1.4. Характеристика системы передачи электрической энергии

Основу системы передачи электрической энергии от электрических стан­ций, ее производящих, до крупных районов электропотребления или распредели­тельных узлов ЭЭС составляют развитые сети электропередач или отдельные электропередачи внутрисистемного и межсистемного значения (системообра­зующие сети) и питающие сети напряжением 220 кВ и выше. Их появление вы­звано необходимостью размещения крупных ТЭС и АЭС за пределами жилых зон, а также возможностью выработки части ЭЭ гидроэлектростанциями, расположенными на относительно удаленном расстоянии от городов. Внутрисистемные и межсистемные магистральные линии электропередачи, включая дальние (про­тяженные) ЛЭП, объединяющие на совместную (параллельную) работу электро­станции и наиболее крупные подстанции (районы электропотребления), состав­ляют системообразующую сеть. Назначение такой сети — формирование ЭЭС и одновременно выполнение функции передачи, транзита электрической энергии.

Одним из основных требований, предъявляемых к таким передающим и связу­ющим сетям, является обеспечение надежности и устойчивости их работы, т. е. обес­печение ее работоспособности во всех возможных состояниях (режимах) — норма­льных, ремонтных, аварийных и послеаварийных. Решение этой задачи в значитель­ной мере возлагается на большой комплекс автоматических устройств: управления, релейной защиты, режимной и противоаварийной автоматики. Совокупность магист­ральных и системообразующих (передающих) электрических сетей и устройств авто­матического регулирования образуют систему передачи электрической энергии.

Приведем краткую характеристику такой системы по ряду показателей, к которым в первую очередь относятся величины передаваемой мощности, номи­нального напряжения, функциональное назначение и дальность электропередачи, конфигурация (топология) сети.

Системообразующая сеть, являющаяся основной сетью энергосистем, пред­назначена для передачи больших потоков мощности (от сотен МВт до нескольких ГВт) отдаленным потребителям (расстояние до 1000 км и более) и выполняется в основном магистральными линиями электропередачи на переменном токе. Меж­системные линии электропередачи сооружают обычно на напряжение более вы­сокое, чем напряжение внутрисистемных линий соединяемых систем, и включают трансформаторные подстанции по концам. Межсистемные передачи ЭЭ перемен­ным током осуществляются преимущественно на напряжении 500 и 750 кВ. На­пряжение 500 кВ используется для системообразующих сетей в энергосистемах со шкалой номинальных напряжений сетей 110—220—500—1150 кВ и напряже­ние 750 кВ в ОЭС со шкалой 150—330—750 кВ, в которой в качестве следующей ступени возможно напряжение 1800 кВ.

Сети этих напряжений служат для выдачи мощности крупных электростан­ций, создания межсистемных связей и питания нагрузочных узлов 500/220, 500/110, 330/110 (150) кВ и узлов внутрисистемных связей 1150/500, 750/330 кВ. Линии электропередачи 330 кВ, а в некоторых ЭЭС — линии 220 кВ, использу­ются для внутрисистемных связей: выдачи мощности и связи крупных электро­станций, для питания и объединения центров электроснабжения 330/110 (150), 220/110 систем распределения электроэнергии. В мощных концентрированных ЭЭС с развитой сетью 500 кВ сети 220 кВ выполняют, как правило, распредели­тельные функции.

Линии электропередачи, передающие потоки равными мощности группы ге­нераторов или соизмеримыми с установленной мощностью энергосистем, относят­ся к сильным связям. При пропускной способности, не превышающей 10—15 % от установленной мощности меньшей из объединяемых энергосистем, связь между ними характеризуется как слабая. По этим связям практически проводят границу между отдельными ЭЭС.

Если одна из энергосистем постоянно располагает избыточной по балансу мощностью и энергией, стоимость которой ниже, чем в другой энергосистеме, то межсистемная ЛЭП работает с неизменным направлением потока мощности. Ли­нию электропередачи с переменным направлением потока называют реверсивной (маневренной). Ее роль состоит главным образом во взаимопомощи между сосед­ними сравнительно мощными системами. Различие между магистралями и ревер­сивными связями часто очень неопределенное.

Необходимо отметить также условность деления системы передачи и рас­пределения ЭЭ на основные электрические сети, т. е. протяженные (дальние) электропередачи, системообразующие сети и системы распределения ЭЭ по их номинальному напряжению. По мере развития основных сетей (роста нагрузок и присоединения понижающих подстанций, появления новых генерирующих ис­точников и охвата территории электрическими системами) они все в большей ме­ре выполняют функции распределения электроэнергии. Это означает, что сети, выполняющие функции передающих, системообразующих, с появлением в энер­госистемах сетей более высокого напряжения постепенно «передают» им эти функции, превращаясь в распределительные [6].

Номинальное напряжение линий электропередачи зависит от передаваемой мощности, количества цепей и расстояния (дальности), на которое передается электроэнергия (табл. 1.1). Выбор номинальных напряжений выполняют на этапе проектирования систем передачи ЭЭ (см. главу. 12), и здесь этот вопрос не рас­сматривается. В данном случае необходимо отметить, что чем больше передавае­мая мощность и протяженность линии, тем выше по техническим и экономиче­ским причинам должно быть номинальное напряжение электропередачи. На со­временном этапе развития ЭЭС ориентировочная передаваемая мощность и длина линии электропередачи в зависимости от класса напряжения характеризуется данными, приведенными в табл. 1.2 [3]. .

Таблица 1.2

Передаваемая мощность и дальность передачи

Передача мощности от удаленных электростанций на первых этапах разви­тия межснстемной связи выполняется в виде неразветвленной электропередачи напряжением (330) 500-1150 кВ (рис. 1.4). Мощные КЭС или ГЭС имеют блоч­ную схему. К каждому трансформатору присоединяют от одного до трех генера­торов, отдающих энергию на шины 500—1150 кВ. Далее энергия передается по длинной линии, через понижающую подстанцию в приемную систему, часть на­грузки которой обеспечивается собственными генерирующими станциями (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Неразветвленная схема передачи электроэнергии

Если на станции несколько блоков и связующая линия многоцепная, то элек­тропередачи могут выполняться на основе блочной или связанной схем. В блочной схеме (рис. 1.5) дальняя передача мощности осуществляется по отдельным попе­речно не связанным электропередачам (блокам) на общую группу шин (подстан­ций) приемной системы, соединенных между собой связями 110—220 кВ.

Рис. 1.5. Блочная схема передачи электроэнергии

Эти связи и станции приемной системы должны удовлетворять потребность мощности в случае выхода из строя какого-либо блока. При отключении цепи (бло­ка) авария локализуется на одной станции, однако приемная система полностью ли­шается соответствующей части мощности передающей станции. В связанной схеме (рис. 1.6), обеспечивающей большую надежность электроснабжения, многоцепная дальняя ЛЭП имеет вдоль своей трассы несколько соединений — переключательных пунктов (ПП) — между отдельными цепями, делящими длинную линию на короткие участки (250—350 км). Сооружение ПП сопровождается возрастанием количества применяемых дорогостоящих выключателей. Отключение отдельной линии участка сети между переключательными пунктами незначительно увеличивает суммарное сопротивление, что позволяет сохранить передачу заданной мощности в приемную систему без существенного снижения возможности по передаче мощности или про­пускной способности электропередачи.

Под пропускной способностью электропередачи понимается наибольшая активная мощность трех фаз электропередачи, которую можно передать в дли­тельном установившемся режиме с учетом режимно-технических ограничений [3]. Наибольшая передаваемая активная мощность (предел) электропередачи ог­раничена условиями статической устойчивости генераторов электрических стан­ций, передающей и приемной частей ЭЭС, связанных данной электропередачей с номинальным напряжением U_НOM:

(1.1)

и допустимой мощностью по нагреву проводов линии с допустимым током I_доп:

где Е и U — ЭДС генераторов передающей станции и напряжение приемной сис­темы; X_z и cos — результирующее (суммарное) индуктивное сопротивление и коэффициент мощности электропередачи.

Из практики эксплуатации ЭЭС следует, что пропускная способность элек­тропередач 500—750 кВ обычно определяется фактором статической устойчивости, для электропередач 220—330 кВ ограничения могут наступать как по усло­вию устойчивости, так и по допустимому нагреву.

Предельную передаваемую мощность линии можно сопоставить с ее нату­ральной мощностью. Приняв неизменным и равным номинальному напряжение по концам линии, перепишем приближенное выражение (1.1) в виде:

где Р„„ — натуральная мощность линии без потерь; a — коэффициент изменения фазы волны напряжения (тока); L — длина линии.

Характерные данные о пропускной способности линий электропередачи приведены в табл. 1.3.

Обеспечение необходимой пропускной способности электропередачи при удовлетворительных экономических показателях представляет наибольшую тех­ническую трудность. Для обеспечения и повышения пропускной способности сис­темообразующих электропередач по условию устойчивости параллельной работы генераторов станций применяются следующие мероприятия и устройства [3, 7].

На дальних ЛЭП используют наиболее высокие из освоенных номинальных напряжений: 500, 750 кВ. В ближайшем будущем будет широко применяться на­пряжение 1150 кВ. При более высоком напряжении, как следует из принципиаль­ных выражений (1.1) и (1.3), увеличивается предельная мощность электропереда­чи; наряду с этим снижаются потери мощности и энергии в активном сопротивле­нии линии. Одновременно возрастает стоимость ВЛ и оборудования подстанций, потери энергии на корону и емкостный ток линии.

Таблица 1.3 Характеристика пропускной способности линий электропередачи

Снижение суммарного реактивного сопротивления электропередачи, вклю­чающего сопротивление генераторов, так же повышает предел мощности по стати­ческой устойчивости. При снижении реактивного сопротивления уменьшается потеря напряжения, но возрастает величина тока короткого замыкания, для отключе­ния которого необходимы более мощные и дорогие выключатели. Суммарное реак­тивное сопротивление уменьшают за счет применения на удаленной станции гене­раторов с пониженной величиной синхронного сопротивления и трансформаторов на повышающей подстанции, имеющей сниженное напряжение короткого замыка­ния и сопротивление. На понижающей подстанции в конце электропередачи уста­навливают автотрансформаторы, сопротивление которых меньше, чем у трансфор­маторов. Расщепление фазы на несколько проводов и совершенствование конст­рукций расщепленных фаз и конструкций опор линий снижают индуктивность и индуктивное сопротивление линий (примерно на 25—35 %), повышают ее нату­ральную мощность и критическое напряжение короны. При этом усложняется кон­струкция линий и увеличивается ее стоимость. Возрастание емкости линии при расщеплении вызывает нежелательное увеличение емкостного тока и соответст­вующей ему мощности. Данные о количестве проводов в фазах линий приведены в табл. 1.3. На ВЛ 220 кВ в редких случаях фаза состоит из двух проводов.

Дальнейшее увеличение предела передаваемой мощности достигается с по­мощью специальных мер по изменению (компенсации) параметров линий, кото­рые в этом случае именуются компенсированными. Снижение индуктивного со­противления достигается за счет последовательного включения в линию конден­саторных установок продольной компенсации (УПК), которые повышают стои­мость ЛЭП и увеличивают токи короткого замыкания.

Большой емкостный ток дальних линий при сниженной нагрузке вызывает дополнительные потери активной мощности и энергии, нежелательное или недо­пустимое распределение напряжения в пунктах линии, а также снижение реактив­ной нагрузки, ЭДС и устойчивости генераторов удаленной станции. Поэтому ем­костный ток и соответствующую проводимость линии компенсируют включением на шины высшего напряжения удаленной электростанции и в переключательных пунктах линии установок (реакторов) поперечной компенсации (РПК). При на­грузках, близких к натуральным, РПК отключают. По размерам и стоимости РПК близки к трансформаторам соответствующего напряжения и мощности и потреб­ляют электроэнергию. Капитальные вложения в ЛЭП увеличиваются также за счет применения дополнительных выключателей для РПК.

Установка устройств продольной и поперечной компенсации по воздейст­вию на режим электропередачи соответствует уменьшению ее длины по сравне­нию с некомпенсированной электропередачей. При определенных параметрах и расположении УПК эквивалентное продольное сопротивление линий становится активным. Емкостный ток линии возможно полностью компенсировать посредст­вом РПК. По эквивалентным реактивным параметрам такая компенсированная линия имеет нулевую длину. Электрическая энергия передается электромагнит­ными волнами, распространяющимися вдоль проводов со скоростью, близкой к скорости в 300-10 км/с, т. е. за 0,02 с, равной длительности периода при частоте 50 Гц, электромагнитная волна проходит расстояние 6000 км. Линия длиной 3000 км по условию устойчивости обладает повышенной пропускной способностью и называется полуволновой. За счет включения управляемых реактивных элементов (конденсаторов, реакторов) линии, длина которых отлична от 3000км, придаются свойства, характерные для некомпенсированной полуволновой линии. Настройка на полуволну может оказаться целесообразной при длине линии 1500-2000км.

На рис.1.7 изображена упрощенная схема компенсированной ЛЭП 500кВ повышенной пропускной способности.

Рис. 1.7. Принципиальная схема компенсированной электропередачи

По длинной компенсированной линии при максимальной нагрузке эконо­мически нецелесообразно передавать реактивную мощность. Для ее регулирова­ния на приемной подстанции и в некоторых случаях на промежуточных подстан­циях или ПП устанавливают источники реактивной мощности (компенсирующие устройства) — синхронные, статические тиристорные компенсаторы.

Указанные мероприятия по повышению пропускной способности электро­передачи являются достаточно дорогими. Опыт показал, что при возникновении новых промышленных районов более целесообразным является сооружение элек­тропередачи с промежуточными подстанциями, включенными вдоль нее. Под­станции могут совмещаться с переключательными пунктами линии или созда­ваться вновь (рис. 1.8, а). Такая электропередача обладает большей устойчиво­стью, не требует установки реакторов и т. п., стоимость ЛЭП снижается.

На рис. 1.8 изображены упрощенные схемы электропередачи 500 кВ с включенными вдоль линии промежуточными подстанциями ПС1—ПСЗ. Для по­вышения устойчивости электропередачи в линию включают последовательно конденсаторы (УПК) (схема рис. 1.8, а) или компенсаторы (синхронные или ста­тические) на промежуточных подстанциях (рис. 1.8, б).

Наряду с отмеченным, применяют устройства автоматического регулирова­ния: автоматическое регулирование возбуждения генераторов и синхронных ком­пенсаторов, быстродействующее регулирование мощности турбин, регулирование напряжения по концам электропередачи, быстродействующие выключатели и ре­лейную защиту и др., что также способствует повышению устойчивости и пропу­скной способности электропередачи.

Рассмотренные схемы линий электропередачи (рис.1.4-1.8) позволяют доставить электроэнергию потребителям от двух генерирующих источников и называются электропередачами с двухсторонним питанием. По мере развития передающей сети в промежуточных пунктах магистральной сети наряду с понижающими подстанциями подключается отдельная электропередача, имеющая генери­рующие источники, с отбором или выдачей мощности (рис. 1.9). В итоге форми­руется узловая система с тремя центрами питания и более высокой устойчивостью и пропускной способностью. В дальнейшем магистральные системообразующие сети, присоединенные к двум-трем центрам питания, усложняются и преобразу­ются в замкнутые многоконтурные передающие сети с сосредоточенными нагруз­ками (рис. 1.10). Замкнутые сети обеспечивают наибольшую надежность, по­скольку авария (отключение) на каком-либо участке сети имеет последствия (на­пример, ограничение потребляемой мощности) только для потребителей, непо­средственно подключенных к этому участку.

Рис. 1.8. Принципиальная схема дальней электропередачи переменного тока

500 кВ с промежуточными подстанциями: а — схема с применением УПК;

б — схема со статическими или синхронными компенсаторами

В системах передачи электроэнергии с сосредоточенными нагрузками не­прерывность электроснабжения не может быть нарушена отдельной аварией, т.к. электроснабжение подстанций ПС1— ПС4 (центров питания распредели­тельных сетей 6—220 кВ) осуществляется по двум и более линиям от несколь­ких независимых источников. Однако в замкнутых сетях более сложная, чем в разомкнутых релейная защита и автоматика.

Внутрисистемные передачи электроэнергии, осуществляемые магист­ральными одно-двухцепными воздушными линиями 220—330 кВ, обеспечива­ют связь отдельно расположенных электростанций и центров питания 6—220 кВ распределительных сетей.

Характеристика систем распределения электроэнергии приводится ниже.

Рис. 1.9. Узловая схема сети электропередач 330—750 кВ с тремя центрами питания

Рис. 1.10. Сложнозамкнутая системообразующая сеть 330—750 кВ с центрами питания распределительной сети 6-220кВ