Электрические сети и системы: классификация электросетей

Электрические сети и системы играют важную роль в современном обществе.

С незапамятных времен человек использовал для своих нужд силы природы. Сила ветра и падающей воды, солнечный свет и энергия, получаемая от сгорания топлива, всегда находили достойное применение. Со временем эти силы природы явились источником электроэнергии как наиболее универсальной, но требовались пути ее доставки.

Электрические сети и системы решают задачу доставки электроэнергии и распределения ее для нужд потребителей. Слабое место постоянного тока заключался в ограниченной возможности доставки электроэнергии на расстояния глобальных масштабов. Проблема благодаря переменному току ликвидирована только в 19 веке.

См. видео — выбор электрооборудования. Для заказа по созданию аналогичного видео ролика перейти по ссылке Заказы

Окончательную точку в передаче электричества на дальние расстояния поставили трехфазные системы как самые выгодные и экономичные. Несмотря на то, что они опираются на общие основополагающие принципы, в настоящее время единая классификация электросетей отсутствует.

Электрические сети и системы России

Электрические сети и электростанции составляют основу энергосистемы, куда дополнительно входят тепловые сети. На территории России создана и действует единая энергетическая система (ЕЭС) как основной объект электроэнергетики государства. Она объединяет 70 энергосистем, расположенных в 81 субъекте РФ, которые связаны общим режимом, единым процессом производства энергии и централизованным управлением. В Федеральном законе об электроэнергетике электросетям отводится особый статус, указывающий на безопасность страны. Электрические сети России разделяются на:

• магистральные;
• региональные;
• районные, распределительные сети.

Магистральные электросети объединяют в единую систему отдельные регионы государства, наиболее мощные электростанции и крупные объекты потребления энергии. Они отличаются такими параметрами как сверхвысокой и высокой величиной используемого напряжения, а также мощными потоками, достигающими несколько гигаватт. Региональные системы являются принадлежностью области или края. Они взаимодействуют с магистральной части комплекса и включают собственные источники электрической энергии. Их задача заключается в обслуживании наиболее важных потребителей (города, районы, предприятия и так далее) и им присущи высокие и средние значения напряжения. Величины мощности в них исчисляются сотнями мегаватт и гигаваттами. Районные, распределительные электросети подключаются к региональной составляющей системы. Они, как правило, не используют собственные источников энергии, и обеспечивают электричеством маломощных потребителей в виде внутриквартальных, поселковых электросетей и т.д. К основным параметрам этой компоненты относятся средняя и низкая величина напряжения и объемы малой мощности, не превышающие несколько мегаватт. Обозначения: 1 – источник электроэнергии (ГЭС, АЭС, ТЭС, и др.). 2, 4 – распределительные пункты. 3 – линии электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения. 5 – понижающие подстанции. 6 – трансформаторные подстанции.

Электрические сети и системы — устройство электросети

Электрическая сеть в техническом отношении включает в себя передающую компоненту, то есть линии электропередачи, силовые трансформаторы, дополнительные элементы, приборы защиты и регулировки режимов работы. Необходимым электрооборудованием оснащаются все распределительные пункты и подстанции. Производство электричества осуществляется мощными генераторами переменного тока, установленными на электростанциях. С целью уменьшения потерь при передаче электричества на большие расстояния первичное трехфазное напряжение преобразуется повышающими трансформаторами до 110 и киловольт и выше. Доставка электроэнергии осуществляется по трем проводам, то есть в соответствии с числом фаз. Дальнейшая транспортировка электричества осуществляется по высоковольтным ЛЭП до распределительных пунктов. Эти пункты оборудованы распределительными устройствами, содержащими коммутационную аппаратуру, сборные и соединительные шины, приборы для измерения параметров и вспомогательные элементы. По конструктивному исполнению и устройству они могут быть открытого (ОРУ) и закрытого (ЗРУ) типа. Распределение энергии, поступающей из высоковольтных линий, осуществляется, как правило, без преобразования напряжения, которое затем понижается дважды. Вначале значение напряжения из сотен киловольт преобразуется в 10 или 6 кВ понижающими подстанциями, и с их выходов энергия поступает на трансформаторные подстанции. Иначе их называют «трансформаторными будками», и они разбросаны по промышленным объектам, жилым массивам, поселкам, дачным кооперативам и т.д. Основным устройством трансформаторной подстанции является понижающий трансформатор. С его выхода трехфазное или однофазное напряжение 380/220 В распределяется между потребителями электроэнергии. В то же время, трансформаторная подстанция подключается к контуру защитного заземления и создается так называемая нейтраль в виде нулевого провода От трансформаторной подстанции для доставки электроэнергии потребителям используется уже 4 провода. Нейтраль является общим проводником для всех трех фаз и подключается к совместной точке их соединения по схеме «звезда». Обычно она также подключается к контуру защитного заземления и называется глухо заземленной. Распределение энергии между приемниками электричества и их согласование с низковольтной электросетью 380/220 В осуществляется с помощью силовых (распределительных) шкафов и щитков. К ним подводятся ответвления от основной электрической сети в виде воздушных линий или подземных кабелей, а их устройство включает, как правило, автоматические выключатели, УЗО, дифавтоматы и другое электрооборудование.

Электрические сети и системы -классификация электросетей

Электрическая сеть состоит из комплекса электроустройств в виде распределительных пунктов, подстанций, кабельных и воздушных ЛЭП, токопроводов. В силу сложности и великого многообразия электросетей их единая классификация отсутствует. Поэтому за основу принимаются основные параметры электрической сети, которые в той или иной степени определяют ее характерные особенности.

Классификация по роду тока

С учетом этой характеристики существуют электросети постоянного и переменного тока. В электросетях постоянного тока обычно применяются однопроводные, двухпроводные и трехпроводные (+, -, 0) пути доставки электричества. Электрические сети переменного тока используют для передачи электроэнергии одну или 3 фазы. В России ее частота определена в 50 Гц, в США — 60 ГЦ, а в Японии используются обе частоты.  В ЛЭП однофазных электросетей применяются одно- и двухпроводные линии, в трехфазных – трех — и четырехпроводные. Существуют еще двухфазные системы переменного тока, но их применение ограничено. Они широко использовались в начале 20 века и имели две пары проводов. Сдвиг тока между фазами составлял 90 градусов. Наибольшее распространение получили трехфазные электросети с переменным током. Электричество с постоянным потенциалом находит применение в основном для электрифицированного подвижного состава, под который сооружаются специальные ЛЭП. Иногда на промышленных объектах, например, в электрометаллургии или для электролиза растворов могут создаваться ЛЭП с постоянным током. Однако на пике последних исследований особо интересны высоковольтные ЛЭП с током постоянной величины (HVDC). Они начинают динамично использоваться для доставки энергии от электростанций и являются альтернативным направлением энергетики. Их достоинства в том, что они характеризуются высокой экономичностью. В них отпадает надобность в выполнении требований по синхронизации частот ЛЭП и обеспечивается параллельная работа с различными электросетями постоянного тока.

Классификация по напряжению

По величине напряжения электрические сети подразделяются на 2 типа – до 1 кВ или свыше 1 кВ. Им присущи следующие разновидности:

• ультравысокого уровня выше 1 тысячи киловольт (1150 кВ, 1500 кВ);
• сверхвысокого уровня (1 тысяча киловольт, 500 кВ, 330 кВ);
• высокого напряжения — ВН (220 кВ, 110 кВ);
• первого среднего напряжения – СН-1 (35 кВ);
• второго среднего напряжения – СН-2 (20 кВ, 10 кВ, 6 кВ, 1 кВ);
• и низкого напряжения – НН (0,4 кВ, 220 В, 110 В и ниже).

В целях локального освещения могут использоваться напряжения малых величин от 12 В до 36 В. В электросистемах с переменным током до 1 кВ и свыше находит применение глухо заземленная и изолированная нейтраль, но при напряжении свыше 1 кВ, довольно часто задействуется изолированная (не заземленная) нейтраль. Для справки. На энергообъектах промышленного назначения и в электрификации транспорта нашел применение постоянный ток с такими значениями напряжения:

• в контактной сети электрифицированных железных дорог 3300 и 1650 В;
• для движения вагонов метрополитена – 825 В;
• в промышленном подземном транспорте используется разность потенциалов 275 В;
• в установках электролиза 220–850 В, а в работе дуговых печей — 75 В.

Классификация по назначению

Электрические сети включают системообразующую и распределительную часть. Задача системообразующей компоненты в объединении распределительных пунктов, электростанций и высоковольтные ЛЭП и обеспечении их совместной работы как единой системы управления. Распределительная часть электросети обеспечивает раздачу энергии от источника потребителям. Межсистемные и системообразующие составляющие районных энергосистем составляют верхнее звено. Межсистемные части формируют объединенную энергосистему из мощных электростанций и районных компонентов с единым центром управления, в которых используется разность потенциалов 330кВ и более. Электросети системообразующих районных энергосистем объединяют в единую систему крупные подстанции, работающие с напряжением 110, 220 кВ. Питающие и распределительные цепи составляют связующие элементы электросистем. Питающие линии представляют высоковольтные ЛЭП, по которым энергия от центрального источника подводится к пункту распределения энергии и понижающей подстанции Распределительные цепи от источника питания, распределительного пункта и подстанции доставляют электричество к отдельным приемникам электроэнергии. В распределительной составляющей системы обычно используется напряжение 35, 10, 6 и 0,4 кВ, которые предназначены для обеспечения электроэнергией, например, промышленные объекты. К ним также относятся городские и сельские электросети, что закреплено в ГОСТ 24291–90.

Классификация по принципу построения и конструктивному исполнению

Электросети могут создаваться как по замкнутому, так и по разомкнутому (нерезервированному) принципу. По разомкнутому принципу построения линии получают одностороннее питание от одного единого источника. Замкнутый комплекс ориентируется на электропитание от двух источников. В разомкнутой системе при обрыве цепи отключается питание от всех потребителей, что является основным недостатком. Использование второго варианта устраняет этот недостаток, а выбор того или иного варианта зависит от типа электроприемников. По степени надежности потребители разделяются на три категории. К высшей категории относятся электроприемники, не допускающие перебоя в их электроснабжении. Они включают такие, из-за которых возникает угроза безопасности страны, опасность, грозящая жизни людей, существенный материальный ущерб, нарушения в работе ответственных составляющих коммунального хозяйства, комплексов связи, телевидения и др. Вторая категория представлена электроприемниками, отсутствие питание которых оказывает непосредственное влияние на перебои производства массовой продукции, приостановкой работы ответственных механизмов, оборудования и так далее. Остальные электроприемники относятся к третьей категории, и их электроснабжение осуществляется от одной точки питания, но с условием, что восстановительные мероприятия и замена вышедших из строя частей не более одних суток. По конструктивному исполнению обычно выделяют воздушные и подземные системы на основе специальных кабелей, проложенных в траншеях и коллекторах, токопроводы и проводки (силовые и освещения). Таким образом, электрические сети и системы прочно укрепились в современной жизни. Они являются стратегическим объектом и тесно связны с безопасностью страны. В электросети России ярко выражена магистральная компонента и распределительная часть, которая используется в интересах потребителей. Однако единая классификация электросетей отсутствует по причине их сложности и многообразия, несмотря на то, что многие положения закреплены в стандартах и руководящих документах.