Электрические сети; элементы сети, их связь и взаимодействие с гидроэлектростанциями

Уже отмечалось в гл. 1. что технологический процесс электроэнергетического производства делится на три основные взаимосвязанные стадии. Первая - производство электроэнергии (генерация) на электростанциях; вторая -распределение потоков мощности на электростанциях и передача их в электрические сети по ЛЭП с последующим ещё более подробным распределением с помощью распределительных сетей и подстанций; третья -процесс использования электроэнергии потребителями, т.е. преобразование её в другие виды энергии.

Совокупность электростанций, их распредустройств, сетевых подстанций и приемников электроэнергии, связанных между собой высоковольтными ЛЭП и электрическими распределительными сетями при общем централизованном оперативном (диспетчерском) управлении, как мы уже знаем, носит название - электроэнергетическая система.

Электрической сетью называется совокупность электрических подстанций и линий электропередачи, связывающих электростанции с потребителями. По размерам охватываемой территории различают местные сети, районные сети и электрические сети энергосистем.

Электроэнергетические системы, связанные по регионально-географическому и экономическому признакам, укрупнены в объединенные энергосистемы - ОЭС с соответствующим диспетчерским управлением (ОДУ). ОЭС, в свою очередь, объединены в ЕЭС России и управляются из единого центра - централизованного диспетчерского управления (ЦДУ ЕЭС России).

Создание ЕЭС России так же, как и других электрообъединений мира, продиктовано необходимостью обеспечения надёжного электроснабжения потребителей при одновременной его экономичности (снижении капиталовложений и эксплуатационных затрат, требуемых для снабжения потребителей электроэнергией).

Вместе с тем, по мере развития ЕЭС (расширения границ, усложнения конфигурации электроэнергетических сетей, повышения установленной мощности и пропускной способности ЛЭП и др.) всё более заметными становятся некоторые особенности функционирования ЕЭС, характерные для крупных объединений. Так, тесная связь и взаимная зависимость многих элементов ЕЭС привели к возможности возникновения так называемых каскадных аварий, происходящих обычно при нерасчетных отказах, характеризующихся последовательной перегрузкой и отключением многих элементов системы и нарушением электроснабжения потребителей на значительной территории. Такие аварии неоднократно имели место в ряде электроэнергетических объединений мира. Развитие ЕЭС сопровождается усложнением структуры электрических сетей, повышением пропускной способности электропередачи, ухудшением (в ряде случаев) электрических и электромеханических характеристик оборудования, увеличением напряженности режимов электроэнергетической системы. При этом существует противоречивая ситуация: повышение пропускной способности (усиление) электрических связей. с одной стороны, обеспечивает большую возможность обмена электроэнергией и взаимопомощи смежных районов при авариях, способствует повышению статической и динамической устойчивости электроэнергетической системы, а с другой стороны, способствует развитию аварийных процессов, которые при несвоевременной локализации могут охватывать всю систему.

Очевидно, что реализация преимуществ все более широкого объединения на параллельную работу электростанций в составе ЕЭС, с одной стороны, и компенсация возможных негативных последствий развития ЕЭС с другой стороны, возможны лишь при правильно построенной и надёжно работающей автоматизированной системе диспетчерского управления (АСДУ) - этим уникальным «инструментом», где широко использованы современные средства вычислительной техники и системы автоматического управления.

Новая политическая структура государственных образований на территории бывшего СССР обусловила изменение экономических взаимоотношений между образовавшимися суверенными государствами, что повлекло за собой изменения в структуре управления.

На базе семи параллельно работающих ОЭС России (Центра, Северо-Запада. Средней Волги, Северного Кавказа. Урала. Сибири и Востока) образовалась ЕЭС России, высшим органом которой стало ЦДУ ЕЭС России. Параллельно с этими ОЭС продолжают работать, имея электрические связи высших напряжений с электроэнергетическими системами стран ближнего и дальнего зарубежья.

Как правило, ограничения в использовании связей между ОЭС и большинством наиболее важных связей внутри ОЭС определяются условиями статической устойчивости.

Статическая устойчивость электрической системы - это её способность восстанавливать исходное состояние (режим) после малых возмущений в режиме электроэнергетической системы. Нарушение статической устойчивости может возникать при передаче больших мощностей через протяженные ЛЭП. при снижении напряжения в узлах нагрузки (приёмников) вследствие дефицита реактивной мощности, при работе электростанций в режиме недовозбуждения генераторов. Основными мерами обеспечения статической устойчивости являются: увеличение напряжения длинных ЛЭП и снижение их индуктивного сопротивления, а также применение автоматического регулирования возбуждения генераторов, синхронных компенсаторов и синхронных электродвигателей в узлах нагрузки.

Синхронные компенсаторы. Обычно синхронные генераторы рассчитываются таким образом, чтобы они могли генерировать и реактивную мощность. В ряде случаев около крупных промышленных центров оказывается выгодным и единственно возможным вариантом установка не генераторов, а компенсаторов. Это также синхронные машины. Они предназначены исключительно для генерирования реактивной мощности, поэтому носят название - синхронные компенсаторы. Роторы этих машин имеют явнополюсное исполнение. Охлаждение машин применяют обычно водородное.

Для ЛЭП, обеспечивающих выдачу мощности крупными электростанциями, а также для ряда транзитных связей определяющими могут быть требования динамической устойчивости.

Динамическая устойчивость электрической системы - это её способность восстанавливать после больших возмущений режим, близкий к исходному. Нарушение динамической устойчивости наиболее вероятно вследствие КЗ в электрических сетях. Основными мерами по повышению динамической устойчивости являются: быстрое отключение участков электрической сети с коротким замыканием, автоматическое повторное включение ЛЭП, применение других средств противоаварийной автоматики (ПА) и быстродействующих систем (регуляторов) возбуждения генераторов - АРВ, а также использование электрического торможения генераторов.

АРВ генераторов обеспечивают автоматическое регулирование напряжения (АРН) в электрической сети. Кроме того, в узловых точках электрических сетей у потребителей АРН обеспечивают трансформаторы с автоматическим регулированием коэффициента трансформации под нагрузкой. а также синхронные компенсаторы и синхронные электродвигатели с автоматически регулируемым возбуждением. АРН обеспечивает требуемое качество электроэнергии (по электрическому напряжению), снижение потерь электроэнергии в сетях, увеличение пропускной способности ЛЭП.

Автоматическое регулирование частоты тока (АРЧ) в электрической сети - следующая важнейшая функции автоматических устройств. АРЧ автоматически поддерживает частоту электрического тока в системе в пределах, допускаемых техническими требованиями и условиями экономичности работы. По ГОСТ снижение частоты тока менее 49.4 Гц не допускается. Устройство АРЧ при отклонении частоты тока от нормы воздействует на турбину через её регулятор частоты вращения и таким образом приводит в соответствие активную мощность генераторов с нагрузкой энергосистемы при сохранении неизменной частоты. Разработаны системы автоматического регулирования, которые одновременно способны поддерживать частоту тока и экономически целесообразное распределение активной мощности между электростанциями энергосистемы.

Если АРЧ не справляется с восстановлением нормального режима в энергосистеме, то включаются устройства автоматической частотной разгрузки (АРЧ). отключающие часть потребителей, а также устройства специальной автоматики отключения нагрузки (САОН) по заранее определённой программе.

Автоматическое управление - это процесс управления объектами (устройствами), при котором операции, обеспечивающие достижение заданной цели управления, выполняются системой, функционирующей без вмешательства человека в соответствии с заранее заданным алгоритмом (содержание и последовательность операций).

На развитие и свойства электроэнергетических систем оказали рост единичных мощностей агрегатов электростанций (ТЭС, АЭС и ГЭС), рост удельного веса гидроэлектростанций и необходимость более дальней передачи электроэнергии, что в свою очередь вызвало развитие электрических распределительных сетей и подстанций. Кроме того, возник ряд других проблем, о чём сказано было выше, и которые успешно решались и решаются поныне. В частности, по повышению статической и динамической устойчивости электроэнергетических систем путём разработки и внедрения регуляторов возбуждения сильного действия генераторов, а также применения АЧР и САОН.

Большие усилия были направлены на защиту оборудования электрических сетей и подстанций от атмосферных перенапряжений путём совершенствования изоляции, разработки и внедрения разрядников и ОПН. Интересен исторический факт из опыта эксплуатации электрических сетей в России в 1929 году, когда 40% всех аварий в сетях составили аварии, вызванные грозовыми явлениями. После принятых мер число грозовых аварий на 1 км длины электрических сетей снизилось в 1940 г. по сравнению с 1934 годом в 14 раз. Этот исторический факт - свидетельство того, насколько важна данная сторона работы специалистов электроэнергетиков в области создания и эксплуатации электроэнергетических систем. Секционирование сетей и сборных шин на подстанциях, применение токоограничивающих и шунтирующих реакторов, распространение схем присоединений с АПВ ЛЭП и АВР на трансформаторах и сборных шинах подстанций, развернутое направление по разработке систем релейной защиты и противоаварийной автоматики - далеко не полный перечень принципиальных мероприятий. которые находятся сегодня в арсенале у специалистов по проектированию, строительству и эксплуатации ГЭС, электрических сетей и подстанций.

Для повышения пропускной способности ЛЭП и потерь электроэнергии применяются устройства продольной и поперечной компенсации, что в сочетании с регуляторами возбуждения сильного действия генераторов является очень эффективным мероприятием.

Продольная компенсация служит для компенсации индуктивного сопротивления длинных ЛЭП переменного тока, что увеличивает их пропускную способность за счет включения в ЛЭП ёмкостных компенсирующих устройств, обычно батарей конденсаторов. Комплекс батарей вместе со специальными устройствами защиты и изоляционными конструкциями получил название установки продольной компенсации (УПК). Для улучшения распределения напряжений вдоль протяженной ЛЭП и улучшения её КПД сопротивление УПК выбирается не выше 50% индуктивного сопротивления ЛЭП. При большей степени компенсации возникают затруднения в выполнении релейной защиты, чрезмерно увеличивается сила тока КЗ и возрастают уровни внутренних перенапряжений.

Поперечная компенсация есть параллельное включение компенсирующих устройств в схему электрической системы в целях изменения реактивных параметров ЛЭП переменного тока, а также реактивной мощности. потребляемой в системе. В ЛЭП большой протяженности для поперечной компенсации применяют шунтирующие реакторы. Поперечная компенсация в электрических сетях осуществляется при помощи батарей электрических конденсаторов, синхронных компенсаторов и синхронных электродвигателей. Применение поперечной компенсации радикально уменьшает перетоки реактивных мощностей по ЛЭП и связанные с этим потери энергии, способствует поддержанию требуемых уровней напряжения в электрических сетях.

Все вышеприведённые процессы, протекающие в электроэнергетических системах показывают, что они очень тесно связаны с гидроэлектростанциями и во многом от них зависят.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.