Энергосистема страны – краткая характеристика, особенности работы в различных ситуациях

Энергосистемой страны называют совокупность нескольких элементов – электростанций, повышающих и понижающих распределительных подстанций, электрических и тепловых сетей.

Электростанции осуществляют выработку электрической и тепловой (для ТЭЦ) энергии. Электрическая энергия, вырабатываемая на электростанциях, повышается до требуемого значения напряжения на повышающих подстанциях и отдается в сеть, в частности в магистральные электрические сети, где в дальнейшем распределяется в соответствии с величиной потребляемой мощности того или иного района, предприятия в пределах энергосистемы страны или отдельного региона.

Если идет речь об энергосистеме страны, то магистральные сети опутывают всю ее территорию. К магистральным сетям относятся линии напряжением 220, 330, 750 кВ, по которым протекают большие потоки мощности – от нескольких сотен МВт до десятков ГВт.

На подстанциях 110 кВ электроэнергия распределяется на более мелкие, потребительские подстанции населенных пунктов и различных предприятий напряжением 6, 10, 35 кВ. Далее напряжение электрической сети понижается до требуемых потребителю значений. Если это населенные пункты и малые предприятия, то напряжение понижают до величины 380/220 В. Существует также оборудование крупных промышленных предприятий, которое питается непосредственно от высокого напряжения величиной 6 кВ.

Тепловые электроцентрали (ТЭЦ) помимо электрической энергии, вырабатывают тепловую, которая используется для обогрева зданий и сооружений. Тепловая энергия, отпускаемая ТЭЦ, распределяется потребителям по тепловым сетям.

Особенности работы энергосистемы

При рассмотрении работы энергосистемы особое внимание следует уделить процессам передачи электрической энергии. Производство и передача электрической электроэнергии – сложный взаимосвязанный процесс.

В энергосистеме непрерывно, в режиме реального времени происходит выработка, передача и потребление энергии потребителями. Накапливание электроэнергии (аккумуляция) в объемах энергосистемы не производится, поэтому в энергосистеме постоянно контролируется баланс между производимой и потребляемой электрической энергией.

Особенность электроэнергетических систем состоит в практически мгновенной передаче электрической энергии от источников к потребителям и невозможности накапливания ее в значительных количествах. Эти свойства определяют одновременность процесса производства и потребления электроэнергии.

При производстве и потреблении электрической энергии на переменном токе равенству вырабатываемой и потребляемой электроэнергии в каждый момент времени соответствует равенство вырабатываемой и потребляемой активной и реактивной мощностей.

Следовательно, в каждый момент времени в установившемся режиме энергосистемы электростанции должны вырабатывать мощность, равную мощности потребителей, и покрывать потери мощности в электрической сети, т. е. должен соблюдаться баланс вырабатываемой и потребляемой мощностей.

Понятие баланса реактивной мощности связано с влиянием реактивной мощности, передаваемой по элементам электрической сети, на режим напряжения. Нарушение баланса реактивной мощности приводит к изменению уровня напряжения в сети.

Обычно энергосистемы, дефицитные по активной мощности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не передавать из соседних энергосистем, а генерировать в компенсирующих устройствах, установленных в данной энергосистеме.

В случае возникновения дефицита вырабатываемой электроэнергии, в частности ее активной составляющей, возникает дефицит мощности, то есть нарушается энергетический баланс. При этом наблюдается снижение частоты электрической сети ниже допустимого значения. Чем больше дефицит электроэнергии в энергосистеме, тем ниже частота.

Процесс нарушения энергетического баланса является наиболее опасным для энергосистемы и если его на начальном этапе не остановить, то произойдет полный развал энергосистемы.

Для предотвращения развала энергосистемы при наличии дефицита мощности на распределительных подстанциях применяется противоаварийная автоматика – автоматическая частотная разгрузка (АЧР) и автоматика ликвидации асинхронного режима (АЛАР).

АЧР осуществляет автоматическое отключение определенной части нагрузки потребителей, чем снижает дефицит мощности в энергосистеме. АЛАР – это сложная автоматическая система, которая осуществляет автоматическое обнаружение и ликвидацию асинхронных режимов в электрических сетях. В случае возникновения дефицита мощности в энергосистеме АЛАР работает совместно с АЧР.

На всех участках энергосистемы возможно возникновение различных аварийных ситуаций: повреждение различного оборудования станций и подстанций, повреждение в кабельных и воздушных линиях электропередач, нарушение нормальной работы устройств релейной защиты и автоматики и пр. Поэтому энергетическая система строится таким образом, чтобы в случае возможных аварийных ситуаций она оставалась работоспособной и обеспечивала питание потребителей в соответствии с их категорией надежности электроснабжения.

Особенности регулировки напряжения

Напряжение в энергосистеме регулируется таким образом, чтобы обеспечить нормальные значение напряжения на всех участках. Регулировка напряжения у конечного потребителя производится в соответствии со средними значениями напряжения, получаемого с более крупных подстанций.

Как правило, такая регулировка производится один раз, в дальнейшем регулировка напряжения производится на крупных узлах – районных подстанциях, так как постоянно регулировать напряжение на каждой потребительской подстанции нецелесообразно в виду их большого количества.

Регулировка напряжения на подстанциях осуществляется при помощи устройств ПБВ и РПН, встроенных в силовые трансформаторы и автотрансформаторы. Регулировка посредством устройств ПБВ осуществляется при отключенном от сети трансформаторе (переключение без возбуждения). Устройства РПН позволяют осуществлять регулировку напряжения под нагрузкой, то есть без необходимости предварительного отключения трансформатора (автотрансформатора).

Регулировка напряжения при помощи РПН силовых трансформаторов может производиться, как автоматически, так и вручную. Также, в зависимости от технического состояния трансформаторов (автотрансформаторов), с целью продления срока службы устройств РПН, может приниматься решение о регулировке напряжения исключительно в ручном режиме, с предварительным снятием нагрузки с трансформатора. При этом возможность переключения ответвлений РПН под нагрузкой сохраняется и в случае возникновения необходимости быстрой регулировки напряжения, можно выполнить данную операцию без предварительного снятия нагрузки с трансформатора.

Потери мощности и энергии

Передача электрической энергии неизбежно сопровождается потерями мощности и энергии в трансформаторах и линиях. Указанные потери должны быть покрыты соответствующим увеличением мощности источников питания, что вызывает повышение капиталовложений на сооружение энергосистемы.

Кроме того, потери мощности и энергии вызывают дополнительные затраты топлива на электростанциях, стоимость электроэнергии, тем самым повышая себестоимость электроэнергии. Поэтому при проектировании необходимо стремиться к снижению этих потерь во всех элементах электросети.

Параллельная работа энергосистем

Энергосистемы стран или отдельные участки энергосистемы в пределах одной страны могут объединяться и в совокупности представляют собой объединенную энергосистему.

Если две энергетические системы имеют одинаковые параметры, то они могут работать параллельно (синхронно). Возможность синхронной работы двух энергетических систем позволяет значительно повысить их надежность, так как в случае возникновения большого дефицита мощности в одной из энергосистем, данный дефицит может быть покрыт из другой энергосистемы. При объединении энергосистем нескольких стран можно осуществлять экспорт или импорт электрической энергии между данными странами.

Но если две энергосистемы имеют некоторые различия в электрических параметрах, в частности частоте электрической сети, то при необходимости объединения данных энергосистем прямое их включение на параллельную работу недопустимо.

В данном случае выходят из положения путем использования для передачи электроэнергии между энергосистемами линий постоянного тока, которые позволяют объединить не синхронизируемые энергосистемы, характеризующиеся различной частотой электрической сети.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Энергетика, электрические системы — основные понятия

Энергетическое топливо

Основная статья: Топливо

Газовый факел в Таиланде.

Так как большинство из традиционных электростанций и источников теплоснабжения выделяют энергию из невозобновляемых ресурсов, вопросы добычи, переработки и доставки топлива чрезвычайно важны в энергетике. В традиционной энергетике используются два принципиально отличных друг от друга видов топлива.

Органическое топливо

В зависимости от агрегатного состояния органическое топливо делится на газообразное, жидкое и твёрдое, каждое из них в свою очередь делится на естественное и искусственное. Доля такового топлива в мировом энергобалансе составляла в 2000 году около 65 %, из которых 39 % приходились на уголь, 16 % на природный газ, 9 % на жидкое топливо(2000 г.). В 2010 году по данным BP доля ископаемого органического топлива 87 %, в том числе: нефть 33,6 %, уголь 29,6 % газ 23,8 %.Tо же по данным «Renewable21» 80,6 %, не считая традиционной биомассы 8,5 %.

Газообразное

Естественным топливом является природный газ, искусственным:

Жидкое

Естественным топливом является нефть, искусственным называют продукты его перегонки:

Твёрдое

Естественным топливом являются:

Искусственным твёрдым топливом являются:

Ядерное топливо

Основная статья: Ядерное топливо

Для использования на АЭС требуется обогащение урана, поэтому его после добычи отправляют на обогатительный завод, после переработки на котором 90 % побочного обеднённого урана направляется на хранение, а 10 % обогащается до нескольких процентов (3—5 % для энергетических реакторов). Обогащённый диоксид урана направляется на специальный завод, где из него изготавливают цилиндрические таблетки, которые помещают в герметичные циркониевые трубки длиной почти 4 м, ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы). По нескольку сотен ТВЭЛов для удобства использования объединяют в ТВС, тепловыделяющие сборки.

Энергетическая система страны

Развитие энергосистемы — это одна из важнейших задач любого государства. Если говорить о масштабах целой страны, то магистральные сети должны опутывать всю территорию страны. Данные сети характеризуются тем, что провода способны выдерживать потоки электрической энергии с напряжением 220, 330 и 750 кВ

Тут важно отметить, что мощность, имеющаяся в таких линиях, огромна. Этот показатель может достигать от нескольких сотен мВт до нескольких десятков гВт

Такая нагрузка энергосистемы является огромной, а потому следующий этап работы — это понижение напряжения и мощности для подачи электричества на районные и узловые подстанции. Вольтаж для таких объектов должен быть 110 кВ, а мощность — не превышать нескольких десятков мВт.

электрическая энергия

Безопасность

Инструкция в энергосистеме по ее безопасности — это то, что должен знать каждый сотрудник любой электростанции.

Для начала стоит понять, что считается аварийной ситуацией. Под такое описание подходят случаи, когда происходят изменения в стабильной работе оборудования, влекущие за собой угрозу аварии. Признаки этого происшествия определяются для каждой отрасли согласно ее нормативно-техническим документам.

Если же аварийная ситуация все же возникла, то эксплуатационный персонал обязан принять меры по локализации и дальнейшей ликвидации создавшегося положения

При этом важно выполнить две следующие задачи: обеспечить безопасность людей и, по возможности, сохранить все оборудование в целостности и сохранности

Как предотвратить разрушение

Для того чтобы избежать катастрофических последствий, которые произойдут, если система рухнет, была изобретена программа автоматической частотной нагрузки, которая используется на подстанциях. Работает она полностью автономно. Ее включение происходит в тот момент, когда в линии возникает нехватка мощности. Также для этих целей используется еще одна структура, которая называется автоматической ликвидацией асинхронного режима.

Если говорить о работе АЧР, то тут все довольно просто. Принцип работы этой программы довольно прост и заключается в том, что она автоматически отключает часть нагрузки на энергосистему. То есть отключает от нее часть потребителей, чем снижает потребляемую мощность, а значит, восстанавливает баланс в общей системе.

АЛАР же — это более сложная система, задача которой заключает в том, чтобы находить места асинхронных режимов работы электрической сети и ликвидировать их. Если в общей энергосистеме страны возникает дефицит мощности, то АЧР и АЛАР на подстанциях включаются в работу одновременно.

Примечания

↑ (PDF) (недоступная ссылка). 30. IEA (2017). Дата обращения 20 февраля 2018.

(англ.) (недоступная ссылка). ISBN 978 0 94612 130 4 11. WORLD ENERGY COUNCIL, Bloomberg (2013). Дата обращения 29 июля 2015.

(англ.) 5. Мировой энергетический совет (2013). Дата обращения 20 октября 2019.

. Дата обращения 4 декабря 2014.

Лица, учреждения и организации, которые связаны с развитием энергетики и ее функционированием

Президент принимает решения, подписывает законы, регулирует международные отношения, выступает с инициативами в принятии планов развитии энергетики в отдельных регионах.

Верховный Совет принимает законы и программы развития электроэнергетики, выделяет бюджет.

Кабинет министров (Министерство энергетики и топлива) определяет пути развития электроэнергетики, изыскивает средства на ее развитие, составляет программы развития энергетики, руководит проектными организациями, которые занимаются проектированием энергообъектов, также ему подчиняется энергорынок.

Территориальные исполнительные органы (Горсовет) проявляют инициативу в строительстве электрических станций, в развитии электрических сетей и т.д.

На территории Украины действуют следующие организации электроэнергетики:

Структура и основные требования к системам электроснабжения

Основной задачей создания системы электроснабжения (СЭС) является обеспечение их высокой надежности и экономичности, поддержание высокого качества электроэнергии. СЭС включает большое количество объектов, имеет большую протяженность и рассредоточенность; ее проектированием занято много организаций. СЭС состоит из генерирующих установок, питающих и распределительных сетей, трансформаторных и преобразовательных станций и подстанций, связанных кабельными и воздушными линиями, токопроводами высокого и низкого напряжения.

Безопасность для жизни и здоровья людей при эксплуатации СЭС и надежность работы ЭО обеспечиваются правильным выбором технических решений на всех этапах выработки, распределения и передачи электроэнергии, правильным выбором способов ее канализации, выполнением требований техники безопасности и соответствием условиям окружающей среды. СЭС должна быть удобна и безопасна в обслуживании, должна обеспечивать качество энергии и бесперебойность электроснабжения в номинальном и послеаварийном режимах. В то же время СЭС должна быть экономичной, иметь минимальные потери и обоснованный расход дефицитных материалов и оборудования. Экономичность и надежность СЭС достигается путем создания связей и взаимного резервирования сетей различных регионов, сетей промышленных предприятий (ПП) с СЭС коммунальных и сельских потребителей и т.д.

СЭС условно можно разделить на три блока:

На электростанциях вырабатываемая энергия разделяется на два потока: электрическая и тепловая энергия, рис.1.1. От генераторов электростанций, через повышающие блочные трансформаторы, рис. 1.2, электроэнергия поступает на станционные открытые распределительные устройства (ОРУ).

Рисунок 1 – Схема системы электроснабжения

Второй блок включает линии электропередач (воздушные и кабельные), опоры воздушных линий электропередач (ВЛЭП) и кабельное хозяйство, главные (ГПП) и промежуточные понизительные станции (подстанции), распределительные устройства (РУ), системы грозозащиты и компенсации реактивной мощности.

Третий блок объединяет все электроприемники (ЭП), системы управления, защиты, диагностики и приборы измерения физических величин. При создании СЭС для ЭП с резко-переменной и с циклически повторяющейся ударной нагрузкой, при наличии ЭП, требующих бесперебойного питания, устанавливаются дополнительные требования, оговариваемые в технических условиях (ТУ). Также при определении нагрузки конкретного участка, при выборе структуры, мощности и пропускной способности СЭС следует учитывать не только собственных потребителей электроэнергии, но и наличие рядом расположенных потребителей, для которых нужно обеспечить резервирование электроснабжения.

Рисунок 2 – Силовой трехфазный блочный трансформатор с масляным охлаждением

Надежность электроснабжения промышленных предприятий, их цехов и отдельных установок в значительной степени зависит от наличия и надежности систем резервного питания и защиты. Обеспечение резервного электропитания сопряжено с материальными затратами и не может быть обеспечено для всех установок и оборудования. Поэтому необходимо точно знать, у каких ЭП технологические процессы не допускают перерыва в электроснабжении, а для каких такие перерывы возможны без существенного ущерба производству. Для этого устанавливают категории надежности электроснабжения для всех ЭП.

При проектировании следует учитывать особенности размещения технологического оборудования, уметь разделять оборудование на установленное и неустановленное. Установленное оборудование обычно неподвижно, но в некоторых случаях может перемещаться по площади предприятия или цеха, или заменяться другим, более производительным. К установленному оборудованию относятся металлорежущие станки, оборудование легкой и пищевой промышленности, где технологические процессы часто меняются из-за специфического характера производства, и т.д. К неустановленному оборудованию относятся передвижные установки, например, мостовые краны, подъемно-транспортные сооружения, питающиеся от стационарной контактной сети.

Особенно высокие требования к надежному и экономичному электроснабжению предъявляют крупные энергоемкие предприятия черной и цветной металлургии, нефте- и газодобывающие предприятия, химические и другие производства, которые характеризуются большими значениями суммарных установленных мощностей ЭП.

Энергетика

Энергетика — область общественного производства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии. Энергетика каждого государства функционирует в рамках созданных соответствующих энергосистем.

Её целью является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной, энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию. При этом производство энергии чаще всего происходит в несколько стадий:

Энергетика как наука, в соответствии с номенклатурой специальностей научных работников, утверждённой Министерством образования и науки Российской Федерации, включает следующие научные специальности:

Параметры энергетической системы и электрических станций

Одна из основных характеристик, которая является определяющей в работе электрической станции и характеризует общую работу всей системы, — это мощность.

Установленная мощность электростанции. Под этим определением понимают сумму номинальных показателей всех установленных элементов на одном объекте. Если объяснять подробнее, то совокупность определяется по техническому паспорту каждого первичного двигателя, который может быть паровой, газовой, гидравлической турбиной или другим видом двигателя. Данные первичные агрегаты используются для привода электрических генераторов. Стоит отметить, что в данную характеристику также нужно включать те устройства, которые считаются резервными, и те, что находятся в данный момент времени на ремонте.

Теплоснабжение

Основная статья: Теплоснабжение

Жизнь современного человека связана с широким использованием не только электрической, но и тепловой энергии. Для того, чтобы человек чувствовал себя комфортно дома, на работе, в любом общественном месте, все помещения должны отапливаться и снабжаться горячей водой для бытовых целей. Так как это напрямую связано со здоровьем человека, в развитых государствах пригодные температурные условия в различного рода помещениях регламентируются санитарными правилами и стандартами. Такие условия могут быть реализованы в большинстве стран мира только при постоянном подводе к объекту отопления (теплоприёмнику) определённого количества тепла, которое зависит от температуры наружного воздуха, для чего чаще всего используется горячая вода с конечной температурой у потребителей около 80—90 °C. Также для различных технологических процессов промышленных предприятий может требоваться так называемый производственный пар с давлением 1—3 МПа. В общем случае снабжение любого объекта теплом обеспечивается системой, состоящей из:

Централизованное теплоснабжение

Характерной чертой централизованного теплоснабжения является наличие разветвлённой тепловой сети, от которой питаются многочисленные потребители (заводы, здания, жилые помещения и пр.). Для централизованного теплоснабжения используются два вида источников:

Децентрализованное теплоснабжение

Систему теплоснабжения называют децентрализованной, если источник теплоты и теплоприёмник практически совмещены, то есть тепловая сеть или очень маленькая, или отсутствует. Такое теплоснабжение может быть индивидуальным, когда в каждом помещении используются отдельные отопительные приборы, например электрические, или местным, например обогрев здания с помощью собственной малой котельной. Обычно теплопроизводительность таких котельных не превышает 1 Гкал/ч (1,163 МВт). Мощность тепловых источников индивидуального теплоснабжения обычно совсем невелика и определяется потребностями их владельцев. Виды децентрализованного отопления:

Тепловые сети

Основная статья: Тепловая сеть

Тепловая сеть — это сложное инженерно-строительное сооружение, служащее для транспорта тепла с помощью теплоносителя, воды или пара, от источника, ТЭЦ или котельной, к тепловым потребителям.

От коллекторов прямой сетевой воды с помощью магистральных теплопроводов горячая вода подаётся в населённые пункты. Магистральные теплопроводы имеют ответвления, к которым присоединяется разводка к тепловым пунктам, в которых находится теплообменное оборудование с регуляторами, обеспечивающими снабжение потребителей тепла и горячей воды. Тепловые магистрали соседних ТЭЦ и котельных для повышения надёжности теплоснабжения соединяют перемычками с запорной арматурой, которые позволяют обеспечить бесперебойное теплоснабжение даже при авариях и ремонтах отдельных участков тепловых сетей и источников теплоснабжения. Таким образом, тепловая сеть любого города является сложнейшим комплексом теплопроводов, источников тепла и его потребителей.

Энергетические системы

Канада. Массивы опор линий электропередачи уходят за горизонт.

Энергетическая система (энергосистема) — в общем смысле совокупность энергетических ресурсов всех видов, а также методов и средств для их получения, преобразования, распределения и использования, которые обеспечивают снабжение потребителей всеми видами энергии. В энергосистему входят системы электроэнергетическая, нефте- и газоснабжения, угольной промышленности, ядерной энергетики и другие. Обычно все эти системы объединяются в масштабах страны в единую энергетическую систему, в масштабах нескольких районов — в объединённые энергосистемы. Объединение отдельных энергоснабжающих систем в единую систему также называют межотраслевым топливно-энергетическим комплексом, оно обусловлено прежде всего взаимозаменяемостью различных видов энергии и энергоресурсов.

Часто под энергосистемой в более узком смысле понимают совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, которые соединёны между собой и связаны общими режимами непрерывных производственных процессов преобразования, передачи и распределения электрической и тепловой энергии, что позволяет осуществлять централизованное управление такой системой. В современном мире снабжение потребителей электроэнергией производится от электростанций, которые могут находиться вблизи потребителей или могут быть удалены от них на значительные расстояния. В обоих случаях передача электроэнергии осуществляется по
линиям электропередачи. Однако в случае удалённости потребителей от электростанции передачу приходится осуществлять на повышенном напряжении, а между ними сооружать повышающие и понижающие подстанции. Через эти подстанции с помощью электрических линий электростанции связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку, также через тепловые пункты с помощью теплопроводов, только на гораздо меньших расстояниях связывают между собой ТЭЦ и котельные. Совокупность всех этих элементов называют энергосистемой, при таком объединении возникают существенные технико—экономические преимущества:

Такие огромные преимущества в использовании энергосистем привели к тому, что уже к 1974 году лишь менее 3 % всего количества электроэнергии мира было выработано отдельно работавшими электростанциями. С тех пор мощность энергетических систем непрерывно возрастала, а из более мелких создавались мощные объединённые системы.

Источник