Распределение электроэнергии в городе
https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/1198275/1198275_600.jpg
Мы искренне рады тому, что Дмитрий Таланов взял на себя труд рассказать о том, как заканчивается путь электроэнергии до конечного потребителя, до розетки в квартире. Делает это Дмитрий с инженерной точностью и с уважением к нормативам, к незыблемым законам электротехники.
Тем, кто прочитал предыдущие публикации журнала Геоэнергетика.ru по этой теме, будет, нам кажется, полезно ознакомиться с конкретными расчетами токов, чтобы отчетливее видеть энергетическую карту России.
Надеемся, выяснив, что Дмитрий знает о распределении электроэнергии всё, вы, уважаемые читатели, присоединитесь к нашим просьбам в его адрес.
Дмитрий, мы ждем продолжения и расширения! Если Вы рассказали нам про распределение электроэнергии в городе, Вы ведь можете объяснить нам и то, как обустроены, по каким законами живут и трудятся единые энергосистемы регионов и всей России, как электростанция под Выборгом может прийти на выручку забарахлившей электростанции возле Хабаровска. Будем ждать!
Распределение электроэнергии в городе
Итак, мы произвели электроэнергию. Как ее доставить потребителю, в том числе к нашим розеткам? На сегодня известны три способа доставки: 1) бесконтактный, посредством электромагнитной индукции – примером будет беспроводная зарядка смартфона или другого подобного устройства, 2) бесконтактный, посредством радиочастотного и микроволнового излучения включая лазер, 3) контактный, то есть по проводам, кабелям, шинам и т.д.
Первый способ используется в трансформаторах всех типов и размеров. Существенным недостатком этого способа является то, что при удалении приемника от передатчика растут потери, и очень быстро. Для минимизации этих потерь в трансформаторах «приемные» и «передающие» обмотки располагают как можно ближе друг к другу.
То есть отнести смартфон на несколько метров от бесконтактного зарядного устройства и надеяться на ту же скорость его зарядки не стоит. Эту скорость можно будет повысить только сильно увеличив плотность магнитного поля, создаваемого зарядным устройством – до значений, когда это уже станет сказываться на здоровье (нахождение человека в сильных магнитных полях всегда сказывается на его здоровье не в лучшую сторону).
Радиочастотное и микроволновое излучение, в свою очередь, хотя и можно сфокусировать в достаточно узкий луч, но уже при передаче мощностей порядка десятка МВт – а мы помним, что на одну Москву требуется 16’000 МВт – всё живое, попавшее в этот луч поблизости от передатчика, сварится в мгновение ока. Прямо как в микроволновке, только значительно быстрее.
К тому же энергия этого луча будет затухать в квадрате от расстояния до приемника как минимум. Вы увеличили расстояние до приемника вдвое, следовательно, в четыре раза уменьшилась добегаемая доступная мощность. И это ослабление только в вакууме, а при наличии атмосферы и туманных явлений этот эффект будет выражен куда сильней. Плюс следует не забывать о неизбежных потерях при конвертации электричество -> излучение -> электричество.
Отсюда видно, что контактный способ передачи электроэнергии всё еще остается самым простым, дешевым и надежным.
Для передачи электроэнергии на расстояние используются воздушные и кабельные линии электропередачи (ЛЭП). Неизолированные провода воздушных ЛЭП подвешиваются с помощью изоляторов на опорах.
Линии электропередачи, Фото: elektro-montagnik.ru
Чем выше рабочее напряжение воздушной ЛЭП, тем длиннее изоляторы. Максимальное проектное напряжение такой ЛЭП, находящейся в эксплуатации в настоящее время, составляет 1’150 кВ. Максимальное напряжение кабельных ЛЭП, находящихся в эксплуатации в настоящее время, составляет 500 кВ. Кабельные ЛЭП широко применяются при сооружении электросетей на территории городов и промышленных предприятий.
Зачем нужны настолько высокие напряжения?
Это требуется для минимизации потерь при соединении между собой удаленных электростанций. Соединение их между собой позволяет повысить надежность энергоснабжения (при отключении одного узла потребитель продолжает получать электроэнергию от другого по оставшимся в работе ЛЭП). А так как потери электроэнергии в проводах зависят от силы тока, то при передаче на дальние расстояния напряжение повышают, что во столько же раз уменьшает силу тока.
Чтобы не вдаваться в подробности расчета потерь активной и реактивной мощности, а также потерь на корону, проще привести упрощенную таблицу экономически целесообразных расстояний передачи электроэнергии переменного тока в зависимости от класса напряжения ЛЭП.
Таблица 1: Упрощенная таблица экономически целесообразных расстояний передачи электроэнергии переменного тока в зависимости от класса напряжения ЛЭП
Конечно, эта таблица не имеет большого смысла без учета пропускной способности ЛЭП каждого класса напряжения. Под пропускной способностью ЛЭП понимается наибольшая активная мощность, которую можно передать в длительном установившемся режиме. Наибольшая передаваемая мощность ЛЭП ограничена условиями устойчивости генераторов электрических станций, передающей и приёмной части энергосистемы, и допустимой мощностью по нагреву проводов линии.
Практика эксплуатации энергосистем показывает, что пропускная способность ЛЭП 500 кВ и выше определяется фактором устойчивости системы, для электропередач 220 кВ и 330 кВ ограничения могут наступать как по условию устойчивости, так и по допустимому нагреву, а для 110 кВ и ниже – только по нагреву. Таблица внизу упрощенно суммирует это в виде зависимости пропускной способности от класса напряжения ЛЭП и её длины.
Таблица 2: Зависимость пропускной способности от класса напряжения ЛЭП и её длины
А теперь давайте электрифицируем мифический, недавно построенный город Новый Костыляй, расположенный в 20 км от ближайшего энерго-узла, коим может быть как электростанция, так и системная подстанция с требуемым избытком резервной мощности. Население города общим числом 100’000 человек закупило и в предвкушении подачи электроэнергии установило дома все современные электроприборы от лампочек до холодильников.
Дальнейший расчет в общем случае зависит от количества домов, их этажности, комфортности и квартирности, а также наличия тяжелой индустрии в городе, но мы поступим проще. А именно, Федеральная служба государственной статистики посчитало общее энергопотребление страной за 2016 год в 1’078’411’461 гигаватт-час, что при количестве часов 8’760 в году и населении 143 млн человек дает среднедушевое потребление мощности 860 Вт. Эта цифра имеет смысл, принимая во внимание, что в США среднедушевое потребление составило 1’470 Вт за 2015 год, а там традиционно потребляют примерно в два раза больше электроэнергии на человека в силу жаркого климата большую часть года и повсеместного использования кондиционеров. Охлаждение сказывается на потреблении электроэнергии значительно сильней, чем отопление.
Таким образом, Новый Костыляй в среднем нуждается в доставке 860 х 100’000 = 86’000’000 Вт, или 86 МВт без учета резервирования и возможных пиков нагрузки. Из таблиц выше видно, что запитать его по ЛЭП 35 кВ или даже 110 кВ не представляется возможным из-за недопустимого нагрева проводов. Следующий вариант это две параллельные ЛЭП 110 кВ или одна ЛЭП 220 кВ.
Проблема с использованием двух параллельных ЛЭП 110 кВ состоит в том, что при ремонте или аварии на одной из них только 100% х (50/86) = 58% города сохранит энергопотребление. Остальные 42% должны быть отключены, чтобы избежать перегрева проводов оставшейся в работе ЛЭП. Понятно, что одиночная ЛЭП 220 кВ при ремонте или аварии оставляет уже весь город без света, зато она обойдется дешевле двух параллельных ЛЭП 110 кВ.
Выход видится в использовании двух параллельных ЛЭП 220 кВ, чтобы соблюсти условия по нагреву и не снизить надежность энергоснабжения. Но решают это деньги и…Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Если имеются деньги на этот вариант, то ПУЭ возражать не будут. Если же таких денег нет, дальнейшее зависит от категории городских потребителей.
http://geoenergetics.ru/2017/12/18/elektricheskaya-chast-elektrostancij/
Чтобы не раздувать текст, оговоримся, что в Новом Костыляе отсутствуют электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к прямому риску для жизни, массовому недоотпуску продукции и прочие критические нагрузки. Т.е. в соответствии с ПУЭ город относится к III категории электроприемников, электроснабжение которых можно выполнять от одного источника питания при условии, что его перерывы, необходимые для ремонта и замены поврежденного элемента, не превышают одних суток.
Оставим Новокостыляевским электросетям решать, успевают ли они при нужде доехать до места повреждения ЛЭП и починить её за одни сутки, а сами направимся к тому самому ближайшему энергоузлу.
Подстанции таких узлов выглядят примерно так:
Электрическая подстанция, Фото: pue8.ru
Трансформатор, Фото: ljplus.ru
Это не самый большой из возможных – скорее, средний среди больших. Его мощность 250 МВт. В данном случае он трансформирует напряжение 220 кВ в 110 кВ. А трансформацию генераторных напряжений мощных генераторов (800 МВт и более, обычно 24 кВ) в высокие напряжения (220 кВ и выше) осуществляют вот такие «гориллы»:
Большой силовой трансформатор постоянного тока, Фото: silovoytransformator.ru
Выключатели напряжений уровней 220-750 кВ, tdpermsnab.ru
Следует понимать, что высота данного выключателя 18 метров. А разлет его толстых и тяжелых фарфоровых осколков при взрыве, если выключатель не справился с отключением тока нагрузки или короткого замыкания, составляет примерно 200 метров. Отсюда видно, что те, кто следит за здоровьем таких выключателей, как и за здоровьем показанных выше трансформаторов, должны обладать определенным уровнем знаний и умений. В противном случае одна безграмотная ошибка может покалечить людей, дорогостоящее оборудование на миллионы долларов, и в пределе лишить света… давайте посчитаем, сколько человек.
Выключатель на картинке (функционально неотличимый от выключателя на стене жилой комнаты) служит для коммутации 800 МВт доступной мощности. Разделим 800 на 86 -> получим 9 городов Новый Костыляй, или 900’000 жителей. На сколько часов или дней они останутся без света, нельзя предугадать, ибо это зависит от конфигурации питающих электросетей. Одно точно: экономия на зарплате персонала сетей и системы несет в себе возможность нешуточных потерь.
Последний раз автор статьи сталкивался с тяжелой аварией (уничтожение турбогенераторного блока стоимостью 60 млн долларов), это случилось при попытке сэкономить пять тысяч долларов в год на зарплате персонала. Итог: человек работает, допустим, 10 лет на одном месте -> экономия зарплаты 5 х 12 х 10 = 600 тысяч долларов. В этом случае компания ничего не потеряла бы, если бы наняла десяток таких вместо отказа одному, чьи компетенции позволяли избежать аварии. Однако оставим расчеты результативности HR эффективным менеджерам.
А что, если физически не хватает места для размещения подобных монстров? Тогда на помощь приходит элегаз.
Элегаз это гексафторид серы, SF6, обладающий высоким пробивным напряжением (примерно в 3 раза выше, чем у воздуха, при нормальном давлении) и за счет этого позволяющий уменьшить размеры изоляционных промежутков. Свое название он получил от сокращения «электрический газ». Его уникальные свойства были открыты в СССР в 30-х годах учёным Б. М. Гохбергом в ЛФТИ. Первое применение также началось в СССР.
В показанном выключателе элегаз выполняет функцию среды, в которой рвётся дуга. Межфазную изоляцию обеспечивает разнесение отдельных фаз в пространстве в воздухе. Подстанция, оснащенная такими выключателями, занимает площадь в тысячи квадратных метров. Но если её всю «засунуть» в элегаз, то её размеры заметно сократятся. Как на картинке внизу, где имеются не только четыре выключателя, но и разъединители с заземляющими устройствами плюс система шин. Такие распределительные устройства называются КРУЭ (комплектное распределительное устройство элегазовое).
Комплектное распределительное устройство элегазовое, Фото: cdn2.primamedia.ru
Итак, мы взяли от узловой подстанции нитку ЛЭП 220 кВ и протянули её к Новому Костыляю. А именно к городской распределительной подстанции, которая вполне может выглядеть как на картинке внизу. На ней видны открытое распределительное устройство (ОРУ) 220 кВ, два трансформатора 220/10 кВ и закрытое распределительное устройство (ЗРУ) 10 кВ. За кадром остались выключатели и разъединители 220 кВ и прочее вспомогательное оборудование.
Зачем нужны два трансформатора? Затем, что если ЛЭП можно еще успеть починить за сутки, то при некоторых неисправностях трансформатора его не починить и за месяц. Поэтому каждый из этих трансформаторов должен быть в состоянии нести полную городскую нагрузку.
А почему вторичное напряжение выбрано 10 кВ? Потому что город небольшой и весь умещается на площади 5 х 5 км.
Два трансформатора на ОРУ, Фото: garant-energo.com.ua
На входе ЗРУ 10 кВ стоит вводной выключатель, рассчитанный на полную городскую нагрузку и питающий шины, от которых отходит множество фидеров со своими выключателями меньшего номинала, в общем случае по числу районов города. Полной аналогией будет вводной автомат на входе в квартирный щиток – он тоже рассчитан на полную нагрузку квартиры, а далее от него запитываются автоматы меньшего номинала для каждой отдельной комнаты, ванны, кухонной плиты и т.д.
Почему нельзя поставить одинаковые выключатели/автоматы, запитанные от тех же шин? Во первых, потому что чем выше номинальный ток любого аппарата, тем он дороже. Во вторых, не вдаваясь в детали селективности релейных защит, так проще отстроить ток срабатывания защиты выключателя/автомата с большим номинальным током от тех, у кого он меньше. В противном случае при коротком замыкании в проводке одной комнаты станет отключаться вводной автомат в квартиру, а то и вводной автомат на весь подъезд или дом.
ЗРУ 10 кВ может быть оборудовано как масляными выключателями, так и вакуумными или элегазовыми. Эти термины означают изолирующую среду, в которой выключатель рвёт дугу, когда сходятся/расходятся его контакты: масло, вакуум или элегаз. На картинке внизу изображено ЗРУ 10 кВ с вакуумными выключателями; один из них извлечен из силового щита и лежит на сервисной тележке.
Вакуумные выключатели для ЗРУ 10 кВ, Фото: svsdnepr.com.ua
Далее отходящие от ЗРУ кабели или ЛЭП разбегаются по городу и заканчиваются у комплектных трансформаторных подстанций (КТП), которые каждый может видеть много где. Выглядят они по разному – от сидящего на столбе трансформатора с разъединителем и дуго-гасителем для пары-тройки частных домов до полноразмерных ЗРУ с двумя трансформаторами, силовым щитом 10 кВ и распределительным 0.4 кВ. Последняя версия представлена на картинке ниже.
Комплектная трансформаторная подстанция, Фото: mrsk-ural.ru
От распределительного 0.4 кВ щита КТП кабели расходятся по нагрузкам – в нашем конкретном случае они, скорее всего, заканчиваются на вводных автоматах распределительных щитов домов. Такой щит может выглядеть, например, вот так (естественно, с установленными панелями и дверями):
Распределительный щит дома, Фото: vse-e.com
Здесь виден вводной выключатель (справа), питающий общие шины, и восемь отходящих от них автоматов (по числу подъездов, например). Кабель от каждого автомата соединит соответствующий подъездный распределительный щит (РЩ) с общедомовым щитом
РЩ подъезда в общем случае может выглядеть как на картинке внизу. Автоматы всё еще 3-фазные для более равномерного распределения нагрузки по фазам. От них кабели идут на этажные щиты.
Распределительный щит подъезда, static.baza.farpost.ru
Распределительный щит этажный на 4 квартиры, emtika.ru
Вводной автомат 3-фазный, все остальные – однофазные, от которых кабель идет в каждую отдельную квартиру. Квартирный щит, в свою очередь, не сильно отличается видом, разве что в нем обязательно будет установлен счетчик электроэнергии.
Напоследок стоит отметить, что всё описанное в этой статье электрохозяйство любых уровней напряжения до вводных выключателей потребителя (в описанном выше случае, до зажимов вводного выключателя дома) является зоной ответственности Федеральной Сетевой Компании Единой Энергетической Системы («ФСК ЕЭС»). Эта организация является одним из элементов гарантии целостности государства, занимаясь поддержанием в надлежащем состоянии электрических сетей и техническим надзором за состоянием сетевых объектов наряду с прочими направлениями работы.
Источник.
Автор не совсем в теме, ЗРУ-110кВ на фото обозвал ЗРУ-10кВ с вакуумными выключателями, ответственность нескольких компаний возложил на ФСК, хотя те сетями с напряжением ниже 220 кВ отродясь не занимались. Ну а так все более менее правдоподобно. Хотя по расчету нагрузки Костыляя тоже накосячил, если так считать то никаких сетей не хватит. Напряжение 1150 кВт было только запроектировано, но никогда не использовалось. В основном межрегиональные сети используют напряжение 500 кВ редко 220кВ, 330кВ.