Электроэнергетические системы и сети

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ 
СИСТЕМЫ И СЕТИ

Учебное пособие

З-е издание

Москва

ИНФРА-М

2019

ФЗ

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

У Д К  
621.311(075.8)

ББК 
31.23я73 
Э45

Федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего образования 
«Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ)

Авторы:

О.М. Ларин, В.И. Бирюлин, А.Н. Горлов, А.С. Романченко, 
В.Н. Алябьев, А.О. Танцюра, А.О. Гладышкин, Е.А. Быканов, С.С. Бабенков

Р е ц е н з е н т :

В.А. 
Подчукаев 
— 
доктор 
технических 
наук, 
профессор, 
заведующий кафедрой «Информационные системы и технологии» СГАУ 
имени Н.И. Вавилова, заслуженный деятель науки РФ

Э45 
Электроэнергетические 
системы 
и 
сети 
: учебное

пособие / О.М. Ларин, В.И. Бирюлин, А.Н. Горлов [и др.]. — 3-е 
изд. — Москва : ИНФРА-М, 2019. — 130 с.

ISBN 978-5-16-108184-6 (online)

Содержание учебного пособия включает в себя основные сведения 
о 
проектировании 
электрических 
сетей, 
режимах 
работы 
электроэнергетических систем, алгоритмах расчета установившихся 
режимов 
сложных 
электрических 
сетей 
и 
конструкции 
линий 
электропередачи.

Соответствует 
требованиям 
федеральных 
государственных 
образовательных стандартов высшего образования последнего поколения 
по 
направлению 
подготовки 
13.03.02 
«Электроэнергетика 
и электротехника».

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 
подготовки 
13.03.02 
«Электроэнергетика 
и 
электротехника» 
и специалистов, занимающихся проектированием и эксплуатацией 
электрических сетей.

УДК 621.311(075.8) 
ББК 31.23я73

ISBN 978-5-16-108184-6 (online)
© Коллектив авторов, 2019

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие_______3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ................................................................................................3

ПРЕДИСЛОВИЕ..............................................................................................6

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................7
Глава 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ................................................................ 9

1.1. Основные определения и понятия.......................................................... 9

1.2. Номинальные напряжения.................................................................... 11

Глава 2. КОНСТРУКЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ..................................................................15

2.1. Общие сведения о воздушных линиях электропередачи....................15
2.2. Провода и грозозащитные тросы воздушных линий..........................16
2.3. Опоры воздушных линий......................................................................22
2.4. Изоляторы и линейная арматура.......................................................... 28

Глава 3. РЕЖИМ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ ПО АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ...........................33

3.1. Баланс активной мощности................................................................... 33
3.2. Регулирование частоты в изолированной ЭЭС.................................. 35

3.3. Регулирование частоты в объединенной ЭЭС.................................... 37

Глава 4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПО

РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ....................................................41

4.1. Баланс реактивной мощности............................................................... 41
4.2. Средства компенсации реактивной мощности................................... 43

4.3. Размещение компенсирующих устройств........................................... 46

Глава 5. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СЕТЕЙ....................... 
 
51

5.1. Общие сведения о проектировании электрических сетей...................51

5.2. Определение электрических нагрузок..................................................52

5.3. Выбор номинального напряжения электрической сети.............. 54

5.4. Схемы электрических сетей...................................................................55
5.5. Выбор сечений проводов воздушных линий.......................................58

5.6. Выбор сечений жил кабельных линии..................................................64

Глава 6. РАСЧЕТ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ........................................................69

6.1. Общие положения.................................................................................. 69
6.2. Линейные уравнения узловых напряжений.........................................69

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие

6.3. Методы решения уравнений узловых напряжений.......................... 74

Глава 7. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ЕЕ

ПЕРЕДАЧЕ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЕТЯМ.......................78

7.1. Структура технологических потерь электроэнергии при ее передаче

по электрическим сетям......................................................................78

7.2. Общие принципы нормирования технологических потерь

электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям..............79

7.3. Методика расчета технологических потерь электроэнергии при ее

передаче по электрическим сетям в базовом периоде.....................83

7.3.1. Методы расчета условно-постоянных потерь (не зависящих от

нагрузки).............................................................................................83

7.3.2. Расчет активных сопротивлений линий, шинопроводов, обмоток

трансформаторов (автотрансформаторов)......................................91

7.3.3. Методы расчета нагрузочных потерь электроэнергии..................94
7.3.4. Методы расчета нагрузочных потерь электроэнергии в

электрической сети в целом.............................................................99

7.3.5. Порядок расчета потерь, обусловленных допустимыми

погрешностями системы учета электроэнергии........................... 107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................109

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................................110

Приложение А ...............................................................................................113

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие
5

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное учебное пособие подготовлено на кафедре электроснабжения 
«Юго-Западного государственного университета» для самостоятельной 
работы студентов направления подготовки бакалавров 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по дисциплине «Электроэнергетические 
системы и сети».

В учебном пособии обобщен многолетний опыт постановки и преподавания на кафедре электроснабжения дисциплин «Электроэнергетика», 
«Электрические сети и системы», «Электроэнергетические системы и сети», «Электропитающие системы и электрические сети».

Учебное пособие состоит из 7 глав, введения, заключения, библиографического списка и приложения. В конце каждого раздела приводятся 
контрольные вопросы для самопроверки усвоения материала.

В главе 1 приведены основные сведения и определения по курсу 
«Электроэнергетических систем и сетей».

Глава 2 посвящена изучению конструкций воздушных линий электропередачи.

В главе 3 рассмотрены режимы работы электроэнергетических систем 
по активной мощности. Здесь освещены вопросы баланса активной мощности, регулирования частоты в энергосистеме и распределения активной 
мощности между агрегатами станции и между станциями энергосистемы.

Глава 4 посвящена режимам работы электрических сетей по реактивной мощности; здесь рассмотрен баланс реактивной мощности, выбор и 
размещение компенсирующих устройств в электрических сетях.

В главе 5 изложены вопросы проектирования электрических сетей.
В главе 6 приведены алгоритмы расчета установившихся режимов 
работы электрических сетей любой конфигурации, рассмотрены методы 
решения уравнений установившихся режимов, реализуемые посредством 
программного обеспечения.

В главе 7 приведены основные сведения по потерям мощности и 
энергии в электрических сетях и оценке величины этих потерь.

В приложении приведен пример решения задачи проектирования 
электрической сети.

Библиографический список содержит сведения об источниках, необходимых для углубленного изучения отдельных вопросов.

Авторы надеются, что учебное пособие поможет студентам получить 
необходимые для будущей работы навыки проектирования и сориентироваться в большом количестве специальной и справочной литературы.

Все замечания и предложения по данной работе будут с благодарностью приняты по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94, ЮЗ- 
ГУ, кафедра «Электроснабжение».

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие
7

ВВЕДЕНИЕ

Начало развития электрических систем в нашей стране было положено планом ГОЭЛРО -  планом электрификации России. Его идеи привели к созданию объединенных энергетических систем, в том числе и единой энергетической системы (ЕЭС). Задачу проектирования электрических систем следует рассматривать как задачу развития единой энергетической системы России. При проектировании электрических систем важно 
учитывать интересы и специфику административных и экономических 
районов. Поэтому проектирование ЕЭС России должно основываться на 
учете развития энергосистем и их объединений.

В соответствии с основными положениями Энергетической программы на длительную перспективу в ближайшие два десятилетия намечено завершение формирования ЕЭС страны, сооружение магистральных 
линий электропередачи напряжением 1150 кВ постоянного тока.

С технологических позиций энергетика является сферой экономики, 
охватывающей добычу энергоресурсов, производство, преобразование, 
транспортировку и использование различных видов энергии. В современном представлении перечисленная совокупность процессов эффективно 
используется при ее организации по принципу «большой системы», в качестве которой выступает топливно-энергетический комплекс (ТЭК).

Энергоснабжающая система, как подсистема ТЭК, включает в себя 
установки, обеспечивающие потребителей электрической и тепловой 
энергией.

Создание мощных электрических систем обусловлено их большими 
технико-экономическими преимуществами. С увеличением их мощности 
появляется возможность сооружения более крупных электрических станций с более экономичными агрегатами, повышается надежность электроснабжения потребителей, более полно и рационально используется оборудование.

Формирование электрических систем осуществляется с помощью 
электрических сетей, которые выполняют функции передачи энергии и 
электроснабжения потребителей.

Вопросы обеспечения работоспособности электросетевых объектов 
в настоящее время как никогда актуальны для России.

С одной стороны, износ активной части фондов в электроэнергетике 
по данным экспертов составляет 60-65 %. В частности, воздушные линии 
электропередачи (ВЛ) активно сооружались и вводились в эксплуатацию в 
60-х -  70-х годах прошлого столетия, и в настоящее время складывается 
ситуация массового окончания нормативного срока их службы.

С другой стороны, из-за недостаточной мощности ВЛ, связывающих 
Дальний Восток, Сибирь и европейскую часть страны, до сих пор остается 
невостребованным энергетический потенциал сибирских гидроэлектро8
Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие

станций: «запертые» мощности в этом регионе составляют порядка 7-10 
млн.кВт. Развитие межсистемных ВЛ позволило бы снять напряженность 
нагрузки в перегруженных энергосистемах европейской части России.

Таким образом, одними из основных направлений развития электроэнергетики на ближайшее время считается строительство новых магистральных сетей для передачи электроэнергии от вновь строящихся и действующих станций в узлы с большой электрической нагрузкой, а также реконструкция уже существующих ВЛ с целью повышения их пропускной 
способности и надежности.

Целью изучения дисциплины «Электроэнергетические системы и сети» является получение студентами базовых знаний в области проектирования и эксплуатации электроэнергетических систем и сетей различного 
иерархического уровня.

В процессе изучения дисциплины будущий специалист должен узнать:

-  режимы работы электроэнергетических систем, способы регулирования частоты в энергосистеме, методы и средства регулирования напряжения и потоков реактивной мощности в электрических сетях.

Кроме того, будущий специалист должен научиться:
-  проектировать электрическую сеть, обосновывать ее параметры и 
выбирать основное электрическое оборудование;

-  выполнять расчеты различных режимов электрических сетей, а для 
этого знать основы математического моделирования режимов, методы 
расчета режимов, программное обеспечение современных персональных 
компьютеров, уметь им пользоваться;

-  оптимизировать режимы работы электрических сетей, оценивать 
потери мощности и энергии в электрической сети, знать способы уменьшения этих потерь.

Материал, излагаемый в учебном пособии, базируется на знании основ математики, физики, теоретической электротехники.

Материал дисциплины «Электроэнергетические системы и сети» непосредственно связан с материалом специальных дисциплин и дисциплин 
специализации, таких как «Электрические станции и подстанции», «Системы электроснабжения», «Переходные процессы в электроэнергетических системах», «Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения».

Освоение материала дисциплины поможет при выполнении курсовых проектов и работ по другим дисциплинам, а также при работе над выпускной квалификационной работой по направлению 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника».

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие
9

Глава 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Основные определения и понятия

Совокупность взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенных для производства или преобразования, передачи, распределения или потребления электрической энергии, называется электроустановкой.

Электроустановка, на которой вырабатывается электрическая, а нередко и тепловая энергия, называется электростанцией.

Электроэнергия, вырабатываемая на электростанции, поступает на 
электрические подстанции, на которых происходит преобразование электроэнергии по напряжению, частоте или роду тока.

Электрическая подстанция, предназначенная для преобразования 
электрической энергии одного напряжения в энергию другого напряжения 
с помощью трансформаторов, называется трансформаторной подстанцией.

Приемник электрической энергии (электроприемник) -  устройство в 
котором происходит преобразование электрической энергии в другой вид 
энергии для ее использования.

Энергетическая система (энергосистема) представляет собой совокупность электростанций, тепловых и электрических сетей, соединенных 
между собой и связанных общностью режимов в непрерывном процессе 
производства, преобразования, передачи и распределения электрической и 
тепловой энергии при общем управлении этим режимом.

Электрическая часть энергосистемы (электропитающая система) 
-  это совокупность электроустановок электрических станций и электрических сетей энергосистемы.

Электроэнергетическая система -  это электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электрической энергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии.

Электрическая сеть -  совокупность электроустановок для передачи 
и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций и линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Электрическая сеть делится на основную и распределительную.
Основная электрической сеть обеспечивает связь между крупными 
электростанциями и передачу мощности от этих станций в районы потребления электроэнергии.

Распределительная электрическая сеть обеспечивает передачу 
электроэнергии от подстанций основной сети и от небольших электростанций к потребителям электроэнергии.

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие

Достаточно широким является понятие система электроснабжения, 
представляющая собой совокупность электроустановок, предназначенных 
для обеспечения потребителей электрической энергией.

Энергосистемы имеют иерархическую структуру, уровнями которой 
являются страна (государство), район, крупный промышленный, транспортный или сельскохозяйственный узел, отдельное предприятие. Уровню 
страны обычно соответствуют единые энергетические системы; уровню 
нескольких районов -  объединенные энергетические системы; уровню одного района — районные энергосистемы, уровню объекта, не связанного с 
другими системами, -  автономные энергосистемы.

Объединение изолированных станций и создание энергосистем дает 
ряд технических и экономических преимуществ:

1. повышает надежность и экономичность электроснабжения;
2. позволяет производить такое распределение нагрузки между 
станциями, при котором достигается наиболее экономичная выработка 
электроэнергии в целом по системе при наилучшем использовании энергетических ресурсов района (топлива, водной энергии);

3. улучшает качество электроэнергии, т.е. обеспечивает постоянство 
частоты и напряжения, так как колебания нагрузки воспринимаются 
большим количеством агрегатов;

4. при параллельной работе нескольких станций нет необходимости 
устанавливать резервные агрегаты на каждой станции, а достаточно иметь 
общую для всей энергосистемы резервную мощность, величина которой 
составляет обычно порядка 10 -  12 % мощности агрегатов системы, но не 
менее мощности самого крупного агрегата, установленного на станциях 
системы (на случай аварийного отключения или планового ремонта).

Основная специфика свойств энергосистемы проявляется в следующем:

-  совокупность больших систем энергетики существует как единое 
материальное целое, причем целостность их обусловлена внутренними 
связями и взаимозаменяемостью продукции, подсистем и отдельных элементов;

-  универсальность и большая хозяйственная значимость производимой электроэнергии, следовательно, многочисленность внешних связей 
системы;

-  активное влияние энергосистемы на развитие и размещение производительных сил как на территории отдельного района, так и страны в 
целом;

-  неразрывность во времени большинства процессов производства и 
потребления энергии, следовательно, органичное включение потребителей 
энергии в структуру системы, отсюда особая важность управления режимами систем для обеспечения бесперебойной подачи энергии потребителю;

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие
11

-  невозможность изолированного выбора производительности и параметров отдельных элементов и связей вне их предполагаемого использования в системе; отсюда особая важность перспективного проектирования больших систем энергетики как единого целого;

-  сложность структуры энергосистем, обусловленная тем, что они 
формируются как единые системы страны и даже группы смежных стран.

Характерная особенность энергосистем заключается в том, что их 
физико-технические и экономические свойства тесно связаны между собой; например, усовершенствование энергетического оборудования в направлении повышения его КПД или улучшение его эксплуатационных характеристик, что приводит в конечном счете к снижению себестоимости 
вырабатываемой энергии.

Управление энергосистемами сводится к целенаправленному оптимизируемому воздействию на большую систему энергетики с помощью 
методов и технических средств кибернетики.

Цель управления энергосистемой -  это достижение в данном промежутке времени таких показателей ее работы, которые наиболее близко 
подходили бы к принятым критериям эффективности.

В процессе управления достигается состояние энергосистемы, при 
котором управляющие воздействия, осуществляемые целенаправленно в 
определенной зависимости от внешних условий, обеспечивают достижение поставленной цели.

Управление энергосистемой включает оптимизацию решений, т. е. 
определение наилучшего плана системы, и реализацию этих решений, т. е. 
осуществление этого плана в конкретных условиях.

Эффективность управления энергогосистемой в основном обеспечивается достижением оптимальных темпов и пропорций в развитии единого ТЭК и входящих в него энергетических подсистем, применением новой техники, которая могла бы обеспечить научно-технический прогресс в 
энергетике и своевременное развитие энергетической техники, наиболее 
рациональным (при сложившихся условиях) использованием всех материальных и трудовых ресурсов страны.

1.2. Номинальные напряжения

Электроэнергетика в России, странах ближнего зарубежья и в Европейских странах базируется на трехфазном переменном токе с частотой 50 
Гц (в США и в некоторых других странах принято 60 Гц). Применение 
трехфазного тока объясняется большей экономичностью сетей и установок трехфазного тока по сравнению с установками однофазного переменного тока, а также возможностью применения наиболее надежных, простых и экономичных асинхронных двигателей по сравнению с электродвигателями других типов.

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие

Наряду с трехфазным переменным током в некоторых отраслях 
промышленности применяют и постоянный ток (электролиз в химической 
промышленности и цветной металлургии, электрифицированный транспорт и др.).

Электрические сети по уровню напряжений принято делить на сети:
-  высокого напряжения - 110 кВ и выше (ВН);
-  среднего первого напряжения - 27,5 - 60 кВ (CHI);
-  среднего второго напряжения - 1 - 20 кВ (СНН);
-  низкого напряжения - 0,4 кВ и ниже (НН).
Номинальным напряжением сетей, генераторов, трансформаторов, 
приемников электроэнергии и т.д. называется то напряжение, при котором 
они предназначены для нормальной работы.

Принятые в России стандартные номинальные напряжения трехфазного переменного тока, соответствующие ГОСТ 2112-81 (установки до 
1000 В) и ГОСТ 721-77 (установки выше 1000 В), приведены в таблице 
1.1.

Значения напряжений, указанные в скобках, на вновь проектируемых установках не рекомендуются [2].

Номинальные напряжения генераторов приняты на 5 % выше номинальных напряжений соответствующих электрических сетей, чем учитываются потери напряжения в сетях.

Таблица 1.1. Номинальные напряжения трехфазного переменного тока

Номинальные напряжения
Наибольшее

рабочее

напряжение

Сети и 
приемники 
энергии

Г енераторы
Трансформаторы

Обмотка

ВН

Обмотка

НН

в вольтах

220
230
220
230

380
400
380
400

660
690
660
690

в киловольтах

(3)
3,15
3 и 3,15
3,15 и 3,3
3,5

(6)
6,3
6 и 6,3
6,3 и 6,6
6,9

10
10,5
10 и 10,5
10,5 и 11
11,5

20
21
20 и 21
21 и 22
23

35
35
38,5
40,5

110
110
121
126

(150)
150
165
172

220
220
242
252

330
330
347
363

500
500
525
525

750
750
787
787

1150
1150
1200
1200

Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие
13

Номинальные напряжения для генераторов мощностью от 100 МВт 
и выше, которые предназначены для работы в блоке с трансформаторами, 
в ГОСТе не указываются. Для них номинальные напряжения приведены в 
таблице 1.2.

Таблица 1.2. Номинальные напряжения для генераторов мощностью от

100 МВт

Мощность генератора, МВт
Номинальное напряжение, кВ

100
10,5-13,8

150
18

200
15,75

300
20

500
20; 36,75

800-1200
24

При выборе номинального напряжения сети учитываются следующие общие рекомендации:

-  напряжения 10 (6) кВ используются для промышленных, городских и сельскохозяйственных распределительных сетей; наибольшее распространение для таких сетей получило напряжение 10 кВ; применение 
напряжения 6 кВ для новых объектов не рекомендуется, но может использоваться при реконструкции существующей электрической сети при наличии в ней высоковольтных двигателей на такое напряжение;

-  в настоящее время в связи с ростом нагрузок коммунальнобытового сектора имеется тенденция к повышению напряжения распределительных сетей в крупных городах до 20 кВ;

-  напряжение 35 кВ широко используется для создания центров питания сельскохозяйственных распределительных сетей 10 кВ; в связи с 
ростом мощностей сельских потребителей для этих целей начинает применяться напряжение 110 кВ;

-  напряжения 110 -  220 кВ применяются для создания региональных распределительных сетей общего пользования и для внешнего электроснабжения крупных потребителей;

-  напряжения 330 кВ и выше используются для формирования системообразующих связей ЕЭС и для выдачи мощности крупными электростанциями.

Исторически в нашей стране сформировались две системы напряжений электрических сетей (110 кВ и выше). Одна система ПО (150), 330, 
750 кВ характерна в основном для Северо-запада, частично Центра и Северного Кавказа. Другая система 110, 220, 500 кВ характерна для большей 
части территории страны. Здесь в качестве следующей ступени принято 
напряжение 1150 кВ. Электропередача такого напряжения строилась в 80- 
х годах прошлого века и предназначалась для передачи электроэнергии из