Сети низкого и высокого напряжения. Что такое электрическая сеть

Потребителей.

Принципы работы

Электрические сети осуществляют передачу, распределение и преобразование электроэнергии в соответствии с возможностями источников и требованиями потребителей.

Переменный ток

Большинство крупных источников электроэнергии - электростанции - построено с использованием генераторов переменного тока. Кроме того, амплитудное напряжение переменного тока может быть легко изменено при помощи трансформаторов , что позволяет повышать и понижать напряжение в широких пределах. Основные потребители электроэнергии также ориентированы на непосредственное использование переменного тока. Мировым стандартом генерации, передачи и преобразования электроэнергии является использование переменного трёхфазного тока . В России и европейских странах промышленная частота тока равна 50 герц , в США , Японии и ряде других стран - 60 герц.

Переменный однофазный ток используется многими бытовыми потребителями и получается из переменного трёхфазного тока путём объединения потребителей в группы по фазам. При этом каждой группе потребителей выделяется одна из трёх фаз, а второй провод («ноль»), используемый при передаче однофазного тока, является общим для всех групп и в своей начальной точке заземляется .

Классы напряжения

При передаче большой электрической мощности при низком напряжении возникают большие омические потери из-за больших значений протекающего тока. Формула δS = I²R описывает потерю мощности в зависимости от сопротивления линии и протекающего тока. Для снижения потерь уменьшают протекающий ток: при снижении тока в 2 раза омические потери снижаются в 4 раза. Согласно формуле полной электрической мощности S = I×U , для передачи такой же мощности при пониженном токе необходимо во столько же раз повысить напряжение. Таким образом, большие мощности целесообразно передавать при высоком напряжении. Однако строительство высоковольтных сетей сопряжено с рядом технических трудностей; кроме того, непосредственно потреблять электроэнергию с высоким напряжением крайне проблематично для конечных потребителей.

В связи с этим сети разбивают на участки с разным классом напряжения (уровнем напряжения). Трёхфазные сети, передающие большие мощности, имеют следующие классы напряжения: от 750 кВ и выше (1150 кВ, 1500 кВ) - Ультравысокий, 750 кВ, 500 кВ, 330 кВ - сверхвысокий, 220 кВ, 110 кВ - ВН, высокое напряжение, 35 кВ - СН-1, среднее первое напряжение, 20 кВ, 10 кВ, 6 кВ, 1 кВ - СН-2, среднее второе напряжение, 0,4 кВ, 220 В, 110 В и ниже - НН, низкое напряжение.

Как правило, генераторы источника и потребители работают с низким номинальным напряжением. Потери энергии в линиях обратно пропорциональны квадрату напряжения, поэтому для снижения потерь электроэнергию выгодно передавать на высоких напряжениях. Для этого на выходе от генератора его повышают, а на входе потребителя его понижают при помощи трансформаторов .

Структура сети

Электрическая сеть может иметь очень сложную структуру, обусловленную территориальным расположением потребителей, источников, требованиями надёжности и другими соображениями. В сети выделяют линии электропередачи , которые соединяют подстанции . Линии могут быть одинарными и двойными (двухцепными ), иметь ответвления (отпайки ). К подстанциям, как правило, подходит несколько линий. Внутри подстанции происходит преобразование напряжения и распределение потоков электроэнергии между подходящими линиями. Для соединения линий и оборудования внутри подстанций используются электрические коммутаторы (англ. Commutator (electric) ) различных типов.

Для наглядного представления структуры сети используется специальное начертание схемы сети, однолинейная схема , представляющая три провода трёх фаз в виде одной линии. На схеме отображаются линии, секции и системы шин, коммутаторы, трансформаторы, устройства защиты.

Структура сети электроснабжения может динамически изменяться путём переключения коммутаторов. Это необходимо для отключения аварийных участков сети, для временного отключения участков при ремонте. Структура сети также может быть изменена для оптимизации электрического режима сети.

Основные компоненты сети

Сеть электроснабжения характерна тем, что связывает территориально удалённые пункты источников и потребителей. Это осуществляется при помощи линии электропередачи - специальных инженерных сооружений, состоящих из проводников электрического тока (провод - неизолированный проводник, или кабель - изолированный проводник), сооружений для размещения и прокладки (опоры , эстакады, каналы), средств изоляции (подвесные и опорные изоляторы) и защиты (грозозащитные тросы , разрядники , заземление).

Примечания

См. также

Энергетика структура по продуктам и отраслям
Электроэнергетика : электроэнергия	Традиционная Тепловые электростанции Конденсационная электростанция (КЭС) Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) Гидроэнергетика Гидроэлектростанция (ГЭС) Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) Атомная Атомная электростанция (АЭС) Плавучая атомная электростанция (ПАТЭС) Альтернативная Геотермальная Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) Гидроэнергетика Малые гидроэлектростанции (МГЭС) Приливные электростанции (ПЭС) Волновые электростанции Осмотические электростанции Ветроэнергетика Ветряные электростанции (ВЭС) Солнечная Солнечные электростанции (СЭС) Водородная Водородные электростанции Установки на топливных элементах Биоэнергетика Биоэлектростанции (БиоТЭС) Малая Дизельные электростанции Газопоршневые электростанции Газотурбинные установки малой мощности Бензиновые электростанции Электрическая сеть Электрические подстанции Линии электропередачи (ЛЭП) Опоры линий электропередачи
Теплоснабжение : теплоэнергия
Децентрализованное
Тепловая сеть

Электрическая сеть — совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их электрических линий, размещённых на территории района, населённого пункта, потребителя электрической энергии.

Электрические сети принято классифицировать по назначению (области применения), масштабным признакам, и по роду тока.

Назначение, область применения

Сети общего назначения : электроснабжение бытовых, промышленных, сельскохозяйственных и транспортных потребителей.

Сети автономного электроснабжения : электроснабжение мобильных и автономных объектов (транспортные средства, суда, самолёты, космические аппараты, автономные станции, роботы и т. п.)

Сети технологических объектов : электроснабжение производственных объектов и других инженерных сетей .

Контактная сеть : специальная сеть, служащая для передачи электроэнергии на движущиеся вдоль неё транспортные средства (локомотив , трамвай , троллейбус , метро ).

Масштабные признаки, размеры сети

Магистральные сети : сети, связывающие отдельные регионы, страны и их крупнейшие источники и центры потребления. Характерны сверхвысоким и высоким уровнем напряжения и большими потоками мощности (гигаватты).

Региональные сети : сети масштаба региона (области, края). Имеют питание от магистральных сетей и собственных региональных источников питания, обслуживают крупных потребителей (город, район, предприятие, месторождение, транспортный терминал). Характерны высоким и средним уровнем напряжения и большими потоками мощности (сотни мегаватт, гигаватты).

Районные сети, распределительные сети . Имеют питание от региональных сетей. Обычно не имеют собственных источников питания, обслуживают средних и мелких потребителей (внутриквартальные и поселковые сети, предприятия, небольшие месторождения, транспортные узлы). Характерны средним и низким уровнем напряжения и небольшими потоками мощности (мегаватты).

Внутренние сети : распределяют электроэнергию на небольшом пространстве — в рамках района города, села, квартала, завода. Зачастую имеют всего 1 или 2 точки питания от внешней сети. При этом иногда имеют собственный резервный источник питания. Характерны низким уровнем напряжения и небольшими потоками мощности (сотни киловатт, мегаватты).

Электропроводка : сети самого нижнего уровня — отдельного здания, цеха, помещения. Зачастую рассматриваются совместно с внутренними сетями. Характерны низким и бытовым уровнем напряжения и маленькими потоками мощности (десятки и сотни киловатт).

Род тока

Переменный трёхфазный ток : большинство сетей высших, средних и низких классов напряжений, магистральные, региональные и распределительные сети. Переменный электрический ток передаётся по трём проводам таким образом, что фаза переменного тока в каждом из них смещена относительно других на 120°. Каждый провод и переменный ток в нём называются «фазой» . Каждая «фаза» имеет определённое напряжение относительно земли, которая выступает в роли четвёртого проводника.

Переменный однофазный ток : большинство сетей бытовой электропроводки, оконечных сетей потребителей. Переменный ток передаётся к потребителю от распределительного щита или подстанции по двум проводам (т. н. «фаза» и «ноль»). Потенциал «нуля» совпадает с потенциалом земли, однако конструктивно «ноль» отличается от провода заземления .

Постоянный ток : большинство контактных сетей, некоторые сети автономного электроснабжения, а также ряд специальных сетей сверхвысокого и ультравысокого напряжения, имеющих пока ограниченное распространение.

Принципы работы электрической сети

Электрические сети осуществляют передачу, распределение и преобразование электроэнергии в соответствии с возможностями источников и требованиями потребителей.

Переменный ток

Большинство крупных источников электроэнергии — электростанции — построено с использованием генераторов переменного тока. Кроме того, амплитудное напряжение переменного тока может быть легко изменено при помощи трансформаторов , что позволяет повышать и понижать напряжение в широких пределах. Основные потребители электроэнергии также ориентированы на непосредственное использование переменного тока. Мировым стандартом генерации, передачи и преобразования электроэнергии является использование переменного трёхфазного тока . В России и европейских странах промышленная частота тока равна 50 герц , в США , Японии и ряде других стран — 60 герц.

Переменный однофазный ток используется многими бытовыми потребителями и получается из переменного трёхфазного тока путём объединения потребителей в группы по фазам. При этом каждой группе потребителей выделяется одна из трёх фаз, а второй провод («ноль»), используемый при передаче однофазного тока, является общим для всех групп и в своей начальной точке заземляется .

Классы напряжения

При передаче большой электрической мощности при низком напряжении возникают большие омические потери из-за больших значений протекающего тока. Формула δS = I²R описывает потерю мощности в зависимости от сопротивления линии и протекающего тока. Для снижения потерь уменьшают протекающий ток: при снижении тока в 2 раза омические потери снижаются в 4 раза. Согласно формуле S = IU для передачи такой же мощности при пониженном токе необходимо во столько же раз повысить напряжение. Таким образом, большие мощности целесообразно передавать при высоком напряжении. Однако строительство высоковольтных сетей сопряжено с рядом технических трудностей; кроме того, непосредственно потреблять электроэнергию с высоким напряжением крайне проблематично для конечных потребителей.

В связи с этим сети разбивают на участки с разным классом напряжения (уровнем напряжения). Трёхфазные сети, передающие большие мощности, имеют следующие классы напряжения: от 1000 кВ и выше (1150 кВ, 1500 кВ) - Ультравысокий, 1000 кВ, 500 кВ, 330 кВ - сверхвысокий, 220 кВ, 110 кВ - ВН, высокое напряжение, 35 кВ - СН-1, среднее первое напряжение, 20 кВ, 10 кВ, 6 кВ, 1 кВ - СН-2, среднее второе напряжение, 0,4 кВ, 220 В, 110 В и ниже - НН, низкое напряжение.

Преобразование напряжения

Как правило, генераторы источника и потребители работают с низким номинальным напряжением. Потери энергии в линиях обратно пропорциональны квадрату напряжения, поэтому для снижения потерь электроэнергию выгодно передавать на высоких напряжениях. Для этого на выходе от генератора его повышают, а на входе потребителя его понижают при помощи трансформаторов .

Структура сети

Электрическая сеть может иметь очень сложную структуру, обусловленную территориальным расположением потребителей, источников, требованиями надёжности и другими соображениями. В сети выделяют линии электропередачи , которые соединяют подстанции . Линии могут быть одинарными и двойными (двухцепными ), иметь ответвления (отпайки ). К подстанциям, как правило, подходит несколько линий. Внутри подстанции происходит преобразование напряжения и распределение потоков электроэнергии между подходящими линиями. Для соединения линий и оборудования внутри подстанций используются электрические коммутаторы различных типов.

Для наглядного представления структуры сети используется специальное начертание схемы сети, однолинейная схема , представляющая три провода трёх фаз в виде одной линии. На схеме отображаются линии, секции и системы шин, коммутаторы, трансформаторы, устройства защиты.

Структура сети электроснабжения может динамически изменяться путём переключения коммутаторов. Это необходимо для отключения аварийных участков сети, для временного отключения участков при ремонте. Структура сети также может быть изменена для оптимизации электрического режима сети.

Основные компоненты сети

Сеть электроснабжения характерна тем, что связывает территориально удалённые пункты источников и потребителей. Это осуществляется при помощи линии электропередачи — специальных инженерных сооружений, состоящих из проводников электрического тока (провод — неизолированный проводник, или кабель — изолированный проводник), сооружений для размещения и прокладки (опоры , эстакады, каналы), средств изоляции (подвесные и опорные изоляторы) и защиты (грозозащитные тросы , разрядники , заземление ).

Классификация электрических сетей может осуществляться:

По роду тока

По номинальному напряжению

Конфигурации схемы сети

По выполняемым функциям

По характеру потребителя

По конструктивному выполнению

По роду тока различают сети переменного и постоянного тока:

ЛЭП постоянного тока применяются для дальнего транспорта электрической энергии и связи электрических сетей с разными номинальными частотами или с различными подходами к регулированию при одной номинальной частоте (вставки линии постоянного тока или нулевой длины). В России ЛЭП постоянного тока почти не используется (Волгоград-Донбасс на 800 кВ, 376 км).

Для связи с другими странами применяют вставки из линий постоянного тока. За рубежом в разных странах существует несколько десятков ЛЭП постоянного тока, среди которых самой мощной является Итайпу-Сан Паулу (Бразилия) с номинальным напряжением 1200 кВ, длиной 783 км и пропускной способностью 6,3 млн кВт.

ЛЭП переменного трехфазного тока используется повсеместно. В России такая линия впервые была построена в 1922 г. (110кВ). Рост номинального напряжения ЛЭП напряжением переменного тока шел примерно с интервалом 15 лет. Первые экспериментальные участки ЛЭП-1150 кВ были построены в 1985 г.

Каждая сеть характеризуется номинальным напряжением. Различают номинальные напряжения ЛЭП, генераторов, трансформаторов и электроприемников.

Номинальное напряжение генераторов по условию компенсации потерь напряжения в сети принимают на 5% выше номинального сетевого напряжения. Номинальные напряжения обмоток трансформатора принимают равными номинальному напряжению сети или на 5% выше в зависимости от вида трансформатора и напряжения сети.

По величине номинального напряжения сети подразделяются:

на сети низкого напряжения (НН) – до 1000 кВ;

среднего напряжения (СН) – 3…35 кВ;

высокого напряжения (ВН) – 110…220 кВ;

сверхвысокого напряжения (СВН) – 330-750 кВ;

ультравысокого напряжения (УВН) – свыше 1000 кВ.

По конфигурации электрические сети различают:

1. Разомкнутые;

2. Разомкнутые резервированные;

3. Замкнутые.

Разомкнутыми называют такие сети, которые питаются от одного пункта и передают электрическую энергию к потребителю только в одного направлении. Разомкнутые сети бывают магистральными, радиальными и радиально-магистральными (разветвленными). В разомкнутых резервированных сетях при нарушении питания по одной из ЛЭП вручную или автоматически включается резервная перемычка, по которой восстанавливается электроснабжение отключенных потребителей. Замкнутыми называют сети, питающие потребителей по меньшей мере с двух сторон.

Виды схем: а- магистраль; б- линия с равномерно распределенной нагрузкой; в- радиальная схема; г- радиально-магистральная схема.

Магистралью называется линия с промежуточными отборами мощности вдоль линии. В предельном случае с увеличением числа нагрузок получается линия с равномерно распределенной нагрузкой, т.е. плотность нагрузки на единицу длины одинакова для любого участка. Радиальные линии исходят из одной точки сети.

Замкнутыми сетями называются сети, имеющие контуры (циклы), образованные ЛЭП и трансформаторами.

Примеры замкнутых электрических сетей:

а- сеть одного напряжения; б- сеть двух напряжений.

К замкнутым сетям относятся также сети, имеющие несколько источников питания. Одной из таких схем является так называемая линия с двухсторонним питанием.

Пример замкнутых электрических сетей, имеющих несколько источников питания:

По выполняемым функциям различают:

Системообразующие сети;

Питающие сети;

Распределительные сети.

Системообразующие сети напряжением 330-1150 кВ осуществляют функции формирования объединенных энергосистем, объединяя мощные электрические станции и обеспечивая их функционирование как единого объекта управления и одновременно обеспечивают передачу электрической энергии от мощных электрических станций. Эти сети осуществляют системные связи, т.е. связи очень большой длины между энергосистемами. Их режимом управляет диспетчер объединенного диспетчерского управления (ОДУ). В ОДУ входят несколько районных энергосистем – районных энергетических управлений (РЭУ).

Питающие сети предназначены для передачи электрической энергии от ПС системообразующей сети и частично от шин 110-220 кВ электрических станций к центрам питания (ЦП) распределительных сетей – районным ПС.

Питающие сети обычно замкнутые. Напряжение этих сетей ранее было 110-220 кВ. По мере роста нагрузок, мощности электрических станций и протяженности электрических сетей увеличивается напряжением сетей. В последнее время напряжение питающих сетей иногда бывает 330-500 кВ. Сети 110-220 кВ обычно административно подчиняются РЭУ. Их режимом управляет диспетчер РЭУ.

Распределительная сеть предназначена для передачи электрической энергии на небольшие расстояния от шин низшего “U” районных ПС к промышленным, городским, сельским потребителям. Такие распределительные сети обычно разомкнутые или работают в разомкнутом режиме.

По месту расположения и характеру потребителя различают сети:

Промышленные;

Городские;

Сельские;

Электрифицированных железных дорог;

Магистральных нефте- и газопроводов.

Ранее такие сети выполнялись с напряжением 35 кВ и меньше, а в настоящее время – до 110 и даже 220 кВ. Преимущественное распространение в распределительных сетях имеет напряжение 10 кВ, сети 6 кВ применяются реже. Напряжение 35 кВ широко используется для создания центров питания сетей 6,10 кВ в основном в сельской местности. Передача эл. энергии на напряжении 35 кВ непосредственно потребителям, т.е. трансформация 35/0,4 кВ используется реже.

Для электроснабжения больших промышленных предприятий и крупных городов осуществляется глубокий ввод высокого напряжения, т.е. сооружение подстанций с первичным напряжением 110-500 кВ вблизи центров нагрузок.

Сети внутреннего электроснабжения крупных городов – это сети 110 кВ, в отдельных случаях к ним относятся глубокие вводы 220/10 кВ.

Сети с/х назначения выполняют на напряжении 0,4-110 кВ.

По конструктивному выполнению различают сети:

Воздушные;

Кабельные;

Токопроводы промышленных предприятий;

Проводки внутри зданий и сооружений.