Классификация электрических сетей

Электрические сети классифицируют по ряду показателей, характеризующих как сеть в целом, так и отдельные линии электропередачи (ЛЭП).

По роду тока

По току различают сети переменного и постоянного тока.

Трехфазный переменный ток 50 Гц имеет ряд преимуществ по сравнению с постоянным:

• возможность трансформации с одного напряжения на другое в широких пределах;

• возможность передачи больших мощностей на большие расстояния, что достигается. Это достигается трансформацией напряжения генераторов в более высокое напряжение для передачи электроэнергии по линии и обратной трансформацией высокого напряжения в низкое на приемном пункте. При таком способе передачи электроэнергии потери в линии уменьшаются, так как они зависят от тока в линии, а ток при одной и той же мощности тем меньше, чем выше напряжение;

• при трехфазном переменном токе конструкция асинхронных электродвигателей проста и надежна (нет коллектора). Конструкция синхронного генератора переменного тока также проще генератора постоянного тока (отсутствует коллектор и др.);

Недостатками переменного тока являются:

• необходимость выработки реактивной мощности, которая нужна в основном для создания магнитных полей трансформаторов и электродвигателей. На выработку реактивной энергии топливо (на ТЭС) и вода (на ГЭС) не затрачиваются, однако реактивный ток (ток намагничивания), протекая по линиям и обмоткам трансформаторов, бесполезно (в смысле использования линий для передачи активной энергии) перегружает их, вызывает потери активной мощности в них и лимитирует передаваемую активную мощность. Отношение реактивной мощности к активной характеризует коэффициент мощности установки (чем меньше коэффициент мощности, тем хуже используются электрические сети);

• для повышения коэффициента мощности часто используют конденсаторные батареи или синхронные компенсаторы, что удорожает установки переменного тока;

• передача очень больших мощностей на большие расстояния лимитируется устойчивостью параллельной работы энергосистем, между которыми осуществляется передача мощности.

К преимуществам постоянного тока следует отнести:

• отсутствие реактивной составляющей тока (возможно полное использование линий);

• удобное и плавное регулирование в больших пределах числа оборотов электродвигателей постоянного тока;

• большой начальный вращаемый момент у сериесных двигателей, нашедших широкое применение в электротяге и кранах;

• возможность электролиза и др.

Основными недостатками постоянного тока являются:

• невозможность трансформации простыми средствами постоянного тока одного напряжения в другое;

• невозможность создания генераторов постоянного тока высокого напряжения (ВН) для передачи мощности на сравнительно большие расстояния;

• сложность получения постоянного тока ВН: для этой цели необходимо переменный ток ВН выпрямлять, а затем на месте приема инвертировать в трехфазный переменный. Основное применение получили сети трехфазного переменного тока. При большом количестве электроприемников однофазного тока от трехфазной сети делаются однофазные ответвления. Преимуществами трехфазной системы переменного тока являются:

• применение трехфазной системы для создания вращающегося магнитного поля дает возможность выполнения простых электродвигателей;

• в трехфазной системе потери мощности меньше, чем в одно- фазной. Доказательство этого положения приводится в табл.1.

Таблица 1. Сравнение трехфазной системы (трехпроводной) с однофазной (двухпроводной)

Как видно из таблицы (строки 5 и 6), dР₁=2dР₃ и dQ₁=2dQ₃, т.е. потери мощности в однофазной системе при тех же мощности S и напряжении U больше в два раза. Однако в однофазной системе два провода, а в трехфазной три.

Чтобы расход металла был тем же, нужно уменьшить сечение проводов трехфазной линии по сравнению с однофазной в 1,5 раза. Во столько же раз будет больше сопротивление, т.е. R₃=1,5R₁. Подставляя это значение в выражение для dР₃, получим dР3 = (1,5S₂/U2)R₁, т.е. потери активной мощности в однофазной линии в 2/1,5=1,33 раза больше, чем в трехфазной.

Использование постянного тока

Сети постоянного тока сооружаются для питания промышленных предприятий (электролизных цехов, электрических печей и т. д.), городского электротранспорта (трамвая, троллейбуса, метрополитена). Подробнее об этом смотрите здесь: Где и как используется постоянный ток

Электрификация железнодорожного транспорта осуществляется как на постоянном, так и переменном токе. 

Постоянный ток используют также для передачи энергии на большие расстояния, поскольку применение переменного тока для этой цели связано с трудностью обеспечения устойчивой параллельной работы генераторов электростанций. Однако па постоянном токе при этом работает лишь ЛЭП, на питающем конце которой переменный ток преобразуется в постоянный, а на приемном конце происходит инвертирование постоянного тока в переменный.

Постоянный ток может быть использован в электропередачах переменного тока для организации связи двух электрических систем в виде вставки постоянного тока – электропередачи постоянного тока нулевой длины, когда две электрические системы соединяются между собой через выпрямительно-преобразовательную установку. При этом отклонения частоты в каждой из электрических систем практически не отражаются на передаваемой мощности.

В настоящее время проводятся исследования и разработки электропередачи пульсирующего тока, в которой по общей ЛЭП энергия одновременно передается переменным и постоянным током. При этом предусматривается наложение на все три фазы ЛЭП переменного тока некоторого постоянного относительно земли напряжения, создаваемого с помощью преобразовательных установок на концах ЛЭП.

Такой способ передачи электроэнергии позволяет лучше использовать изоляцию ЛЭП и увеличивает ее пропускную способность по сравнению с передачей переменного тока, а также облегчает отбор мощности от ЛЭП по сравнению с передачей постоянного тока.

По напряжению

По напряжению электрические сети делятся на сети напряжением до 1 кВ и выше 1 кВ.

Каждая электрическая сеть характеризуется номинальным напряжением, при котором обеспечивается нормальная и наиболее экономичная работа оборудования.

Различают номинальные напряжения генераторов, трансформаторов, сетей и электроприемников. Номинальное напряжение сети совпадает с номинальным напряжением электроприемников, а номинальное напряжение генератора по условиям компенсации потерь напряжения в сети принимается на 5 % выше номинального напряжения сети.

Номинальное напряжение трансформатора устанавливается для первичной и вторичной его обмоток при холостом ходе. В связи с тем, что первичная обмотка трансформатора является приемником электроэнергии, для повышающего трансформатора ее номинальное напряжение принимается равным номинальному напряжению генератора, а для понижающего – номинальному напряжению сети.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора, питающей сеть, при нагрузке должно быть на 5 % выше номинального напряжения сети. Так как при нагрузке происходит потеря напряжения в самом трансформаторе, то номинальное напряжение (т. е. напряжение холостого хода) вторичной обмотки трансформатора принимается на 10 % выше номинального напряжения сети.

В табл. 2 приведены номинальные междуфазные напряжения электрических сетей трехфазного тока частотой 50 Гц. Электрические сети по напряжению условно делятся на сети низких (220–660 В), средних (6–35 кВ), высоких (110–220 кВ), сверхвысоких (330–750 кВ) и ультравысоких (1000 кВ и выше) напряжений.

Таблица 2. Стандартные напряжения, кВ, по ГОСТ 29322–92

На транспорте и в промышленности используются следующие напряжения постоянного тока: для контактной сети, питающей трамваи и троллейбусы – 600 В, вагоны метрополитена – 825 В, для электрифицированных железных дорог – 3300 и 1650 В, открытые горные разработки обслуживаются троллейвозами и электровозами, питающимися от контактной сети 600, 825, 1650 и 3300 В, подземный промышленный транспорт использует напряжение 275 В. Сети дуговых печей имеют напряжение 75 В, электролизных установок 220–850 В.

По конструктивному исполнению и расположению

По конструктивному исполнению различают воздушные и кабельные сети, проводки и токопроводы.

По расположению сети делятся на наружные и внутренние.

Наружные сети выполняют голыми (неизолированными) проводами и кабелями (подземными, подводными), внутренние – кабелями, изолированными и голыми проводами, шинами.

По характеру потребления

По характеру потребления различают сети городские, промышленные, сельские, электрифицированных железных дорог, магистральных нефте- и газопроводов, электрических систем. 

По назначению

Разнообразие и сложность электрических сетей обусловили отсутствие единой классификации и использование различных терминов при классификации сетей по назначению, роли и выполняемым функциям в схеме электроснабжения.

Электрические сети делятся на системообразующие и распределительные.

Системообразующей называется электрическая сеть, объединяющая электростанции и обеспечивающая их функционирование как единого объекта управления, одновременно осуществляя выдачу мощности электростанций. Распределительной называется электрическая сеть. обеспечивающая распределение электроэнергии от источника питания.

В ГОСТ 24291–90 электрические сети также делятся на системообразующие и распределительные. Кроме того, выделяются городские, промышленные и сельские сети.

Назначением распределительных сетей является дальнейшее распределение электроэнергии от подстанция системообразующей сети (частично также от шин распределительного напряжения электростанций) до центральных пунктов городских, промышленных и сельских сетей.

Первой ступенью распределительных сетей общего пользования являются сети 330 (220) кВ, второй – 110 кВ, затем электроэнергия распределяется по сети электроснабжения отдельных потребителей.

По выполняемым функциям различаются системообразующие, питающие и распределительные сети.

Системообразующие сети 330 кВ и выше осуществляют функции формирования объединенных энергосистем.

Питающие сети предназначены для передачи электроэнергии от подстанций системообразующей сети и частично шин 110 (220) кВ электростанций к центральным пуктам распределительных сетей – районным подстанциям. Питающие сети обычно замкнуты. Ранее напряжения этих сетей было 110 (220) кВ, в последнее время напряжение электрических сетей, как правило, равно 330 кВ.

Распределительные сети предназначены для передачи электроэнергии на небольшие расстояния от шин низшего напряжения районных подстанций к городским промышленным и сельским потребителям. Такие распределительные сети обычно разомкнутые или работают в разомкнутом режиме. Ранее такие сети выполнялись на напряжении 35 кВ и ниже, а в настоящее время – 110 (220) кВ.

Электрические сети подразделяются также на местные и районные и, кроме того, на питающие и распределительные. К местным относят сети 35 кВ и ниже, к районным – 110 кВ и выше.

Питающей называется линия, идущая от центрального пункта к распределительному пункту или непосредственно к подстанциям, без распределения электроэнергии по ее длине.

Распределительной называется линия к которой вдоль длины присоединено несколько трансформаторных подстанций или вводов к электроустановкам потребителей.

По назначению в схеме электроснабжения  сети также делятся на местные и районные.

К местным относятся сети с малой плотностью нагрузки и напряжением до 35 кВ включительно. Это городские, промышленные и сельские сети. К местным сетям причисляют также глубокие вводы 110 кВ небольшой протяженности.

Районные электрические сети охватывают большие территории и имеют напряжение 110 кВ и выше. По районным сетям электроэнергия передается от электростанций в места потребления, а также распределяется между районными и крупными промышленными и транспортными подстанциями, питающими местные сети.

К районным сетям относятся основные сети электрических систем, магистральные ЛЭП внутри- и межсистемной связи.

Основные сети обеспечивают связь электростанций между собой и с районными центрами потребления (районными подстанциями). Выполняются они по сложнозамкнутым многоконтурным схемам.

Магистральные ЛЭП внутрисистемной связи обеспечивают связь отдельно расположенных электростанций с основной сетью электрической системы, а также связь удаленных крупных потребителей с центральными пунктами. Обычно это ВЛ 110–330 кВ и выше большой протяженности.

По роли в схеме электроснабжения  различаются сети питающие, распределительные и основные сети энергосистем.

Питающими называют сети, по которым энергия подводится к ПС и РП, распределительными – сети, к которым непосредственно присоединяются ЭП или ТП (обычно это сети до 10 кВ, однако часто к распределительным относят и разветвленные сети более высоких напряжений, если к ним присоединяется большое количество приемных ПС). К основным сетям относят сети наивысшего напряжения, на котором осуществляются наиболее мощные связи в электрической системе.

Электроустановки и электрические сети, как и другие комплексы энергетики, сформировались в настоящее время в сложные эрготические (человеко-машинные) системы. Они соответствуют всем признакам таких систем и потому должны рассматриваться (для получения удовлетворительных результатов) с позиций системных подхода и анализа, которые предполагают, во-первых, исследование объекта во всем многообразии его связей, а во-вторых, анализ изучаемой системы как системы более высокого уровня.