКП – это провода марки АС, но межпроволочное п
...
