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 сельского хозяйства» Восточно-Сибирского государственного университета технологий 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. Ананичева, 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 решению 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 качественное электроснабжение потребителей электроэнергии 
как на существующем временном этапе, так и в перспективе. Определение перспективных потребностей в максимальной мощности и электроэнергии является задачей прогнозирования развития 
электроэнергетики как отрасли народного хозяйства с целью удовлетворения указанных потребностей.
Прогнозирование величин электропотребления, а именно электрических нагрузок и энергобалансов, в задачах развития следует выполнять для широкого диапазона сроков (от года — двух до 20–30 лет) 
и различных территориальных подразделений (от объединенных энергосистем до конкретных узлов сети и отдельных потребителей). Прогнозирование нагрузки может быть выполнено различными методами, 
но независимо от использованного метода в результате определяются потребности в максимальной мощности и электроэнергии в виде 
некоторого диапазона возможных значений, то есть с частичной неопределенностью. Причем чем больше срок прогнозирования, тем шире 
интервал неопределенности прогноза электрических нагрузок и электропотребления [1].
Решение проблемы прогнозирования и проектирования оптимального 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 послеаварийных 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 основные уровни [2].

1. Разработка схемы развития единой энергосистемы (ЕЭС) и объединенных энергосистем (ОЭС). В составе указанных работ выполняется обоснование развития основной электрической сети, 
выбор конфигурации, основных параметров и очередности сооружения основной сети напряжением 500 кВ и выше (ЕЭС) и 220 кВ 
и выше (ОЭС). На уровне ЕЭС обосновывается развитие системообразующих 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 проектирования сетей ОЭС осуществляется обоснование развития системообразующих 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). Задачами проектирования являются разработка и обоснование развития 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 отдельной области). Схемы развития распределительных сетей 110 кВ 
и выше разрабатываются на основе решений, принятых по схемам развития ОЭС и РЭС.

4. Разработка схем внешнего энергоснабжения объектов: электрифицируемых участков железных дорог, нефте- и газопроводов, промышленных узлов, отдельных предприятий и др. 
Проектирование ведется в соответствии с намеченными сроками строительства, расширением или реконструкцией объекта 
по заданию заказчиков работ (акционерных обществ, проектных институтов отдельных отраслей, юридических и физических лиц и др.).
Такая организация проектирования обеспечивает возможность корректировки ранее намеченных планов развития электрических сетей 
(в нереализованной части) на основе уточненной исходной информации. В процессе проектирования осуществляются взаимный обмен информацией и увязка решений по развитию электрических сетей различных назначений и напряжений.
В результате выполнения указанных работ формируются обосновывающие материалы для определения экономической эффективности и целесообразности проектирования, строительства, расширения 
или реконструкции электросетевых объектов большой стоимости. После утверждения обосновывающих материалов начинается конкретное проектирование электросетевых объектов.

1. Задачи прогнозирования и проектирования электрических систем 

Проект развития электрических сетей выполняется в качестве самостоятельной работы для каждого объекта «Схема развития электрической сети энергосистемы» (объединенной, районной, города, промышленного 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, объекта), включающий ее рассмотрение с точки зрения загрузки, условий регулирования напряжения, выявления «узких» мест;
· определение электрических нагрузок потребителей и составление балансов активной мощности по отдельным подстанциям 
и энергоузлам, обоснование сооружения новых подстанций и линий электропередачи;
· выбор расчетных режимов работы электростанций, если к рассматриваемой сети присоединены электростанции, и определение загрузки проектируемой электрической сети;
· электрические расчеты различных режимов работы сети и обоснование схем построения сети на рассматриваемые расчетные уровни; проверочные расчеты статической и динамической 
устойчивости параллельной работы электростанций (выполняются при проектировании электрических сетей объединенных или 
мощных отдельных энергосистем), выявление основных требований к системной противоаварийной автоматике;
· составление баланса реактивной мощности и выявление условий 
регулирования напряжения в сети, обоснование пунктов размещения компенсирующих устройств, их типов и мощности;
· расчеты токов короткого замыкания в проектируемой сети и установление требований к отключающей способности коммутационной аппаратуры, разработка предложений по ограничению токов 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 электрической сети, натуральные и стоимостные показатели, очередность 
развития.

2. Критерии проектирования  
электрических систем

З

адачи прогнозирования и планирования развития электроэнергетических систем, в том числе задача проектирования 
развития электрических сетей, относятся к классу многокритериальных задач.
Схемы электрических сетей должны обеспечить необходимую надежность электроснабжения, требуемое качество энергии у потребителей, возможность дальнейшего развития сети и подключения новых 
потребителей, удобство и безопасность эксплуатации [2]. При разработке схем развития электрических сетей должны быть учтены экологические и социальные факторы. Требования по удовлетворению 
различных критериев обычно противоречивы. Так, повышение живучести 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 электрических сетей сводится к принятию решения по одному экономическому 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 экономического функционала (динамический характер, наличие множества 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 экономическому критерию заменяется решением задачи сравнения по технико

2. Критерии проектирования электрических систем 

экономической эффективности некоторой совокупности вариантов. 
При разработке вариантов развития в первую очередь рассматриваются конфигурации типовых схем [4–6], включающие разомкнутые 
радиальные и разветвленные схемы, схемы с двусторонним питанием 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 допустимые по техническим требованиям варианты.

2.1. Технико-экономические показатели развития 
электроэнергетических систем

В состав экономического критерия любого вида входят технико-экономические показатели развития электроэнергетических систем [4–7].
Важнейший технико-экономический показатель — это капитальные вложения (К), то есть расходы, необходимые для сооружения сетей, станций, энергетических объектов. Для электрической сети можно принимать
 
К
К
К
Л
ПСТ
=
+
, 
 (2.1)

где К Л — капитальные вложения на сооружение линий, КПСТ — капитальные вложения на сооружение подстанций.
Капитальные вложения при сооружении линий К Л состоят из затрат 
на изыскательские работы и подготовку трассы, затрат на приобретение и транспортировку опор, проводов, изоляторов и прочего оборудования, монтажные и другие работы. Расчет капиталовложений в линии 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 проектируемом участке с номером i.
Капитальные вложения при сооружении подстанций (КПСТ) состоят из затрат на подготовку территории, приобретение трансформато

2.1. Технико-экономические показатели развития электроэнергетических систем

ров, выключателей и прочего электротехнического оборудования, затрат на строительные и монтажные работы и так далее. Капитальные 
вложения определяются по укрупненным показателям стоимости отдельных элементов или по специально составленным сметам. При сопоставлении вариантов развития электрической сети обычно учитывается только наиболее капиталоемкое оборудование — силовые 
трансформаторы и высоковольтные выключатели. В таком случае расчет 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 подстанции.
Вторым важным технико-экономическим показателем являются годовые эксплуатационные расходы или издержки, необходимые для эксплуатации энергетического оборудования и сетей в течение некоторого 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 капитальных вложений в сооружение линий К Л и в соответствии с нормами 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 определяются в зависимости от капитальных вложений в сооружение подстанций КПСТ и ежегодных отчислений на амортизацию aам.ПСТ, текущий ремонт aр.ПСТ и обслуживание подстанций aоб.ПСТ.