ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Электрическую энергию вырабатывают в основном крупные электрические станции, которые объединены в энергетические системы.
Часть энергосистемы, состоящую из генераторов, распределительных устройств, повысительных и понизительных трансформаторных подстанций, электрических сетей и приемников электроэнергии, называют электрической системой.
Электрическими сетями называют части электрической системы, состоящие из подстанций и линий электропередачи различных напряжений.
В зависимости от назначения электрические сети разделяют на распределительные и питающие.
Распределительной называют электрическую сеть (рис. 4.1, а), подводящую электроэнергию от источника питания (ИП) к потребительским ТП или самим потребителям, если это линия низкого напряжения.
Питающей называют электрическую сеть (рис. 4.1, б), подводящую электроэнергию к распределительным пунктам РП или подстанциям.
Из курса «Теоретические основы электротехники» известно, что для передачи электроэнергии на большое расстояние необходимо повысить ее напряжение. Поэтому современная электрическая система обязательно включает в себя повышающие подстанции, на которых с помощью трансформаторов повышается напряжение электрической энергии. В местах потребления размещают понижающие подстанции, снижающие напряжение до такого значения, чтобы электроэнергией могли пользоваться потребители. Необходимость повышения и понижения напряжения электрической энергии привела к тому, что для ее передачи и распределения применяют переменный, преимущественно трехфазный, ток.
На рисунке 4.2, а показана принципиальная схема небольшой электрической системы, состоящей из трех районных электрических станций. Напряжение генератора электростанций составляет 10 кВ (может быть до 24 кВ). Его повышают на наиболее удаленной станции до 220 кВ, а на ближе расположенной —до ПО кВ и затем передают энергию в общее кольцо напряжением 110 кВ. При
этом в конце линии от удаленной станции сооружена подстанция на 220/1 ЮкВ. Кроме того, система обычно имеет линии связи с другими системами (на рисунке не показаны). От общего кольца 110 кВ через понижающие подстанции 110/35 кВ питаются линии напряжением 35 кВ. Одна из таких линий показана на рисунке сверху. Эти линии подают энергию более мелким подстанциям на напряжение 35/10 кВ. От подстанций расходятся распределительные сети напряжением 10 кВ с понижающими трансформаторными пунктами. На трансформаторных пунктах напряжение понижают с 10 кВ до рабочего — 380 В.
Таким образом, электрическая энергия, прежде чем она достигнет потребителя, несколько раз трансформируется, что вызывает необходимость сооружения большого числа трансформаторных подстанций. Соединенные системы образуют системы отдельных зон страны, а затем и Единую энергетическую систему России.
На рисунке 4.2, б изображена схема сельской электрической системы. Она состоит из двух ГЭС и тепловой электростанции (ТЭС), работающих на общую сеть напряжением 10 кВ. На малых станциях обычно устанавливают генераторы низкого напряжения (400 В), а на более крупных — генераторы высокого напряжения (6,3 кВ). И в том и в другом случае электрические станции соединяют сетью через повышающие трансформаторные подстанции. Потребители получают электрическую энергию либо непосредственно от шин электростанций, либо от линии, связывающей отдельные станции. Сельские системы соединяют с мощными электрическими системами. В некоторых удаленных сельских районах еще есть одиночные сельские электростанции (рис. 4.3), не связанные с другими. На таких станциях обычно устанавливают генераторы на напряжение 400 В, которое повышают до 10 кВ. При этом электроэнергию распределяют по всему району.
Значения напряжения — важный параметр, характеризующий любой элемент электрической установки, в том числе и электрическую сеть.
Номинальным называют такое напряжение приемников электроэнергии, генераторов и трансформаторов, при котором они нормально и наиболее экономично работают. Это напряжение указывают в паспорте соответствующей машины или аппарата.
В установках трехфазного тока номинальным напряжением принято считать значение междуфазного напряжения. Например, если линия имеет номинальное напряжение 35 кВ, то ее фазное напряжение будет в v3 раз меньше и составит 20,2 кВ.
Номинальное напряжение сети принимают равным номинальному напряжению приемников электроэнергии. В действительности же напряжение сети в ее различных точках неодинаково в каждый данный момент времени. В начале линии напряжение обычно выше номинального, а в конце линии — ниже его.
На рисунке 4.4 показана линия с распределенной нагрузкой. В данном примере напряжение в начале сети на 5% выше номинального, в конце — на 5% ниже номинального.
В общем случае следует стремиться к тому, чтобы среднее арифметическое значение напряжения в начале и в конце сети приближалось к номинальному напряжению сети или как впримере:
Номинальное напряжение генераторов принимают на 5 % выше номинального напряжения сети. Это следует из предыдущих рассуждений, так как только при таком условии можно повысить напряжение электрической сети в ее начале. Номинальное напряжение первичных обмоток трансформаторов должно равняться напряжению сети, потому что они являются приемниками электроэнергии.
Наконец, номинальное напряжение вторичных обмоток трансформаторов на 5... 10 % должно превышать номинальное напряжение сети, так как они играют роль генераторов для последующих участков сети. Кроме того, при увеличении напряжения компенсируется потеря напряжения в самих трансформаторах.
На рисунке 4.5 изображена электрическая сеть с повышающим и понижающим трансформаторами и распределенной по длине нагрузкой. Между точками 2 и 3 напряжение сети повышается трансформатором на 10 % и вновь становится на 5 % выше номинального напряжения сети. Очевидно, что для участка 7—2 номинальное напряжение сети составляет 10 кВ, а для участка 3—4—380 В.
Все электрические установки разделяют на установки напряжением до 1 кВ и свыше 1 кВ. Назовем условно сети напряжением до 1 кВ сетями низкого напряжения, а свыше 1 кВ — сетями высокого напряжения.
В России номинальное напряжение электрических установок, в том числе электрических сетей, ограничено, с одной стороны, не большим числом стандартных значений, благодаря чему наша промышленность выпускает меньшее число различных типоразмеров машин и оборудования.
Примечания: 1. Номинальные напряжения до 100 В для трехфазного тока составляют 42 В (линейные) и для однофазного тока — 12, 24 и 36 В. 2. Напряжения 3,15; 6,3; 10,5 и 21 кВ первичных обмоток трансформаторов относятся к повышающим и понижающим трансформаторам, присоединяемым непосредственно к шинам генераторов или их выводам. 3. Жирным шрифтом выделены напряжения, используемые в сельском хозяйстве.
В сельских сетях (рис. 4.6) применяют напряжение 380 В при четырехпроводной системе с заземленной нейтралью. Нулевой провод сети заземляют у трансформаторов, в конце каждого участка сети и на длинных участках. Все металлические части, которые не находятся, но в случае порчи изоляции могут оказаться под напряжением, соединяют с нулевым проводом. На последнем не устанавливают ни отключающие устройства, ни автоматы (автоматические выключатели) и плавкие предохранители. Исключение составляют внутренние однофазные сети освещения в сухих помещениях.
В нормальном режиме между любым из фазных проводов и землей напряжение не превышает фазное, т. е. 220 В. Если один из фазных проводов замкнется на землю, то произойдет короткое замыкание, так как нулевой провод также соединен с землей. На поврежденном проводе сработает автомат либо перегорит предохранитель и короткое замыкание будет ликвидировано. При заземлении нулевого провода и соединении с ним металлических частей оборудования исключается повышение напряжения фазных проводов относительно земли и возможно широко применять напряжение 380 В.
Использование системы напряжением 380 В при соблюдении указанных ранее требований не более опасно для людей, чем применение системы напряжением 220 В, и в то же время дает экономию металла проводов в среднем в 2 раза. Именно поэтому напряжение 380 В — единственное, используемое в сельских сетях напряжение до 1 кВ.
В однофазных сетях применяют напряжение 220 В. Распространены также трехпроводные однофазные сети со средним заземленным проводом. В этих сетях напряжение между крайними проводами составляет 2 х 220 В = 440 В, а между крайними проводами и средним — 220 В.
Распределительные сети выполняют на напряжение 6 и 10 кВ. Преимущество сетей напряжением 10 кВ стало настолько очевидным, что сети напряжением 6 кВ применяют лишь при расширении существующих установок.
Напряжение 20 кВ с непосредственной трансформацией на 380 В имеет пока небольшое применение. Но часто оно оказывается наиболее выгодным. Напряжение 35 кВ используют для питающих линий с последующей трансформацией на напряжение 10 либо 6 кВ. Применяют также непосредственную трансформацию 35 кВ на 380 В, т. е. глубокий ввод напряжения 35 кВ к потребителю. Напряжение 110 кВ распространено в сельских районах, питающихся от мощных энергосистем. Для питания крупных объектов все шире используют трансформаторы 110/10 кВ, а также трехобмоточные трансформаторы 110/35/10 кВ.
В зависимости от напряжения трехфазных сетей по-разному решают вопрос о режиме нейтрали, т. е. соединении с землей их нулевой точки.
В четырехпроводных сетях напряжением 380/220 В, а также трехпроводных сетях 2 х 220 В нулевой или средний провод непосредственно соединен с землей. Благодаря этому повышается безопасность сетей, так как в нормальном режиме напряжение между фазным проводом и землей не превышает 220 В, а при замыкании фазного провода на землю происходит короткое замыкание и перегорает плавкий предохранитель либо срабатывает автомат, отключая линию.
В сетях напряжением свыше 1 до 35 кВ включительно в России и ряде зарубежных стран применяют режим изолированной от земли нейтрали. Такие сети выполняют трехпроводными. При замыкании фазного провода на землю через заземление будет протекать только небольшой ток, определяемый емкостью проводов сети по отношению к земле и номинальным напряжением сети.
Во многих зарубежных странах, в частности в США, сети напряжением 1...35 кВ выполняют с глухозаземленной нейтралью.
Сети напряжением 110 кВ и выше всегда работают с глухозаземленной нейтралью или нейтралью, заземленной через небольшое сопротивление. При этом условия работы сетевого оборудования облегчаются, так как напряжения в линии относительно земли не превышают фазных. Для уменьшения тока однофазного короткого замыкания на землю заземляют нейтрали не всех, а только части трансформаторов.
И. А. Будзко, Т. Б. Лещинская, В. И. Сукманов, Электроснабжение сельского хозяйства, М., Колос, 2000
