НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Принимая во внимание, что основные источники энергии (КЭС, ТЭЦ, АЭС, ГЭС) удалены на значительные расстояния от потребителей электроэнергии, приходится использовать более высокое напряжение. Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее применять большее значение напряжения. Например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кВ. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16—20 кВ, так как более высокое напряжение потребовало бы принятия более сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов. Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Потери мощности при этом невелики.

Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Причем обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, все шире.

В связи с этим рациональное построение системы электроснабжения наряду с выбором схемы питания, определением целесообразной мощности и числа силовых трансформаторов, определением местоположения главной понизительной (распределительной) подстанции во многом зависит от значения выбранного напряжения.

Найти рациональное напряжение для системы электроснабжения потребителей электроэнергии означает определить тот уровень стандартного напряжения, при котором система электроснабжения имеет минимально возможные годовые приведенные затраты. Этим минимальным годовым затратам одновременно должны соответствовать и минимально возможные затраты материальных ценностей: количество цветного металла, оборудования и тому подобное.

Капитальные затраты К необходимые на электропередачу от источников питания к приемникам электроэнергии, зависят в основном от передаваемой мощности S и расстояния между источником питания и потребителем. Величина капитальных затрат на сооружение системы электроснабжения включает в себя следующие составляющие:

(3.1)

где К_Л = К_ло∙ l — капитальные затраты на сооружение воздушных или кабельных линий;

К_ЛО — стоимость сооружения 1 км линии;

l — длина линии, км;

К_об — капитальные затраты на установку оборудования (выключатели, разъединители, отделители, короткозамыкатели, измерительные трансформаторы, реакторы, шины, разрядники, силовые трансформаторы и т. п.);

К_д.в — дополнительные капитальные вложения в источники электроэнергии. на покрытие потерь мощности в системах электроснабжения.

Капитальные затраты в общем случае изменяются по кривой К = f(U) и имеют минимум при определенном значении напряжения, которое можно назвать рациональным напряжением по капитальным затратам и обозначить U_рац.к.. На рис. 3.1, а показан общий характер кривых К = f(U), которые построены при условии, что расчетная мощность и длина линий постоянны (S_Р = const; l = const), а также при неизменяющейся схеме питания. Величина U_рац.k. равна U_А.

Эксплуатационные расходы складываются из стоимости потерь электрической энергии С_п, амортизационных отчислений С_а и стоимости содержания эксплуатационного персонала С_оп.:

Рис.3.1. Кривые зависимости капитальных затрат и эксплуатационных расходов

от напряжения.

С_э = С_п+ С_а + С_оп, (3.2)

Эксплуатационные расходы изменяются (при соблюдении тех же условий) по некоторой кривой

С_э = f₁(U) и имеют минимум при напряжении, которое можно назвать рациональным напряжением по эксплуатационным расходам, которое обозначим U_рац.э

На рис. 3.1, а значение U_рац.э равно U_Б. Как правило, точка Б находится правее точки А, т. е. U_рац.э обычно выше, чем U_рац.к. При использовании стандартных напряжений 6, 10, 20, 35, 110 кВ может оказаться, что U_рац.к.≈ U_рац.э (рис. 3.1, б). Такие случаи при расчетах систем электроснабжения могут иметь место.

Если пользоваться данными капитальных затрат и ежегодных эксплуатационных расходов, то для определения рационального напряжения данной системы удобнее пользоваться формулой приведенных годовых затрат, особенно когда число вариантов больше двух

З = Сэ + 0,12К (3.3)

На рис. 3.2 представлена зависимость приведенных годовых затрат от напряжения, которую можно описать несколькими методами, используя интерполяционные полиномы. В зависимости от постановки вопроса для практических вычислений можно использовать полиномы Ньютона, Лагранжа, Бесселя, Стирлинга и др. В данном случае удобно воспользоваться методикой Лагранжа или Ньютона.

Вопросу нахождения значения рационального напряжения аналитическим путем за рубежом уделяют большое внимание, по результатам проведенных работ в зарубежной практике предложены следующие выражения для нахождения рационального напряжения.

Рис. 3.2. Кривая зависимости приведенных годовых затрат от напряжения

Инженер Вейкерт (Германия) предложил определять рациональное напряжение (кВ) по формуле

, (3.4)

где S — передаваемая мощность, тыс. кВА; — расстояние, км..

В американской практике применяется формула Стилла

, (3.5)

где Р — передаваемая мощность, тыс. кВт; — расстояние, км.

Формула Стилла была преобразована С. Н. Никогосовым и приведена к более удобному виду

. (3.6)

По справочникам шведских инженеров

, (3.7)

где Р — передаваемая мощность, кВт; — расстояние, км.

Формулы (3.5) и (3.7) практически совпадают. Расчеты, проведенные по ним, показали, что они не дают противоречивых результатов.

Для экономии затрат труда по определению рационального напряжения отечественными учеными были выполнены многочисленные расчеты, в которых нагрузка, потребляемая предприятиями, изменялась в пределах 1000 — 100000 кВА, расстояние от источника питания до предприятия 1 — 100 км, стоимость электрической энергии 0,4 — 1,1 условных единиц (у.е.)/(кВтч).

Схемы были заданы без трансформации и с трансформацией напряжения в конце питающих линий. Линии принимались воздушные и кабельные. На основании этих расчетов для сроков окупаемости 7 — 8 лет составлены приводимые ниже номограммы, которые позволяют приближенно определить рациональное стандартное напряжение (рис. 3.3). Зная это напряжение, можно взять для расчетов еще два ближайших стандартных напряжения (одно выше, другое ниже) и получить, таким образом, три точки, по которым можно определить точное значение нестандартного рационального напряжения.

На рис. 3.3 приведена номограммма для приближенного определения рационального напряжения систем электроснабжения промышленных предприятий в зависимости от передаваемой мощности SП, длины питающих линий, схемы питания, кон структивного выполнения линий и стоимости электрической энергии С0.

Рис. 3.3. Номограмма для приближенного определения рационального напряжения

На рис. 3.3, д — С₀ = 0,8 у.е./(кВтч); е — С₀ = 0,4 у.е./(кВтч); ж, з, и — С₀ = 1 у.е./(кВтч); д, е — с трансформацией на 6 кВ; ж — то же на 10 кВ; з — то же на 20 кВ; и — то же на 35 кВ.

Как следует из сказанного выше выбор напряжения в системах электроснабжения в каждом конкретном случае зависит от передаваемой мощности и от расстояния источника питания до потребителя. Шкалы напряжений, используемые в России напряжения (6, 10, 20, 35, 110, 220, 300, 500, 750 кВ и т.д.) характерны и для других стран.

Питание электроэнергией крупных промышленных и транспортных предприятий и городского хозяйства осуществляется на напряжениях 110 и 220 кВ, а особо крупных и энергоёмких 330 и 500 кВ.