Конспект лекцій з курсу Електричні системи і мережі - Задачі дисципліни. Основні поняття і визначення

Лекція 1
Задачі дисципліни. Основні поняття і визначення.
План

1. Основі розділи та задачі дисципліни.
2. Основні поняття і визначення.
3. Історичні етапи розвитку електроенергетики.
4. Поняття про номінальні напруги.

1. Основні розділи та задачі дисципліни.
К основним розділам курсу відносяться:
1. Джерела енергії і споживачі (самостійно).
Джерела активної потужності в електричних системах. Типи електричних станцій: ДРЕС, ТЕЦ, ГЕС, АЕС ( технологічні схеми); загальні відомості про нетрадиційні джерела енергії.
Джерела реактивної потужності. Споживачі активної та реактивної потужності.
Поняття споживача електроенергії. Класифікація споживачів і характеристика електричних навантажень. Графіки електричних навантажень, участь електричних станцій в покриті графіків навантажень.
Л2, сторінки 19-53
2. Лінії електропередачі електричних мереж (самостійно).
Конструктивні елементи повітряних ліній (ВЛ): дроти, троси, опори, ізолятори, лінійна арматура. Кабельні лінії : конструкції кабелів, з'єднання, прокладка.
Л1, сторінки 23-51; Л2, сторінки 65-111; Л4, сторінки 58-79.

• Підстанції та розподільчі пункти (самостійно).

Трансформатори і автотрансформатори, розподільчі пристрої, компенсуючи пристрої і реактори, типи підстанцій.
Л2, сторінки 112-121.
4. Схеми заміщення елементів електричних систем і їх параметри (розробка схем заміщення; залежність заступної схеми від рівня номінальної напруги мережі та мети розрахунку; розрахунок параметрів; точність урахування фізичних процесів, які мають місце при генерації, передачі і розподілі електроенергії.
Л1, сторінки 54-94; Л2, сторінки 123-143; Л4, сторінки 127-178.

5. Основи аналізу усталених режимів електричних систем
Розрахунок режимів:
ЛЕП з навантаженням (векторна діаграма струмів і фазних напруг, спад напруги і втрати напруги та формули для їх визначення, розрахунок по даним начала лінії і по даним кінця лінії);
розімкнута мережа одного рівня номінальної напруги (схеми заміщення: вихідна, з приведеними і розрахунковими навантаженнями, ітераційний розрахунок);
розімкнута мережа кількох рівнів номінальних напруг ;
найпростіші замкнуті мережі (кільцева мережа, з двостороннім живленням при однакових і різних значеннях напруг джерел живлення; приватні випадки розрахунку мереж);
особливості розрахунку мереж місцевого значення;
складнозамкнених мереж методом перетворень; на ЕОМ.
Л1, сторінки 97-137; сторінки 382-473; Л2, сторінки 144-276; Л4, сторінки 192-255.

6. Основи управління режимами електричних систем
Баланс активної і реактивної потужностей (статичні характеристики потужностей як функції від частоти і напруги, джерела реактивної потужності).
Регулювання частоти у електричній системі (первинне, вторинне і третинне регулювання частоти).
Якість електроенергії (показники якості, нормовані значення, вплив відхилення на режими роботи системи та її елементи, причини порушення якості електроенергії).
Регулювання напруги в електричних системах: способи, методи і засоби регулювання; порівняльна характеристика. Заходи по забезпеченню якості електроенергії: способи зменшення несиметрії і несинусоідності.
Підвищення економічності роботи електричних систем:
засоби по зменшенню втрат потужності і енергії; звичайне і економічне розподілення потужностей, забезпечення економічного розподілення, оптимізація усталеного режиму роботи системи.
Л1, сторінки 195-311, 496-559; Л2, сторінки 341-390
Мета дисципліни - це  навчання моделюванню режимів роботи систем і розумінню фізичних явищ, які виникають під час генерації , передачі і розподілу електроенергії.
Основні задачі дисципліни:
1. Навчити розробляти схеми заміщення елементів системи і визначати їх параметри.
2. Навчити розраховувати усталені режими електричних систем традиційними способами і на ЕОМ (вміти вибирати математичні моделі елементів системі та режиму роботи в взаємозв'язку з метою аналізу і самою електричною системою).
3. Навчити основам управління усталеними режимами мереж, забезпеченню необхідного рівня напруги; розробка заходів для зменшення втрат потужності і електроенергії; розробка заходів по забезпеченню якості електроенергії; аналіз режимів з метою виявлення "осередків" і причин втрат електроенергії.
4. Ознайомити з фізичною суттю явищ, які супроводжують процес виробництва, розподілу і споживання електроенергії.
Література
1. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. -М.: Энергоатомиздат, 1988. - 592 с.
2. Электрические системы и сети Буслова Н.В., Винославский.-К.: Вища школа, 1986. - 584 с.
3. Блок В.М. Электрические сети и системы.
4. Петренко Л.И. Электрические сети и системы. - К.: Вища школа, 1981. - 320 с.
5. Боровиков В.А. Электрические сети энергетических систем.-Л.: Энергия, 1977.
6. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях./ Под ред. Веникова В.А.
7. Петренко Л.И. Электрические сети. Сб. задач. - К.: Вища школа, 1976. - 216 с.

2. Основні поняття та визначення.

Величезна роль електроенергетики для усіх країн, її універсальність пов'язані з слідуючими факторами:
1. Пристосуванням електроенергії до передачі та розподілу.
2. Можливістю перетворення електроенергії у різні види енергії - механічну, теплову, світову, хімічну з великим  КПД незалежно від кількості електроенергії.
W(t) = P(t)* dt
Електрична станція (ЕС) - генерує електричну і теплову енергію. По виду первинного джерела енергії ЕС поділяють на:
теплові ( ТЕС ), які працюють на органічному паливі (вугілля, газ, мазут, нафта);
атомні (АЕС), які працюють на уранових  концентратах;
гідроелектростанції (ГЕС), які використають воду з метою обертання турбін.
Сукупність електростанцій, електричних і теплових мереж, які об`єднанні між собою і зв’язані спільністю режиму у безперервному процесі виробництва, перетворення і розподілу електричної теплової енергії складає енергетичну систему. Можливе наступне поняття:
Енергетична система (енергосистема) -  це сукупність обладнання і пристроїв для виробництва, передачі, розподілу та споживання електричної і теплової енергії. До складу енергосистеми належать котли, турбіни, генератори, трансформатори, лінії електропередач і ін.(рис. 1).

Електроенергетична (електрична) система - це частина енергосистеми, яка виробляє, розподіляє і перетворює  електроенергію.
Електрична мережа - це сукупність електрообладнання для передачі і розподілу електричної енергії. Складається із підстанцій, розподільчих пристроїв, повітряних і кабельних ліній, які обслуговують певний район (рис. 2).
Повітряна лінія (ПЛ) - це установка для передачі електроенергії. ПЛ складається з системи проводів, опор,  ізоляторів, траверс ..

Підстанція - це електроустановка для перетворення і розподілу електроенергії, яка складається з трансформаторів, збірних шин, комутаційних апаратів і допоміжного обладнання. Відокремлюють підвищуючи та знижуючи підстанції ПС.
РП (розподільчий пункт)- необхідно для прийому і розподілу електроенергії; складається з комутаційних апаратів, збірних шин, пристроїв релейного захисту та автоматики (РП  - установка для розподілу електроенергії між споживачами).
Збірні шини - система шин, яка необхідна для забезпечення зв'язку різних  електроустановок  і  апаратів меж собою.
ТП - це підстанція для перетворення і розподілу електроенергії споживачам (6/0.4  кВ).
Споживачі електроенергії чи електроприймачі це установки, в яких електроенергія перетворюється в інші види енергії (механічну, теплову, світло і т.п.). Електроприймачі, які підключені до шин ПС, РП, ТП навантаженням.
Електрична система - це електричні станції і споживачі електроенергії, які об'єднані за допомогою електричних мереж і мають спільний режим роботи. В свою чергу, окремі електроенергетичні системи об'єднуються між собою за допомогою ліній надвисокої напруги, внаслідок чого утворюється єдина високовольтна мережа великого району країни.
Характерними властивостями ЕС, ОЕС є:
- одночасність виробництва, розподілу і споживання електричної енергії (баланс потужностей що виробляється та  споживається);
- швидкість протікання процесів, яка потребує використання спеціальних автоматичних пристроїв для забезпечення якості електроенергії і потрібного протікання перехідних процесів.

Роль трансформаторів ?
Активна потужність визначається за формулою Р = Ö3*U*I*Cosj. Для підвищення кількості потужності, яку потрібно передати споживачам можливо підвищити струм або напругу.  Але втрати потужності дорівнюють
 чи
У разі підвищення напруги підвищується значення потужності і зменшуються її втрати у мережі. Підвищення напруги ускладнює конструкцію обладнання і капітальні затрати. Ця залежність має вигляд (рис. 3).
Цьому вибір номінальної напруги при проектуванні є складна задача. Вирішується на підставі техніко-економічного обґрунтування. Порівнюються з одного боку втрати потужності  і електроенергії у мережі та їх вартість і капітальні затрати на спорудження і експлуатацію мережі з наміченим рівнем номінальної Uном.

3 Історичні етапи розвитку енергетики.

Спочатку знайшов використання постійний струм.
1795 - батарея Вольта.
1841 - дугова лампа Фуко.
1859 - акумулятор Планте.
1886 - генератор постійного струму - динамо Сіменс.
1875 - Піроцький здійснив передачу на постійному струмі 4.5 кВт на 1 км.
1879 - лампа з вугільною ниткою Едісона.
1880 - Лачінов теоретично обґрунтував можливість передачі електроенергії на значні відстані.
1882 - француз Депрез спроектував і збудував лінію Місбаух - Мюнхен довжиною 57 км напругою 2 кВ потужністю 3 кВт з КПД 22 % .
Після винаходу у 1876 році П.Н. Яблочковим трансформатору і створення Доливо - Добровольским системи змінного трифазного струму для передачі електроенергії використається змінний струм.
1891 - Доливо-Добровольский здійснив передачу електроенергії на 175 км потужністю 20 кВа при напрузі 28 кВ.
1908-1910 винайдені підвісні ізолятори і розпочато будівництво перщих ліній 110 кВ.
Наступний етап - це план ГОЕРЛО після революції 1917 року. Програма А - це відновлення енергетики, програма Б - за 15 років будівництво 20 ТЕС і 10 ГЕС потужністю 1750 тис. кВт. План був перевищений у 3 рази. Подальший розвиток - це збільшення потужностей електричних станцій, мереж, розвиток релейного захисту та автоматики.
1959 - ЛЕП 500 кВ
1967 - ЛЕП 750 кВ (у США в 1969 р.)

4. Поняття про номінальну напругу .

Номінальною напругою споживачів електроенергії, генераторів, трансформаторів і т.д. є рівень наруги, який передбачено для нормальної їх роботи і при якій вони дають найбільший економічний ефект.
Під час передачі електроенергії завжди існують втрати напруги і цьому значення напруги у різних точках мережі різне. Для кожної мережі при проектуванні обґрунтовується номінальна напруга. На це значення напруги і повинне бути розраховано обладнання, яке включається у мережу.
Номінальні напруги генераторів за умовами компенсації втрат напруги у мережі приймаються на 5 % вище номінальної напруги мережі.
Первина обмотка трансформатора є приймачем електроенергії і тому для підвищувальних трансформаторів її номінальна напруга дорівнює номінальній напрузі генераторів , а для понижуючих трансформаторів - номінальній напрузі мережі. Напруга вторинних обмоток трансформаторів повинна бути при навантаженні на 5 % вище номінальної напруги відповідної мережі. Але оскільки при навантаженні мають місце втрати  напруги у самому трансформаторі, то значення номінальної напруги вторинних обмоток приймається на 10 % вище значення номінальної напруги мережі.
Елементи електричної мережі, а також споживачі електроенергії працюють з найкращими економічними показниками при номінальній напрузі. Тому режим напруги мережі є однією з важливих характеристик її поточної роботи. Під режимом напруги розуміється сукупність усіх значень напруги у вузлових пунктах мережі. Розрахунок режиму напруги мережі є однією із основних задач при проектуванні і експлуатації електричної мережі.
Різниця між фактичним значенням напруги у будь-якому вузлі мережі і номінальним значенням напруги  V = U – Uном називається відхиленням напруги. Звичайно ця величина визначається у процентах від номінальної напруги
V %=( U - Uном)/Uном*100.
Виникає запитання: яке співвідношення повинне бути між номінальними напругами різних елементів мережі. Встановлено наступний стандарт для номінальних напруг табл. 1).
Таким чином Uном г > Uном мережі. Для чого? На підставі схеми, яка показана на рис. 4,а, за допомогою рис. 4, б-г розглянемо три варіанти :співвідношення між номінальними напругами елементів системи:
1 – Uг =Uном мережі і коефіцієнт трансформації трансформатораКт=1(рис. 4, б);
2 -  Uг =1,05Uном мережі і Кт=1 (рис. 4, б);
3 -  Uг =1,05Uном мережі і Кт=Uвном/Uнном <1 (рис. 4, б).
Таблиця 1

Аналіз рис. 4 дозволяє зробити наступні висновки:

1. Якщо номінальна напруга генератора і номінальна напруга мережі будуть рівні і Кт=Uвном/Uнном =1 (залежність 1), то тільки споживачі 1 та 2 будуть забезпечені електроенергією належної якості бо виконується умова Uмін доп < U < Uмакс доп.
2. Якщо номінальна напруга генератора більша за номінальну напругу мережі  і Кт=Uвном/Uнном =1 (залежність 2), то споживачі 1-4 будуть забезпечені електроенергією належної якості бо виконується умова Uмін доп < U < Uмакс доп..
3. Якщо Uг =1,05Uном мережі і Кт=Uвном/Uнном <1, то усі споживачі будуть забезпечені електроенергією належної якості бо виконується умова Uмін доп < U < Uмакс доп.