Энергосистемой страны называют совокупность нескольких элементов – электростанций, повышающих и понижающих распределительных подстанций, электрических и тепловых сетей.
Электростанции осуществляют выработку электрической и тепловой (для ТЭЦ) энергии. Электрическая энергия, вырабатываемая на электростанциях, повышается до требуемого значения напряжения на повышающих подстанциях и отдается в сеть, в частности в магистральные электрические сети, где в дальнейшем распределяется в соответствии с величиной потребляемой мощности того или иного района, предприятия в пределах энергосистемы страны или отдельного региона.
Если идет речь об энергосистеме страны, то магистральные сети опутывают всю ее территорию. К магистральным сетям относятся линии напряжением 220, 330, 750 кВ, по которым протекают большие потоки мощности – от нескольких сотен МВт до десятков ГВт.
Следующий этап - преобразование высокого напряжения магистральных сетей для районных, узловых подстанций, подстанций крупных предприятий напряжением 110 кВ. По сетям 110 кВ протекают потоки мощности в пределах десятков МВт.
На подстанциях 110 кВ электроэнергия распределяется на более мелкие, потребительские подстанции населенных пунктов и различных предприятий напряжением 6, 10, 35 кВ. Далее напряжение электрической сети понижается до требуемых потребителю значений. Если это населенные пункты и малые предприятия, то напряжение понижают до величины 380/220 В. Существует также оборудование крупных промышленных предприятий, которое питается непосредственно от высокого напряжения величиной 6 кВ.
Тепловые электроцентрали (ТЭЦ) помимо электрической энергии, вырабатывают тепловую, которая используется для обогрева зданий и сооружений. Тепловая энергия, отпускаемая ТЭЦ, распределяется потребителям по тепловым сетям.
Особенности работы энергосистемы
При рассмотрении работы энергосистемы особое внимание следует уделить процессам передачи электрической энергии. Производство и передача электрической электроэнергии – сложный взаимосвязанный процесс.
В энергосистеме непрерывно, в режиме реального времени происходит выработка, передача и потребление энергии потребителями. Накапливание электроэнергии (аккумуляция) в объемах энергосистемы не производится, поэтому в энергосистеме постоянно контролируется баланс между производимой и потребляемой электрической энергией.
Особенность электроэнергетических систем состоит в практически мгновенной передаче электрической энергии от источников к потребителям и невозможности накапливания ее в значительных количествах. Эти свойства определяют одновременность процесса производства и потребления электроэнергии.
При производстве и потреблении электрической энергии на переменном токе равенству вырабатываемой и потребляемой электроэнергии в каждый момент времени соответствует равенство вырабатываемой и потребляемой активной и реактивной мощностей.
Следовательно, в каждый момент времени в установившемся режиме энергосистемы электростанции должны вырабатывать мощность, равную мощности потребителей, и покрывать потери мощности в электрической сети, т. е. должен соблюдаться баланс вырабатываемой и потребляемой мощностей.
Понятие баланса реактивной мощности связано с влиянием реактивной мощности, передаваемой по элементам электрической сети, на режим напряжения. Нарушение баланса реактивной мощности приводит к изменению уровня напряжения в сети.
Обычно энергосистемы, дефицитные по активной мощности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не передавать из соседних энергосистем, а генерировать в компенсирующих устройствах, установленных в данной энергосистеме.
В случае возникновения дефицита вырабатываемой электроэнергии, в частности ее активной составляющей, возникает дефицит мощности, то есть нарушается энергетический баланс. При этом наблюдается снижение частоты электрической сети ниже допустимого значения. Чем больше дефицит электроэнергии в энергосистеме, тем ниже частота.
Процесс нарушения энергетического баланса является наиболее опасным для энергосистемы и если его на начальном этапе не остановить, то произойдет полный развал энергосистемы.
Для предотвращения развала энергосистемы при наличии дефицита мощности на распределительных подстанциях применяется противоаварийная автоматика – автоматическая частотная разгрузка (АЧР) и автоматика ликвидации асинхронного режима (АЛАР).
АЧР осуществляет автоматическое отключение определенной части нагрузки потребителей, чем снижает дефицит мощности в энергосистеме. АЛАР – это сложная автоматическая система, которая осуществляет автоматическое обнаружение и ликвидацию асинхронных режимов в электрических сетях. В случае возникновения дефицита мощности в энергосистеме АЛАР работает совместно с АЧР.
На всех участках энергосистемы возможно возникновение различных аварийных ситуаций: повреждение различного оборудования станций и подстанций, повреждение в кабельных и воздушных линиях электропередач, нарушение нормальной работы устройств релейной защиты и автоматики и пр. Поэтому энергетическая система строится таким образом, чтобы в случае возможных аварийных ситуаций она оставалась работоспособной и обеспечивала питание потребителей в соответствии с их категорией надежности электроснабжения.
Особенности регулировки напряжения
Напряжение в энергосистеме регулируется таким образом, чтобы обеспечить нормальные значение напряжения на всех участках. Регулировка напряжения у конечного потребителя производится в соответствии со средними значениями напряжения, получаемого с более крупных подстанций.
Как правило, такая регулировка производится один раз, в дальнейшем регулировка напряжения производится на крупных узлах – районных подстанциях, так как постоянно регулировать напряжение на каждой потребительской подстанции нецелесообразно в виду их большого количества.
Регулировка напряжения на подстанциях осуществляется при помощи устройств ПБВ и РПН, встроенных в силовые трансформаторы и автотрансформаторы. Регулировка посредством устройств ПБВ осуществляется при отключенном от сети трансформаторе (переключение без возбуждения). Устройства РПН позволяют осуществлять регулировку напряжения под нагрузкой, то есть без необходимости предварительного отключения трансформатора (автотрансформатора).
Регулировка напряжения при помощи РПН силовых трансформаторов может производиться, как автоматически, так и вручную. Также, в зависимости от технического состояния трансформаторов (автотрансформаторов), с целью продления срока службы устройств РПН, может приниматься решение о регулировке напряжения исключительно в ручном режиме, с предварительным снятием нагрузки с трансформатора. При этом возможность переключения ответвлений РПН под нагрузкой сохраняется и в случае возникновения необходимости быстрой регулировки напряжения, можно выполнить данную операцию без предварительного снятия нагрузки с трансформатора.
Потери мощности и энергии
Передача электрической энергии неизбежно сопровождается потерями мощности и энергии в трансформаторах и линиях. Указанные потери должны быть покрыты соответствующим увеличением мощности источников питания, что вызывает повышение капиталовложений на сооружение энергосистемы.
Кроме того, потери мощности и энергии вызывают дополнительные затраты топлива на электростанциях, стоимость электроэнергии, тем самым повышая себестоимость электроэнергии. Поэтому при проектировании необходимо стремиться к снижению этих потерь во всех элементах электросети.
Смотрите также: Мощность и потери энергии в электрических цепях и Меропрития по снижению потерь в электрических сетях
Параллельная работа энергосистем
Энергосистемы стран или отдельные участки энергосистемы в пределах одной страны могут объединяться и в совокупности представляют собой объединенную энергосистему.
Если две энергетические системы имеют одинаковые параметры, то они могут работать параллельно (синхронно). Возможность синхронной работы двух энергетических систем позволяет значительно повысить их надежность, так как в случае возникновения большого дефицита мощности в одной из энергосистем, данный дефицит может быть покрыт из другой энергосистемы. При объединении энергосистем нескольких стран можно осуществлять экспорт или импорт электрической энергии между данными странами.
Но если две энергосистемы имеют некоторые различия в электрических параметрах, в частности частоте электрической сети, то при необходимости объединения данных энергосистем прямое их включение на параллельную работу недопустимо.
В данном случае выходят из положения путем использования для передачи электроэнергии между энергосистемами линий постоянного тока, которые позволяют объединить не синхронизируемые энергосистемы, характеризующиеся различной частотой электрической сети.