ГЛАВА ПЯТАЯ
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ
5-1. Энергопотоки
Почти три четверти всей выработанной на электростанциях энергии потребляется двигателями на фабриках и заводах. Часть переменного тока превращается ртутными преобразователями в постоянный ток и в этом виде потребляется электрифицированным транспортом и установками электролиза (для производства алюминия, магния, рафинирования меди). Примерно 10% идет на освещение, остальное — на промышленные электрические печи.
На рис. 5-2 не показана энергия, потребляемая в виде токов высокой частоты. Радиопередающие станции — это незначительный потребитель энергии. Все вместе взятые они потребляют меньше 1%. В несколько раз больше высокочастотной электроэнергии потребляется в промышленности для плавки металлов, для нагрева стали под поверхностную закалку, для нагрева различных изоляционных и полупроводящих материалов. Высокочастотная энергия вырабатывается из трехфазного тока главным образом при помощи преобразователей с электронными и ионными лампами. Применения высокочастотной энергии все расширяются, и через несколько лет на диаграмме энергопотоков придется чертить высокочастотный ручеек. Это будет весьма весомый потребитель в общем энергобалансе.
Медные или алюминиевые проводники, окруженные воздухом или бумагой (реже применяются другие виды изоляции, например резина), направляют энергетические реки. Изоляция большей частью стоит дешевле проводников, и усилия энергетиков направлены на то, чтобы возможно меньше расходовать металла в медных или алюминиевых руслах. энергетических рек. Электрическая энергия многократно трансформируется (рис. 5-1), напряжение ее сначала повышается (после генераторов), а затем в несколько ступеней понижается. Это снижает потери в линиях передачи и расход металла в них.
Рис. 5-1. Примерная схема электроснабжения потребителей от районной электростанции.
Слева находится районная электростанция — ГРЭС. От ее сборных шин 110 кВ отходит несколько линий электропередачи. Одна из этих линий — Л1 питает узловую районную подстанцию А. От сборных шин первичной стороны этой подстанции питаются напряжением 110 кВ понижающие подстанции Б, В, Г. На схеме показана только одна ГРЭС, но часто узловые районные подстанции бывают связаны с несколькими ГРЭС.
На подстанции А электроэнергия трансформируется со 110 кВ на два вторичных напряжения 6 или 10 кВ и 35 кВ при помощи трехобмоточных понижающих трансформаторов.
Сеть 35 кВ может отходить на десятки километров от подстанции. На этом напряжении питают большие районы. Протяженность линий 6—10 кВ обычно не больше 10 км.
Б и Г — тупиковые или конечные подстанции, на них заканчиваются линии электропередачи Л2 и Л4. Подстанция В — проходная, через ее шины питается подстанция Г. От тупиковой подстанции Г показано несколько вариантов питания понижающих подстанций Д, Е, Ж, З, И. Вторичное напряжение этих понижающих подстанций чаще всего бывает 6 или 10 кВ. Однако существуют и 35-кВ подстанции на вторичное напряжение 380/220—500 в.
Буквами Ф обозначены 6—10-кВ линии (фидеры). Маленькие подстанции с 6—10 кВ на 380/220 в называются трансформаторными пунктами — ТП. ФП — фидерный пункт. На нем энергия не трансформируется, а имеются только сборные шины, от которых расходятся линии на отдельные мелкие ТП.
Если подстанция предназначена для питания предприятия (или одного из его цехов), то может оказаться необходимым иметь два вторичных напряжения — одно для силовой нагрузки, а второе для электроосвещения. С двумя вторичными напряжениями выполнена заводская подстанция ЗП.
Электродвигатели присоединяются к шинам силовой нагрузки (380 или 500 в) индивидуально (Д1 или группами (Д2) через силовые сборки С, устанавливаемые в производственных цехах. Питание небольших подстанций отдельными линиями прямо от шин питающей подстанции, по типу фидера Φ1 нецелесообразно вследствие большого расхода кабелей и большого числа фидеров на питающей подстанции (большой расход электрооборудования, большие первоначальные затраты). Более целесообразно питать ряд небольших подстанций от фидерного пункта ФП.
В сетях 6—10 кВ несколько ТП часто включаются цепочкой на один фидер, что также дает экономию электрооборудования и удешевляет сооружение питающей подстанции сети.
ФП и ТП бывают проходные и тупиковые.
Все показанные на схеме линии передачи электроэнергии могут выполняться как воздушными, так и кабельными. На пути от генераторов ГРЭС до токоприемников электроэнергия подвергается многократной трансформации с одного напряжения на другое и проходит ряд линий электропередачи, протяженность которых в сумме может значительно превышать сотню километров. Некоторая часть энергии теряется на нагревание трансформаторов и проводов линии. Надежность и экономичность всей системы энергоснабжения зависит от правильного выбора конфигурации сетей, от правильного выбора напряжений в ее отдельных участках.
С повышением напряжения уменьшается расход меди или алюминия в линиях передачи электроэнергии. Зато удорожается изоляция этих линий. По мере повышения напряжения увеличивается стоимость повышающих и понижающих трансформаторов, увеличиваются размеры установок. Повышаются также и эксплуатационные расходы на обслуживание сетей и преобразовательных подстанций.
Наивыгоднейшая конфигурация сети, наивыгоднейшие напряжения на ее звеньях определяются подробными технико-экономическими подсчетами. О таких расчетах будет речь в главе седьмой.
В современных энергосистемах миллионы ламп, электродвигателей, множество электролизных ванн, печей и других потребителей питаются от общей сети.
Рис. 5-2. Распределение потоков энергии по линиям передачи различного напряжения.
На схеме показано распределение энергии между различными видами потребителей и потери энергии на разных участках системы передачи и распределения энергии. Потоки и потери даны в процентах от всей энергии, выработанной на центральной электрической станции.
Все это ныне кажется естественным и само собой разумеющимся. Но такая система распределения и управления электроэнергией не есть нечто незыблемое, застывшее. Возникла вся эта система не так уже давно, и развитие ее продолжается.
Еще в 1879 г. Π. Н. Яблочков в своей публичной лекции, читанной в Русском техническом обществе, должен был убеждать своих слушателей, что: «...освещение можно производить, не помещая машины в доме вовсе, а пользуясь током, как пользуются газом или водой. Нет никакой надобности устанавливать отдельно в каждом месте освещения источники тока. Стоит только от сильного источника электричества провести один общий проводник по улице, как ведется магистральная труба, и в тех местах, где нужно освещение, припаивать к нему побочный проводник».
Развитие передачи и распределения электрической энергии началось с применения постоянного тока низкого напряжения (110—220 в). Затем стали строиться электростанции однофазного переменного тока. Они предназначались главным образом для питания осветительной нагрузки.
В 1888 г. М. О. Доливо-Добровольский изобрел и построил трехфазные асинхронные двигатели, трехфазные трансформаторы, создал теорию передачи энергии трехфазным током. Вся современная электрификация основана на применении этой системы.
Выбор напряжения для передачи энергии, выбор мест расположения трансформаторов, потеря энергии при ее передаче и распределении — все это связано со множеством технических и экономических факторов.
В первые послевоенные годы на каждый киловатт мощности, установленной на электростанциях СССР, расходовалось 54 кг цветных металлов, приведенных к меди.
В самих генераторах затрачивается всего четверть килограмма меди на каждый киловатт, еще меньше — в распределительном устройстве электростанции: одна десятая килограмма. Около двух десятых килограмма меди на каждый киловатт тратится в проводах и кабелях станции. Всего на всей электростанции тратится 0,7 кг меди на каждый киловатт.
В высоковольтных сетях также идет немного проводникового материала — около 5,5 кг меди и 2,5 кг алюминия на каждый установленный киловатт.
Основное количество цветного металла тратится в распределительных сетях низкого напряжения. На промышленных предприятиях с двигательной нагрузкой в низковольтных сетях расходуется около 18 кг на каждый установленный киловатт.
5-2. Защита от врагов
Множество опасностей грозит разветвленной энергетической системе. Воздушные линии электропередач протянуты высоко над землей. В них может ворваться дикое атмосферное электричество. Волны перенапряжений могут пробить изоляцию линии, замкнуть ее проводники накоротко. Волны перенапряжений могут побежать к концам линии, прорваться к аппаратуре подстанций, повредить изоляцию трансформаторов, кабелей.
От множества причин может возникнуть повреждение изоляции между проводниками или внутри аппаратов энергетической системы. Изоляторы стареют, устают, подвергаются механическим разрушениям. Во всех этих случаях возникает короткое замыкание (к. з.).Как только в изоляции пробита брешь, в нее бросается ток короткого замыкания. Он может расплавить провода, вызвать пожары. Короткое замыкание — основной враг энергетических систем. Борьба с ним — главная задача службы защиты.
Но и короткое замыкание может быть разное. Когда происходит авария на шинах крупной электростанции, токи короткого замыкания достигают многих тысяч ампер, мощность короткого замыкания — сотни тысяч киловольтампер. Но такие случаи не часты. Мелкие же короткие замыкания происходят в энергосистеме тысячами в сутки: домохозяйка включит неисправную электроплитку, ее юный наследник сунет в исследовательских целях согнутый гвоздь в штепсельную розетку, студент в лаборатории неправильно соединит концы трансформатора. Но каково бы ни было короткое замыкание, оно не должно отзываться на всей энергосистеме. Защита должна отключить поврежденный участок.
В службе защиты участвуют прежде всего предохранители, автоматические выключатели и разрядники. Разрядники ликвидируют перенапряжения между отдельными частями установок или между установками и землей. Разрядники срабатывают под действием избыточного напряжения. Они пропускают через себя избыточные заряды. Разрядники можно сравнить с предохранительными клапанами на паровых котлах.
Иную задачу решают выключатели и предохранители: они дают путь полезным токам, токам нормального режима, токам нагрузки, и они же преграждают дорогу, разрывают цепь для вредных аварийных токов — токов короткого замыкания, токов, наведенных ударом молнии.
Самый старый, самый простой и самый распространенный способ защиты электрических установок от токов перегрузки и токов короткого замыкания — это плавкие предохранители.
