Электрооборудование энергетических систем


В. С. Бойчук, А. В. Куксин











ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебное пособие














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

 УДК 621.311
 ББК 31.2
     Б77

Рецензент: главный инженер филиала
     ПАО «МРСК Центра» - „Воронежэнерго”» А. А. Бурков




     Бойчук, В. С.

Б77 Электрооборудование энергетических систем : учебное пособие / В. С. Бойчук, А. В. Куксин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 268 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0761-8

     Рассмотрены основные части энергосистемы, технические характеристики и особенности конструкций современных синхронных генераторов и компенсаторов. Описаны типы силовых трансформаторов и автотрансформаторов и их параметры, способы заземления нейтралей, причины и последствия коротких замыканий, типы разъединителей, отделителей, короткозамыкателей. Приведены конструктивные особенности высоковольтных выключателей и проводников, токоограничивающих и дугогасящих реакторов, измерительных трансформаторов тока и напряжения, а также закрытых распределительных устройств.
     Для студентов и аспирантов электроэнергетических специальностей. Может быть полезно специалистам в области электроэнергетики и электротехники.

УДК 621.311
ББК31.2




  ISBN 978-5-9729-0761-8 © Бойчук В. С., Куксин А. В., 2021
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

Содержание


 Глава 1. Характеристика элементов энергосистемы. Номинальное напряжение электроустановок. Общие сведения о потребителях электрической энергии.......... 6
   1.1. Характеристика элементов энергосистемы.......... 6
   1.2. Номинальное напряжение электроустановок......... 9
   1.3. Общие сведения о потребителях электрической энергии... 9
 Глава 2. Основные части энергосистемы: электростанции, межсистемные связи, подстанции, районные электрические сети и местные распределительные сети... 12
   2.1. Типы и виды электростанций..................... 12
   2.2. Электрические сети.............................. 16
   2.3. Распределительные электрические сети 0,38-20 кВ. 19
   2.4.  Воздушные линии электропередачи с неизолированными проводами межсистемных, районных, местных электрических сетей   20
   2.5. Электрическиеподстанции......................... 40
 Глава 3. Основные технические характеристики и особенности конструкций современных синхронных генераторов и компенсаторов различных типов. Системы охлаждения. Системы возбуждения. Автоматическое гашение поля (АГП). Устройство формировки систем возбуждения. Характеристика режимов работы............. 41
   3.1. Основные параметры синхронных генераторов....... 41
   3.2. Системы охлаждения............................. 42
   З.З. Системавозбуждения............................. 59
   3.4. Автоматическое гашение поля генератора.......... 70
 Глава 4. Типы силовых трансформаторов и автотрансформаторов и их параметры. Системы охлаждения. Конструктивные особенности трансформаторов и автотрансформаторов различных классов напряжения.
 Нагрузочная способность. Перегрузочная способность..... ⁷⁶
   4.1.  Типы силовых трансформаторов и автотрансформаторов иихпараметры.......................................... 76

3

   4.2. Системы охлаждения............................. 86
   4.3. Конструктивные особенности трансформаторов и автотрансформаторов различных классов напряжения... 92
   4.4. Нагрузочная и перегрузочная способность....... 122
 Глава 5. Способы заземления нейтралей. Режимы работы.
 Типы и конструкции устройств для регулирования напряжения трансформаторов и автотрансформаторов..... 126
   5.1. Способы заземления нейтрали................... 126
   5.2. Типы и конструкции устройств для регулирования напряжения......................................... 129
 Глава 6. Причины и последствия коротких замыканий (КЗ). Виды КЗ. Методы расчетов токов однофазного, двухфазного и трехфазного КЗ. Определение предельных токов КЗ. Применение ЭВМ для расчетов токов КЗ.
 Методы ограничения токов КЗ.......................... 135
   6.1. Причины и последствия коротких замыканий...... 135
   6.2. Методы расчётов токов однофазного, двухфазного и трехфазного КЗ..................................... 137
   6.3. Методы ограничения токов КЗ................... 143
 Глава 7. Типы разъединителей, отделителей, короткозамыкателей. Конструктивные особенности....... 159
   7.1. Типы разъединителей и отделителей............. 159
   7.2.  Конструктивные особенности разъединителей иотделителей......................................... 171
 Глава 8. Типы высоковольтных выключателей. Их параметры и конструкция. Принцип гашения дуги. Типы приводов............................................. 181
   8.1. Масляные выключатели.......................... 181
   8.2. Воздушные выключатели......................... 192
   8.3. Вакуумные выключатели 6-110 кВ................ 197
   8.4. Элегазовые выключатели........................ 206
 Глава 9. Токоограничивающие реакторы, дугогасящие реакторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения, их конструкция, назначение.
 Принцип работы....................................... 218

4

   9.1. Измерительные трансформаторы тока.............. 218
   9.2. Измерительные трансформаторы напряжения........ 223
 Глава 10. Типы проводников, применяемых
 на электростанциях и подстанциях. Комплектные токопроводы, их конструкции и выбор. Основные характеристики изоляторов и их выбор................ 237
   10.1.  Типы проводников, применяемых на электростанциях и подстанциях......................................... 237
   10.2. Комплектныетокопроводы........................ 242
   10.3. Основные характеристики изоляторов и их выбор. 246
 Глава 11. Закрытые распределительные устройства.
 Комплектные трансформаторные подстанции. Открытые распределительные устройства............... 255
   11.1. Закрытое распределительное устройство (ЗРУ)... 255
   11.2. Комплектные трансформаторные подстанции..... 259
 Списоклитературы...................................... 265

5

     Глава 1. Характеристика элементов энергосистемы. Номинальное напряжение электроустановок. Общие сведения о потребителях электрической энергии

     1.1. Характеристика элементов энергосистемы

     Электрические системы, совокупность объединённых для параллельной работы электростанций, линии электропередачи, преобразовательных подстанций и потребителей электроэнергии. Электрические системы имеет общий резерв и централизованное оперативно-диспетчерское управление для координации работы станций, подстанций и сетей. Часто электрические системы отождествляют с электроэнергетическими системами (ЭЭС), охватывающими теплоэлектроцентрали и тепловые сети. Электроэнергетическая система наряду с централизованным электроснабжением осуществляет централизованное теплоснабжение городов и промышленных центров. В научнотехническом плане переход к более широкому понятию -«ЭЭС» означает рассмотрение и не только электрической части системы и происходящих в ней электрических и электромеханических процессов, но и учёт связанных и с ними механических и тепломеханических процессов, протекающих в турбинах, котлах, трубопроводах. ЭЭС различают по установленной мощности, наличию связей с другими системами, структуре, генерирующим мощностям, территориальному охвату, плотности нагрузки, конфигурации. По установленной мощности системы разделяются (в первом приближении) на 3 группы: системы мощностью свыше 5 ГВт, от 1 до 5 ГВт, до 1 ГВт (к последней группе относятся также автономные системы электроснабжения, в том числе системы подвижных объектов - кораблей, самолётов и др.). Структура ЭЭС и установленная мощность зависят от типа и мощности входящих в систему электростанций (тепловых, гидроэлектрических, атомных и др.). Конфигурация ЭЭС и её коммутация могут быть различными (под конфигурацией системы понимается взаимное расположение вхо

6

дящих в ЭЭС электростанций, основных электрических сетей или, в случае объединённой системы, отдельных подсистем; под коммутацией ЭЭС понимаются связи между электростанциями и центрами потребления электроэнергии). Отдельные ЭЭС соединены между собой (в электрической части) магистральными связями, служащими для однонаправленной передачи мощности из одной системы в другую, и межсистемными связями, предназначенными для взаимного обмена мощностью. Работа электрической системы (или ЭЭС) характеризуется режимом - совокупностью процессов, определяющих в любой момент времени значения мощностей, напряжений, токов, частоты и других величин, меняющихся в процессе работы системы. Различают установившийся и переходный режимы работы ЭЭС. При установившемся режиме ЭЭС мощность, напряжения, токи и т. д. практически неизменны; при переходном режиме они меняются либо в результате управления, т. н. целенаправленного воздействия персонала или автоматических устройств, - нормальные переходные процессы, либо под действием появившихся случайных возмущений, нарушающих режим системы, аварийные переходные процессы. Соответственно различают нормальный режим, т. е. работу ЭЭС в заданных условиях, при нормальных показателях электроэнергии качества, и аварийный режим, т. е. работу ЭЭС при возникновении в ней аварий, или при показателях качества электроэнергии, отличных от нормальных. После-аварийный режим определяется как состояние системы после устранения аварийных условий. Качество работы электрическое системы в первую очередь зависит от надёжности электроснабжения и показателей качества электроэнергии. Надёжность ЭЭС в целом определяется главным образом устойчивостью э. с. и их способностью противостоять развитию аварий, т. е. живучестью системы. Надёжная работа ЭЭС при авариях в значительной мере обеспечивается противоаварийной автоматикой, содержащей автоматическое регулирование возбуждения, релейную защиту, а также профилактическую защиту, сообщающую о состоянии элементов системы и возникающей опасности их отказа. Проти
7

воаварийная автоматика содержит автоматическую разгрузку по частоте (АРЧ), а в ряде случаев и по напряжению (отключение части потребителей при опасном изменении этих параметров режима), автоматическое включение резерва (АРВ), автоматическое повторное включение (АПВ) элементов системы, автоматическую ликвидацию асинхронного хода у части системы, а также ряд других мероприятий. Основная задача ЭЭС - обеспечить централизованное энергоснабжение при едином оперативно-диспетчерском регулировании процессов производства, передачи и распределения электроэнергии. В СССР управление работой ЭЭС возложено на диспетчерские службы районных энергоуправлений, подчинённых объединённым диспетчерским управлениям (ОДУ) ЭЭС. Оперативно-диспетчерское управление работой объединённых ЭЭС (ОЭЭС) осуществляется Центральным диспетчерским управлением Единой энергетической системы СССР. Достижение оптимального уровня электрификации страны при наиболее экономичном и бесперебойном электроснабжении требует решения многих научных задач, в том числе по оптимизации развития и оперативному управлению работой ЭЭС. При решении этих задач широко используют системный подход, системный анализ и средства кибернетики.
     Создание ЭЭС обеспечивает экономически целесообразное увеличение мощности электрических станций и энергоагрегатов; повышает надёжность энергоснабжения за счёт более гибкого маневрирования резервами электрической системы; снижает общий (совмещенный) максимум нагрузки вследствие несовпадения суточных пиков нагрузки по отд. районам, что приводит к снижению потребной мощности в объединённой энергосистеме; позволяетустанавливать наиболее выгодные режимы работы для различных типов электростанций и агрегатов; способствует сокращению перевозок топлива и широкому использованию гидроэнергетических ресурсов, часто удалённых от основных потребителей электроэнергии на значительные расстояния.

8

     1.2. Номинальное напряжение электроустановок


     Преимущественное распространение получила электрическая сеть переменного тока. В СССР приняты номинальные напряжения для таких ЭС: 12, 24, 36, 48, 60, 127, 220, 380, 660 В; 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ. Электрическая сеть напряжением до 220 В применяют для питания электроприёмников малой мощности (осветительные бытовые приборы, электрические аппараты и др.). В условиях повышенной опасности, например, для местного освещения рабочих мест на промышленных предприятиях, используют напряжение не выше 36 В, а в шахтах - 12 В. Электрическая сеть напряжением 380 В - 10 кВ предназначаются для питания более мощных электроприёмников, главным образом крупных электродвигателей. Электрическая сеть напряжением 6 кВ и выше используют в основном для передачи и распределения электроэнергии с последующим понижением напряжения. Питающие сети и большая часть распределит, сетей выполняются воздушными линиями электропередачи. Однако в плотно застроенной местности, в районах с тяжёлыми климатическими условиями (часты гололёд, ветры, грозы), с ценными сельскохозяйственными угодьями и т. п. получили распространение кабельные электрические сети, которые выполняются главным образом подземными, а также подводными, в некоторых случаях - надземными.

     1.3.     Общие сведения о потребителях электрической энергии

     В настоящее время отрасли промышленности объединены в следующие комплексы: топливно-энергетический, металлургический, машиностроительный, химико-лесной, агропромышленный, социальный, строительный комплекс и военнопромышленный.
     Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) включает угольную, газовую, нефтяную, торфяную и сланцевую про

9

мышленности, энергетику, отрасли по производству энергетического и других видов оборудования. Все эти отрасли объединены общей целью - удовлетворение потребностей народного хозяйства в топливе, тепле, электроэнергии.
     Металлургический комплекс (МК) представляет собой интегрированную систему отраслей черной и цветной металлургии, металлургического, горного машиностроения и ремонтной базы.
     Машиностроительный комплекс представляет собой совокупность отраслей машиностроения, металлообработки и ремонтного производства. Ведущими отраслями комплекса являются общее машиностроение, электротехника и радиоэлектроника, транспортное машиностроение, а также производство ЭВМ.
     Химико-лесной комплекс представляет собой интегрированную систему химической, нефтехимической, лесной, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной и лесохимической промышленности, машиностроения и других отраслей.
     Агропромышленный комплекс (АПК) характеризуется тем, что в его состав входят разнородные по своей технологии и производственной направленности отрасли экономики: система сельского хозяйства, отрасли перерабатывающей промышленности, комбикормовая и микробиологическая промышленность, сельскохозяйственное машиностроение, машиностроение для легкой и пищевой промышленности. В деятельности АПК принимает прямое или косвенное участие около 80 отраслей. Аграрно-промышленный комплекс можно рассматривать как совокупность технологически и экономически связанных звеньев народного хозяйства, конечным результатом деятельности которых является наиболее полное удовлетворение потребностей населения в продовольствии и непродовольственных товарах, производимых из сельскохозяйственного сырья.
     Строительный комплекс включает систему отраслей строительства, промышленность строительных материалов, машиностроение, ремонтную базу.

10

    Социальный комплекс объединяет более чем 20 подотраслей легкой промышленности, которые могут быть объединены в три основные группы: текстильная; швейная; кожевенная, меховая, обувная - производящие товары народного потребления.
    Военно-промышленный комплекс (ВПК) представлен отраслями и видами деятельности, ориентированными на удовлетворение потребностей Вооруженных Сил.

11

     2.     Основные части энергосистемы: электростанции, межсистемные связи, подстанции, районные электрические сети и местные распределительные сети

     ...
     2.1. Типы и виды электростанции

     Электростанция, электрическая станция, совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории. В зависимости от источника энергии различают тепловые электростанции, гидроэлектрические станции, гидроаккумулирующие электростанции, атомные электростанции, а также приливные электростанции, ветроэлектростанции, геотермические электростанции и электростанция с магнитогидродинамическим генератором.
     Тепловые электростанции (ТЭС) являются основой электроэнергетики; они вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. По виду энергетического оборудования ТЭС подразделяют на паротурбинные, газотурбинные и дизельные. Основное энергетическое оборудование современных тепловых паротурбинных электростанций составляют котлоагрегаты, паровые турбины, турбогенераторы, а также пароперегреватели, питательные, конденсатные и циркуляционные насосы, конденсаторы, воздухоподогреватели, электрические распределительные устройства.
     Паротурбинные электростанции подразделяются на конденсационные электростанции и теплоэлектроцентрали (теплофикационные электростанции).
     На конденсационных электростанциях (КЭС) тепло, полученное при сжигании топлива, передаётся в парогенераторе водяному пару, который поступает в конденсационную турбину, внутренняя энергия пара преобразуется в турбине в механическую энергию и затем электрическим генератором в элек

12

трический ток. Отработанный пар отводится в конденсатор, откуда конденсат пара перекачивается насосами обратно в парогенератор. КЭС, работающие в энергосистемах СССР, называются также ГРЭС. В отличие от КЭС на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) перегретый пар не полностью используется в турбинах, а частично отбирается для нужд теплофикации. Комбинированное использование тепла значительно повышает экономичность тепловых электростанций и существенно снижает стоимость 1 кВт/ч вырабатываемой ими электроэнергии. В 50-70-х гг. в электроэнергетике появились электроэнергетические установки с газовыми турбинами.
     Газотурбинные установки в 25-100 МВт используются в качестве резервных источников энергии для покрытия нагрузок в часы «пик» или в случае возникновения в энергосистемах аварийных ситуаций. Перспективно применение комбинированных парогазовых установок (ПГУ), в которых продукты сгорания и нагретый воздух поступают в газовую турбину, а тепло отработанных газов используется для подогрева воды или выработки пара для паровой турбины низкого давления.
     Дизельной электростанцией называется энергетическая установка, оборудованная одним или несколькими электрическими генераторами с приводом от дизелей. На стационарных дизельных электростанций устанавливаются 4-тактные дизель-агрегаты мощностью от 110 до 750 МВт; стационарные дизельные электростанции и энергопоезда (по эксплуатационным характеристикам они относятся к стационарным электростанциям) оснащаются несколькими дизельагрегатами и имеют мощность до10 МВт. Передвижные дизельные электростанции мощностью 25-150 кВт размещаются обычно в кузове автомобиля (полуприцепа) или на отдельных шасси либо на железнодорожной платформе, в вагоне. Дизельные электростанции используются в сельском хозяйстве, в лесной промышленности, в поисковых партиях и т. п. в качестве основного, резервного или аварийного источника электропитания силовых и осветительных сетей. На транспорте дизельные электростанции при

13