Загальні відомості. Електричну енергію виробляють в основному великі електричні станції, які об'єднані в енергетичні системи

Електричну енергію виробляють в основному великі електричні станції, які об'єднані в енергетичні системи.

Частина енергосистеми, що складається з генераторів, розподільних пристроїв, підвищуючих і знижувальних трансформаторних підстанцій, електричних мереж і приймачів електроенергії, називають електричною системою.

Електричними мережами називають частини електричної системи, що складаються із підстанцій і ліній електропередачі різних напруг.

Залежно від призначення електричні мережі розділяють на розподільні й живильні.

Розподільною називають електричну мережу (рис. 2.1, а), що підводить електроенергію від джерела живлення до споживчих ТП або самим споживачам, якщо це лінія низької напруги.

Живильною називають електричну мережу (рис. 2.1, б), що підводить електроенергію до розподільних пунктів РП або підстанцій.

З курсу «Теоретичні основи електротехніки» відомо, що для передачі електроенергії на велику відстань необхідно підвищити її напругу. Тому сучасна електрична система обов'язково містить у собі підвищувальні підстанції, на яких за допомогою трансформаторів підвищується напруга електричної енергії.

У місцях споживання розміщають понижувальні підстанції, що знижують напругу до такого значення, щоб електроенергією могли користуватися споживачі. Необхідність підвищення й зниження напруги електричної енергії привела до того, що для її передачі й розподілу застосовують змінний, переважно трифазний, струм.

На рис. 2.2, а показана принципова схема невеликої електричної системи, що складається із трьох районних електричних станцій. Напруга генератора електростанцій становить 10 кВ (може бути до 24 кВ). Його підвищують на найбільш віддаленій станції до 220 кВ, а на ближче розташованих - до 110 кВ і потім передають енергію в загальне кільце напругою 110 кВ.

Рис. 2.1. Схеми електричних мереж:

а - розподільної; б – живильної

Рис. 2.2. Схеми невеликих електричних систем:

а - невеликий; б – сільської

При цьому в кінці лінії від віддаленої станції споруджена підстанція на 220/110 кВ. Крім того, система звичайно має лінії зв'язку з іншими системами (на малюнку не показані). Від загального кільця 110 кВ через понижувальні підстанції 110/35 кВ живиться лінії напругою 35 кВ. Одна з таких ліній показана на малюнку зверху. Ці лінії подають енергію більш дрібним підстанціям на напругу 35/10 кВ. Від підстанцій розходяться розподільні мережі напругою 10 кВ із понижувальними трансформаторними пунктами. На трансформаторних пунктах напругу знижують із 10 кВ до робочих - 380 В.

Таким чином, електрична енергія, перш ніж вона досягне споживача, кілька раз трансформується, що викликає необхідність спорудження великої кількості трансформаторних підстанцій.

На рисунку 2.2, б зображена схема сільської електричної системи. Вона складається із двох ГЕС і теплової електростанції (ТЕС), що працюють на загальну мережу напругою 10 кВ. На малих станціях звичайно встановлюють генератори низької напруги (400 В), а на більших - генератори високої напруги (6,3 кВ). І в тому й в іншому випадку електричні станції з'єднують мережею через підвищувальні трансформаторні підстанції. Споживачі одержують електричну енергію або безпосередньо від шин електростанцій, або від лінії, що зв'язує окремі станції. Сільські системи з'єднують із потужними електричними системами. У деяких віддалених сільських районах ще є окремі сільські електростанції (рис. 2.3), не зв'язані з іншими. На таких станціях звичайно встановлюють генератори на напругу 400 В, як підвищують її до 10 кВ. При цьому електроенергію розподіляють по всім району.

Значення напруги - важливий параметр, що характеризує будь-який елемент електричної установки, у тому числі й електричну мережу.

Номінальною називають таку напругу приймачів електроенергії, генераторів і трансформаторів, при якій вони нормально й найбільше економічно працюють. Ця напругу вказують у паспорті відповідної машини або апарата.

В установках трифазного струму номінальною напругою прийнято вважати значення міжфазної напруги. Наприклад, якщо лінія має номінальну напругу 35 кВ, те її фазне напруга буде в -
раз менше й складе 20,2 кВ.

Номінальна напруга мережі приймають рівною номінальній напрузі приймачів електроенергії. У дійсності ж напруга мережі в її різних точках неоднакова в кожний даний момент часу. На початку лінії напруга звичайна вище номінальної, а наприкінці лінії - нижче її.

На рис. 2.4 показана лінія з розподіленим навантаженням. У даному прикладі напруга на початку мережі на 5 % вище номінального, наприкінці - на 5 % нижче номінального.

Рис. 2.3. Схема мережі одиночної сільської електростанції

У загальному випадку слід прагнути до того, щоб середнє арифметичне значення напруги на початку й наприкінці мережі наближалося до номінальної напруги мережі або як у прикладі:

Номінальна напругу генераторів приймають на 5% вище номінальної напруги мережі. Це випливає з попередніх міркувань, тому що тільки при такій умові можна підвищити напругу електричної мережі в її початку. Номінальна напруга первинних обмоток трансформаторів повинна рівнятися напрузі мережі, тому що вони є приймачами електроенергії.

Нарешті, номінальна напруга вторинних обмоток трансформаторів на 5...10 % повинна перевищувати номінальну напругу мережі, тому що вони відіграють роль генераторів для наступних ділянок мережі. Крім того, при збільшенні напруги компенсується втрата напруги в самих трансформаторах.

На рис. 2.5 зображена електрична мережа з підвищувальним і понижувальним трансформаторами й розподіленим по довжині навантаженням. Між точками 2 і 3 напруга мережі підвищується трансформатором на 10 % і знову стає на 5 % вище номінальної напруги мережі. Очевидно, що для ділянки 7-2 номінальна напруга мережі становить 10 кВ, а для ділянки 3-4 - 380 В.

Усі електричні установки розділяють на установки напругою до 1 кВ і понад 1 кВ. Назвемо умовно мережі напругою до 1 кВ мережами низької напруги, а понад 1 кВ - мережами високої напруги.

Рис. 2.4. Номінальні й дійсні напруги в різних точках

Рис. 2.5. Схема електричної мережі з поділені стандартні напряжения електроустановок

Промисловість випускає менше число різних типорозмірів машин і встаткування. З іншого боку, при великій різноманітності значень стандартних напруг можна виконати мережі більш економічними й скоротити в них витрату металу. Встановлені нейтраллю лівого проводу мережі заземлюють у трансформаторах, наприкінці кожної ділянки мережі.

Рис. 2.6. Схема чотирьох провідної мережі ділянки

Усі металеві частини, які не перебувають, але в випадку псування ізоляції можуть виявитися під напругою, з'єднують із нульовим проводом. На останньому не встановлюють пристрої, ні автомати (автоматичні вимикачі) ні плавкі запобіжники. Виключення становлять внутрішні однофазні мережі освітлення в сухих приміщеннях.

У нормальному режимі між кожним з фазних проводів і землею напруга не перевищує фазну, тобто 220 В. Якщо один з фазних проводів замкне на землю, то відбудеться коротке замикання, тому що нульовий провід також з'єднаний із землею. На пошкодженому проводі спрацює автомат або перегорить запобіжник і коротке замикання буде ліквідовано. При заземленні нульового проводу й з'єднанні з ним металевих частин устаткування виключається підвищення напруги фазних проводів щодо землі й можливо широке застосовування напруги 380 В.

Використання системи напругою 380 В при дотриманні зазначених раніше вимог не більш небезпечно для людей, чим застосування системи напругою 220 В, і в той же час дає економію металу проводів у середньому в 2 рази. Саме тому напруга 380 В - єдина, використовувана в сільських мережах напруга до 1 кВ.

В однофазних мережах застосовують напругу 220 В. Поширені також трьохпровідні однофазні мережі із середнім заземлюючим проводом. У цих мережах напруга між крайніми проводами становить 2×220 В = 440 В, а між крайніми проводами й середнім - 220 В.

Розподільні мережі виконують на напругу 6 і 10 кВ. Перевага мереж напругою 10 кВ стала настільки очевидною, що мережі напругою 6 кВ застосовують лише при розширенні існуючих установок.

Напруга 20 кВ із безпосередньою трансформацією на 380 В має поки невелике застосування. Але часто воно виявляється найбільш вигідним. Напругу 35 кВ використовують для живильних ліній з наступною трансформацією на напругу 10 або 6 кВ. Застосовують також безпосередню трансформацію 35 кВ на 380 В, тобто глибоке введення напруги 35 кВ до споживача. Напруга 110 кВ поширена в сільських районах, що живиться від потужних енергосистем. Для живлення великих об'єктів усе ширше використовують трансформатори 110/10 кВ, а також триобмоткові трансформатори 110/35/10 кВ.

Залежно від напруги трифазних мереж по-різному вирішують питання про режим нейтралі, тобто з'єднанні із землею їх нульової точки.

У чотирьох провідних мережах напругою 380/220 В, а також трипровідних мережах 2×220 В нульовий або середній провід безпосередньо з'єднаний із землею. Завдяки цьому підвищується безпека мереж, тому що в нормальному режимі напруга між фазним проводом і землею не перевищує 220 В, а при замиканні фазного проводу на землю відбувається коротке замикання й перегоряє плавкий запобіжник або спрацьовує автомат, відключаючи лінію.

У мережах напругою понад 1 до 35 кВ включно в України й ряді закордонних країн застосовують режим ізольованої від землі нейтралі. Такі мережі виконують три провідними. При замиканні фазного проводу на землю через заземлення буде протікати тільки невеликий струм, обумовлений ємністю проводів мережі стосовно землі й номінальною напругою мережі.

У багатьох закордонних країнах, зокрема в США, мережі напругою 1...35 кВ виконують із глухо заземленою нейтраллю.

Мережі напругою 110 кВ і вище завжди працюють із глухозаземленою нейтраллю або нейтраллю, заземленою через невеликий опір. При цьому умови роботи мережного устаткування полегшують, тому що напруги в лінії щодо землі не перевищують фазних. Для зменшення струму однофазного короткого замикання на землю заземлюють нейтралі не всіх, а тільки частини трансформаторів.