Проектирование электрических сетей

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

С. С. Ананичева, Е. Н. Котова

ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 
СЕТЕЙ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки бакалавриата
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.311.1(075.8)
ББК 31.279-02я73
          А64
Рецензенты:
кафедра «Электроснабжения промышленных предприятий и сельско-
го хозяйства» Восточно-Сибирского государственного университета тех-
нологий и управления (завкафедрой канд. техн. наук, доц. В. В. Данеев);
канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Уральского отделения РАН П. Е. Мезенцев

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. С. Н. Шелюг

 
Ананичева, С. С.
А64    Проектирование электрических сетей : учеб. пособие / С. С. Анани-
чева, Е. Н. Котова. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 164 с.

ISBN 978-5-7996-2040-0

В учебном пособии изложены теоретические положения и рекомендации по ре-
шению задач проектирования электроэнергетических систем в рамках основных 
разделов дисциплины «Электрические системы и сети».

Библиогр.: 17 назв. Табл. 45. Рис. 39.

УДК 621.311.1(075.8)
ББК 31.279-02я73

Учебное издание

Ананичева Светлана Семеновна, Котова Елена Николаевна

Проектирование электрических сетей

Редактор Т. Е. Мерц
Верстка О. П. Игнатьевой

Подписано в печать 18.04.2017. Формат 70×100/16. Бумага писчая. Печать цифровая. 
Гарнитура Newton. Уч.-изд. л. 8,4. Усл. печ. л. 13,2. Тираж 50 экз. Заказ 67

Издательство Уральского университета 
Редакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: 8(343)375-48-25, 375-46-85, 374-19-41
E-mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ
620075, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: 8(343) 350-56-64, 350-90-13. 
Факс: 8(343) 358-93-06. E-mail: press-urfu@mail.ru

ISBN 978-5-7996-2040-0 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

1. Задачи прогнозирования и проектирования  
электрических систем

О

сновной задачей электроэнергетики является надежное и ка-
чественное электроснабжение потребителей электроэнергии 
как на существующем временном этапе, так и в перспекти-
ве. Определение перспективных потребностей в максимальной мощ-
ности и электроэнергии является задачей прогнозирования развития 
электроэнергетики как отрасли народного хозяйства с целью удовлет-
ворения указанных потребностей.
Прогнозирование величин электропотребления, а именно элек-
трических нагрузок и энергобалансов, в задачах развития следует вы-
полнять для широкого диапазона сроков (от года — двух до 20–30 лет) 
и различных территориальных подразделений (от объединенных энер-
госистем до конкретных узлов сети и отдельных потребителей). Про-
гнозирование нагрузки может быть выполнено различными методами, 
но независимо от использованного метода в результате определяют-
ся потребности в максимальной мощности и электроэнергии в виде 
некоторого диапазона возможных значений, то есть с частичной нео-
пределенностью. Причем чем больше срок прогнозирования, тем шире 
интервал неопределенности прогноза электрических нагрузок и элек-
тропотребления [1].
Решение проблемы прогнозирования и проектирования оптималь-
ного развития электроэнергетической системы относится к классу 
многокритериальных динамических задач. Вся совокупность критериев 
проектирования не может быть записана в аналитическом виде и зачастую 
является противоречивой. Технико-экономические характеристики 
элементов электрических систем, как правило, дискретны — это 
стандартные сечения линий электропередачи, номинальные мощности 
трансформаторов и так далее, а прогнозы потребностей в макси-

1. Задачи прогнозирования и проектирования электрических систем 

мальной мощности и электроэнергии носят, как отмечено выше, вероятностный 
и частично неопределенный характер.
В этих условиях решить задачу прогнозирования и проектирования 
оптимального развития электроэнергетической системы как обособленную 
практически невозможно, и поэтому проблема разбивается 
на ряд иерархически взаимосвязанных задач на основе системного 
похода. При этом выделяется задача проектирования оптимального 
развития электрической сети, которая, в свою очередь, заменяется 
выбором наиболее рационального решения из совокупности вариантов. 
Выбор наиболее рационального варианта выполняется по результатам 
анализа их сравнительной эффективности.
При анализе сравнительной эффективности вариантов возникают 
задачи разработки вариантов развития электрических сетей и их технико-
экономического обоснования. Варианты, определяющие развитие 
энергосистем, должны обеспечивать при наименьших экономических 
затратах снабжение потребителей электрической и тепловой 
энергией с учетом выполнения ограничений по всей совокупности 
критериев проектирования.
Следует отметить, что в зависимости от вида проектируемых сетей 
ранжировка критериев по степени их важности меняется [1–3]. Так, 
при разработке вариантов развития основных системообразуюших сетей 
на первое место выходят соблюдение технических условий, обеспечивающих 
надежность и живучесть электроэнергетических систем, 
и сохранение устойчивой работы систем в нормальных и послеаварий-
ных режимах. При проектировании распределительных электрических 
сетей в первую очередь должны соблюдаться условия надежного и качественного 
электроснабжения потребителей.
Проектирование энергосистем и электрических сетей осуществляется 
в иерархической последовательности и включает следующие ос-
новные уровни [2].

1. Разработка схемы развития единой энергосистемы (ЕЭС) и объ-
единенных энергосистем (ОЭС). В составе указанных работ вы-
полняется обоснование развития основной электрической сети, 
выбор конфигурации, основных параметров и очередности соору-
жения основной сети напряжением 500 кВ и выше (ЕЭС) и 220 кВ 
и выше (ОЭС). На уровне ЕЭС обосновывается развитие систе-
мообразующих связей, представляющих собой возможные связи 
с энергосистемами других государств, связи между отдельными 

1. Задачи прогнозирования и проектирования электрических систем 

ОЭС, а также важные магистрали внутри ОЭС, загрузка которых 
определяется режимом работы ЕЭС в целом. На уровне проек-
тирования сетей ОЭС осуществляется обоснование развития си-
стемообразующих связей ОЭС:
· сетей для выдачи мощности крупных электростанций;
· межсистемных связей между районными энергосистемами;
· наиболее важных внутренних связей районных энергосистем, 
загрузка которых определяется режимами работы ОЭС.

2. Разработка схем развития районных энергосистем (РЭС). Зада-
чами проектирования являются разработка и обоснование раз-
вития РЭС, определение очередности строительства сетей 110 кВ 
и выше с учетом перспективы.

3. Разработка схем развития распределительных сетей 110 кВ и выше 
для сетей энергосистемы в целом или для крупных энергосистем 
по отдельным сетевым районам (как правило, в границах отдель-
ной области). Схемы развития распределительных сетей 110 кВ 
и выше разрабатываются на основе решений, принятых по схе-
мам развития ОЭС и РЭС.

4. Разработка схем внешнего энергоснабжения объектов: элек-
трифицируемых участков железных дорог, нефте- и газопро-
водов, промышленных узлов, отдельных предприятий и др. 
Проектирование ведется в соответствии с намеченными срока-
ми строительства, расширением или реконструкцией объекта 
по заданию заказчиков работ (акционерных обществ, проект-
ных институтов отдельных отраслей, юридических и физиче-
ских лиц и др.).
Такая организация проектирования обеспечивает возможность кор-
ректировки ранее намеченных планов развития электрических сетей 
(в нереализованной части) на основе уточненной исходной информа-
ции. В процессе проектирования осуществляются взаимный обмен ин-
формацией и увязка решений по развитию электрических сетей раз-
личных назначений и напряжений.
В результате выполнения указанных работ формируются обосно-
вывающие материалы для определения экономической эффективно-
сти и целесообразности проектирования, строительства, расширения 
или реконструкции электросетевых объектов большой стоимости. По-
сле утверждения обосновывающих материалов начинается конкрет-
ное проектирование электросетевых объектов.

1. Задачи прогнозирования и проектирования электрических систем 

Проект развития электрических сетей выполняется в качестве са-
мостоятельной работы для каждого объекта «Схема развития электри-
ческой сети энергосистемы» (объединенной, районной, города, про-
мышленного узла и др.) или в виде единого проекта.
При различном составе и объеме задач, решаемых на отдельных 
уровнях проектирования электрических сетей, указанные работы 
включают следующие примерно одинаковые этапы [4, 5]:
· анализ существующей сети энергосистемы (района, города, объ-
екта), включающий ее рассмотрение с точки зрения загрузки, ус-
ловий регулирования напряжения, выявления «узких» мест;
· определение электрических нагрузок потребителей и составле-
ние балансов активной мощности по отдельным подстанциям 
и энергоузлам, обоснование сооружения новых подстанций и ли-
ний электропередачи;
· выбор расчетных режимов работы электростанций, если к рас-
сматриваемой сети присоединены электростанции, и определе-
ние загрузки проектируемой электрической сети;
· электрические расчеты различных режимов работы сети и обо-
снование схем построения сети на рассматриваемые расчет-
ные уровни; проверочные расчеты статической и динамической 
устойчивости параллельной работы электростанций (выполняют-
ся при проектировании электрических сетей объединенных или 
мощных отдельных энергосистем), выявление основных требо-
ваний к системной противоаварийной автоматике;
· составление баланса реактивной мощности и выявление условий 
регулирования напряжения в сети, обоснование пунктов разме-
щения компенсирующих устройств, их типов и мощности;
· расчеты токов короткого замыкания в проектируемой сети и уста-
новление требований к отключающей способности коммутаци-
онной аппаратуры, разработка предложений по ограничению то-
ков короткого замыкания;
· выбор и обоснование количества, мощности и мест установки 
дугогасящих реакторов для компенсации емкостных токов (как 
правило, производится для сетей 35 кВ и ниже);
·  сводные данные по намеченному объему развития электриче-
ской сети, натуральные и стоимостные показатели, очередность 
развития.

2. Критерии проектирования  
электрических систем

З

адачи прогнозирования и планирования развития электро-
энергетических систем, в том числе задача проектирования 
развития электрических сетей, относятся к классу многокри-
териальных задач.
Схемы электрических сетей должны обеспечить необходимую на-
дежность электроснабжения, требуемое качество энергии у потреби-
телей, возможность дальнейшего развития сети и подключения новых 
потребителей, удобство и безопасность эксплуатации [2]. При разра-
ботке схем развития электрических сетей должны быть учтены эко-
логические и социальные факторы. Требования по удовлетворению 
различных критериев обычно противоречивы. Так, повышение жи-
вучести и надежности схем электроснабжения потребителей обычно 
связано с увеличением капитальных вложений и эксплуатационных 
издержек в сети.
В связи с указанными обстоятельствами в проектной практике все 
критерии, за исключением экономического, учитываются в форме 
ограничений и поэтому задача проектирования развития электриче-
ских сетей сводится к принятию решения по одному экономическо-
му критерию [3–6].
Задача выбора оптимальной конфигурации электрической сети даже 
по одному экономическому критерию практически не может быть 
решена в связи с неудобными для оптимизации свойствами эконо-
мического функционала (динамический характер, наличие множе-
ства экстремумов, нелинейность, дискретность). Кроме того, как уже 
упоминалось, необходимо учитывать ограничения в форме равенств 
и неравенств по другим критериям проектирования. В этих условиях 
задача оптимизации конфигурации электрической сети по экономиче-
скому критерию заменяется решением задачи сравнения по технико-

2. Критерии проектирования электрических систем 

экономической эффективности некоторой совокупности вариантов. 
При разработке вариантов развития в первую очередь рассматрива-
ются конфигурации типовых схем [4–6], включающие разомкнутые 
радиальные и разветвленные схемы, схемы с двусторонним питани-
ем и кольцевые, сложнозамкнутые схемы. В технико-экономическом 
сравнении вариантов развития сети участвуют только такие варианты 
схем сетей, в которых потребители обеспечиваются электроэнергией 
требуемого качества при заданной степени надежности, то есть допу-
стимые по техническим требованиям варианты.

2.1. Технико-экономические показатели развития 
электроэнергетических систем

В состав экономического критерия любого вида входят технико-эко-
номические показатели развития электроэнергетических систем [4–7].
Важнейший технико-экономический показатель — это капиталь-
ные вложения (К), то есть расходы, необходимые для сооружения се-
тей, станций, энергетических объектов. Для электрической сети мож-
но принимать
 
К
К
К
Л
ПСТ
=
+
, 
 (2.1)

где К Л — капитальные вложения на сооружение линий, КПСТ — капи-
тальные вложения на сооружение подстанций.
Капитальные вложения при сооружении линий К Л состоят из затрат 
на изыскательские работы и подготовку трассы, затрат на приобрете-
ние и транспортировку опор, проводов, изоляторов и прочего обору-
дования, монтажные и другие работы. Расчет капиталовложений в ли-
нии производится следующим образом:

 
К Л =
Ч Ч
е c l n
i
i
i
i, 
 (2.2)

где ci — удельная стоимость сооружения линии с номером i, руб./км; 
li — длина линии, км; ni — число параллельных цепей на проектируе-
мом участке с номером i.
Капитальные вложения при сооружении подстанций (КПСТ) состо-
ят из затрат на подготовку территории, приобретение трансформато-

2.1. Технико-экономические показатели развития электроэнергетических систем

ров, выключателей и прочего электротехнического оборудования, за-
трат на строительные и монтажные работы и так далее. Капитальные 
вложения определяются по укрупненным показателям стоимости от-
дельных элементов или по специально составленным сметам. При со-
поставлении вариантов развития электрической сети обычно учиты-
вается только наиболее капиталоемкое оборудование — силовые 
трансформаторы и высоковольтные выключатели. В таком случае рас-
чет капиталовложений в подстанции можно выполнять следующим 
образом:
 
КПСТ
тр
тр
вв
вв
=
Ч
+
Ч
(
)
е
c
n
c
n
j
j
j
j
j
.
.
.
. ,  
 (2.3)

где с
j
тр.  — стоимость трансформатора, устанавливаемого на подстан-

ции с номером j, руб.; n
j
тр.  — количество трансформаторов на данной 

подстанции; с
j
вв.  — стоимость ячейки с выключателем распредели-

тельного устройства (РУ) на подстанции с номером j, руб.; n
j
вв.  — ко-

личество ячеек с высоковольтными выключателями на данной под-
станции.
Вторым важным технико-экономическим показателем являются го-
довые эксплуатационные расходы или издержки, необходимые для экс-
плуатации энергетического оборудования и сетей в течение некоторо-
го периода времени (одного года):

 
И
И
И
И
Л
ПСТ
Э
=
+
+
D , 
 (2.4)

где ИЛ, ИПСТ — эксплуатационные расходы для линий и подстанций, 
И Э
D  — издержки на возмещение потерь электроэнергии, руб.
Годовые эксплуатационные расходы на линии ИЛ зависят от капи-
тальных вложений в сооружение линий К Л и в соответствии с норма-
ми ежегодных отчислений на амортизацию линий aам.Л, на текущий 
ремонт aр.Л и обслуживание линий aоб.Л, вычисляются как

 
И
К
К
Л
Л
ам.Л
р.Л
об.Л
Л
Л
=
Ч
+
+
(
) =
Ч
a
a
a
a . 
 (2.5)

Годовые эксплуатационные расходы на подстанции ИПСТ опреде-
ляются в зависимости от капитальных вложений в сооружение под-
станций КПСТ и ежегодных отчислений на амортизацию aам.ПСТ, теку-
щий ремонт aр.ПСТ и обслуживание подстанций aоб.ПСТ.