Основные вопросы эффективной эксплуатации электроэнергетических систем
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 376
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-1501-9
Артикул: 815066.01.99
В систематизированном виде рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с эффективной эксплуатацией электроэнергетических систем, а также проблемами и тенденциями развития современной электроэнергетики. Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» квалификационных уровней «бакалавр» и «магистр», а также аспирантов по научным специальностям «Электроэнергетика», «Энергетические системы и комплексы» и «Электротехнические комплексы и системы», слушателей центров подготовки и повышения квалификации инженерно-технических работников, занятых проектированием и эксплуатацией электроэнергетических систем.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- ВО - Магистратура
- 13.04.02: Электроэнергетика и электротехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Д. В. Полковниченко, А. А. Булгаков, И. Б. Гуляева ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ЭФФЕКТИВНОЙ ЭКСПЛУ АТАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023
УДК 621.311 ББК 31.27 П51 Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р. М. Лейбова» ГОУ ВПО «ДонНТУ» Маренич Константин Николаевич; доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электроэнергетика» ГОУ ВО ЛНР «ЛГУ им. В. Даля» Захарчук Александр Сидорович Полковниченко, Д. В. П51 Основные вопросы эффективной эксплуатации электроэнергетических систем : учебное пособие / Д. В. Полковниченко, А. А. Булгаков, И. Б. Гуляева. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 376 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1501-9 В систематизированном виде рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с эффективной эксплуатацией электроэнергетических систем, а также проблемами и тенденциями развития современной электроэнергетики. Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» квалификационных уровней «бакалавр» и «магистр», а также аспирантов по научным специальностям «Электроэнергетика», «Энергетические системы и комплексы» и «Электротехнические комплексы и системы», слушателей центров подготовки и повышения квалификации инженерно-технических работников, занятых проектированием и эксплуатацией электроэнергетических систем. УДК 621.311 ББК 31.27 ISBN 978-5-9729-1501-9 Полковниченко Д. В., Булгаков А. А., Гуляева И. Б., 2023 Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие ................................................................................................................ 7 Перечень условных обозначений .............................................................................. 9 Введение .................................................................................................................... 12 Раздел № 1. Общая характеристика электроэнергетики. Проблемы и тенденции её развития ........................................................................ 13 1.1. Электроэнергетические системы как основа электроэнергетики и их развитие .......................................................................................................... 13 1.2. Проблемы современной электроэнергетики и варианты их решения ...... 20 Вопросы для самопроверки ..................................................................................... 27 Раздел № 2. Свойства электроэнергии. Общие вопросы режимов работы электроэнергетических систем ............................................................................... 28 2.1. Особенности электроэнергии и режимов работы ЭЭС ............................. 28 2.2. Краткая характеристика режимов ............................................................... 33 2.3. Планирование (разработка) режимов энергосистемы ............................... 34 2.3.1. Основные требования и исходные данные при разработке режима ................................................................................................................... 34 2.3.2. Нагрузки и их прогнозирование ............................................................... 35 2.3.3. Разработка режима работы ЭЭС на различных временных уровнях .................................................................................................................. 37 2.3.4. Резервы электроэнергетической системы ................................................. 38 2.4. Общая характеристика систем управления ................................................ 40 Вопросы для самопроверки ..................................................................................... 45 Раздел № 3. Потребители электрической энергии ................................................ 47 3.1. Классификация приёмников и потребителей электроэнергии ................. 47 3.2. Характеристика основных типов электроприёмников .............................. 49 3.3. Графики электрических нагрузок ................................................................ 53 Вопросы для самопроверки ..................................................................................... 59 Раздел № 4. Активная и реактивная мощности ..................................................... 60 4.1. Понятие активной и реактивной мощностей ............................................. 60 4.2. Влияние реактивной мощности на эффективность работы электрической сети ............................................................................................... 64 4.3. Потребители реактивной мощности ............................................................ 65 4.4. Источники реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности ............................................................................................................... 67 4.4.1. Синхронный генератор .............................................................................. 68 4.4.2. Синхронный двигатель .............................................................................. 71 3
4.4.3. Линии электропередачи ............................................................................. 73 4.4.4. Синхронные компенсаторы ....................................................................... 74 4.4.5. Батареи статических конденсаторов ........................................................ 76 4.4.6. Шунтирующие реакторы ........................................................................... 83 4.4.7. Статические тиристорные компенсаторы ................................................ 84 Вопросы для самопроверки ..................................................................................... 85 Раздел № 5. Надёжность электроэнергетических систем .................................... 87 5.1. Основные понятия и определения теории надёжности ............................ 87 5.1.1. Понятие надёжности .................................................................................. 87 5.1.2. Составляющие надёжности ....................................................................... 90 5.1.3. Состояния объектов анализа надёжности ................................................ 91 5.1.4. События и процессы в теории надёжности ............................................. 92 5.1.5. Причины отказов элементов электроэнергетических систем ............... 97 5.2. Вероятностные показатели надёжности ................................................... 105 5.2.1. Показатели надёжности невосстанавливаемых объектов .................... 105 5.2.2. Показатели надёжности восстанавливаемых объектов ........................ 106 5.3. Испытания на надёжность .......................................................................... 111 5.4. Расчёт экономического ущерба при нарушении электроснабжения ..... 113 5.4.1. Оценка ущерба потребителя при нарушении электроснабжения ....... 113 5.4.2. Экономический ущерб энергоснабжающей организации в результате нарушения режима электроснабжения ...................................... 118 5.5. Выбор оптимальных вариантов электроснабжения с учётом надёжности электроснабжения ......................................................................... 120 5.6. Способы и средства повышения надёжности электроэнергетических систем .................................................................................................................. 122 5.6.1. Общие положения .................................................................................... 122 5.6.2. Резервирование ......................................................................................... 124 5.6.3. Секционирование ..................................................................................... 130 5.6.4. Способы повышения надёжности элементов электрических сетей ... 137 5.7. Системы обслуживания элементов электроэнергетических систем ...... 144 5.8. Диагностика электрооборудования ........................................................... 150 5.8.1. Общие положения .................................................................................... 150 5.8.2. Методы диагностики электрооборудования ......................................... 158 Вопросы для самопроверки ................................................................................... 187 Раздел № 6. Основы электромагнитной совместимости. Качество электроэнергии в электроэнергетических системах ........................................... 190 6.1. Понятие электромагнитной совместимости ............................................. 190 6.2. Причины нарушения ЭМС ......................................................................... 194 6.3. Классификация электромагнитных помех ............................................... 195 4
6.4. Обеспечение электромагнитной совместимости ..................................... 201 6.5. Качество электроэнергии ........................................................................... 202 6.5.1. Отклонение частоты ................................................................................. 205 6.5.2. Отклонения напряжения .......................................................................... 212 6.5.3. Колебания напряжения и фликер ........................................................... 223 6.5.4. Несимметрия напряжений ....................................................................... 230 6.5.5. Несинусоидальность напряжения .......................................................... 237 6.5.6. Провалы напряжения и перенапряжения .............................................. 246 Вопросы для самопроверки ................................................................................... 253 Раздел № 7. Энергосбережение в электроэнергетике ......................................... 254 7.1. Общие вопросы энергосбережения ........................................................... 254 7.2. Классификация потерь мощности и электроэнергии в электрических сетях ........................................................................................ 255 7.3. Основы расчёта потерь энергии в элементах электрических сетей ........ 260 7.4. Методы расчёта, анализа и планирования потерь энергии в электрических сетях ........................................................................................ 262 7.4.1. Классификация методов расчёта, анализа и планирования потерь .................................................................................................................... 262 7.4.2. Прямой метод расчёта потерь электроэнергии ..................................... 264 7.4.3. Балансовый метод анализа потерь электроэнергии .............................. 265 7.4.4. Структурный анализ потерь мощности и электроэнергии ................... 268 7.4.5. Регрессионный метод анализа и прогнозирования потерь электроэнергии ................................................................................................... 273 7.4.6. Методы расчёта условно-постоянных потерь ....................................... 275 7.4.7. Методы расчёта нагрузочных потерь электроэнергии ......................... 279 7.4.8. Порядок расчёта потерь, обусловленных нормативно допустимыми погрешностями системы учёта электроэнергии ..................... 283 7.5. Мероприятия по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях ........................................................................................ 284 7.5.1. Классификация и основное содержание мероприятий по снижению потерь электроэнергии ............................................................... 284 7.5.2. Мероприятия по снижению коммерческих потерь электроэнергии ................................................................................................... 295 7.5.3. Мероприятия по снижению технических потерь электроэнергии в электроэнергетических системах ................................................................... 298 7.5.4. Методологические подходы к оценке эффективности мероприятий по снижению потерь электроэнергии ....................................... 306 7.6. Энергетическое обследование и энергетический аудит электрических сетей ........................................................................................... 313 5
7.7. Основы энергосбережения в системах электроснабжения предприятий ........................................................................................................ 319 7.7.1. Организационные и технические мероприятия энергосбережения в системах электроснабжения предприятий .................... 319 7.7.2. Основные мероприятия энергосбережения в системах электроснабжения предприятия ....................................................................... 320 7.7.3. Основы экономии электроэнергии при проектировании и эксплуатации электроустановок .................................................................... 321 Вопросы для самопроверки ................................................................................... 323 Раздел № 8. Пути развития электроэнергетики в ХХI веке ............................... 325 8.1. Реструктуризация и дерегулирование электроэнергетики ..................... 325 8.2. Построение интеллектуальной электрической сети ................................ 326 8.3. Применение устройств FACTS .................................................................. 337 8.4. Цифровые подстанции ................................................................................ 344 8.5. Современные решения в областях генерации, передачи, распределения и накопления электроэнергии ................................................. 350 8.5.1. Генерация электроэнергии ...................................................................... 350 8.5.2. Передача и распределение электроэнергии ........................................... 353 8.5.3. Накопление электроэнергии ................................................................... 359 Вопросы для самопроверки ................................................................................... 362 Глоссарий ................................................................................................................ 364 Список литературы ................................................................................................ 369 6
ПРЕДИСЛОВИЕ Электроэнергетика, которая на сегодня весьма динамично развивается во всем мире, является основополагающей отраслью экономики любого государства со сложными структурой и функциями. От уровня развития электроэнергетики и реализации ею своих основных задач зависят техническая и экономическая эффективность работы других отраслей промышленности и качество жизни населения. Целью данного учебного пособия является ознакомление читателей с состоянием и проблемами современной электроэнергетики и существующими (перспективными) путями их решения. Материал, изложенный в учебном пособии, охватывает целый ряд дисциплин, которые читаются в ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» обучающимся по направлению «Электроэнергетика и электротехника» при подготовке бакалавров и магистров. Настоящее учебное пособие предполагается авторами как продолжение пособия «Введение в электроэнергетику и электротехнику» [1], в котором читатели могли ознакомиться со следующими вопросами: краткой историей становления и развития электроэнергетики и электротехники; основными законами и общими вопросами электротехники; характеристиками электроэнергетических систем и сетей; принципами выработки электроэнергии на электростанциях различного типа (в том числе, с использованием возобновляемых источников энергии); конструкцией и принципом действия основных элементов по выработке, передаче, преобразованию, потреблению и накоплению электроэнергии; основами построения релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем; краткими сведениями об электробезопасности и экологическими проблемами, обусловленными ростом производства и потребления энергии. Предварительное изучение учебного пособия «Введение в электроэнергетику и электротехнику» позволяет лучше разобраться в материале настоящего издания. Авторами учтён опыт многолетнего преподавания различных дисциплин на кафедре «Электрические системы» ДОННТУ, а также проведения повышения квалификации для работников электроэнергетических предприятий. В учебном пособии рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с общими характеристиками, проблемами и тенденциями развития современной 7
электроэнергетики; особенностями электроэнергии и режимов электроэнергетических систем; классификациями и характеристиками основных типов электроприёмников; понятиями, источниками и потребителями активной и реактивной мощностей. В разделах 5–7 достаточно подробно рассмотрены вопросы решения основных задач эксплуатации электроэнергетических систем: обеспечения надёжности электроснабжения потребителей, качества электроэнергии и энергосбережения (снижения собственных затрат на выработку и передачу электроэнергии). Авторы стремились изложить материал компактно и в логичной последовательности. При этом построение учебного пособия таково, что при необходимости предусматривает возможность выборочного использования его материала. Для контроля степени усвоения изучаемого материала ко всем разделам учебного пособия разработаны контрольные вопросы для осуществления самопроверки. При подготовке настоящего учебного пособия авторы пользовались многочисленными работами, связанными с состоянием и проблемами современной электроэнергетики, показателями (критериями) надёжности и эффективности функционирования электроэнергетических систем, качества электроэнергии, способами и средствами их обеспечения и др. Учитывая обширную тематику вопросов и задач в электроэнергетике, затрагиваемых в тексте настоящего учебного пособия, составление подробного списка литературы является весьма непростой задачей. Например, только по таким темам как «Надёжность электроэнергетических систем» или «Основы электромагнитной совместимости. Качество электроэнергии в электроэнергетических системах» можно отметить до несколько сотен работ и даже больше. Поэтому предлагаемый перечень рекомендуемой литературы содержит отсылки лишь к некоторым источникам. Этот перечень ни в коем случае не следует считать полным и исчерпывающим, поскольку таковым он, очевидно, не является. Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам: Мареничу Константину Николаевичу – д. т. н., профессору, заведующему кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р. М. Лейбова» ГОУВПО «ДОННТУ» и Захарчуку Александру Сидоровичу – д. т. н., профессору, профессору кафедры «Электроэнергетика» ГОУВО ЛНР «ЛГУ им. В. Даля», а также Ларину Аркадию Михайловичу – доценту кафедры «Электрические системы» ГОУВПО «ДОННТУ» за замечания и полезные советы, позволившие улучшить учебное пособие. 8
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ АББЭ аккумуляторная батарея большой энергоёмкости АВР автоматическое включение резерва АД – асинхронный двигатель АПВ – автоматическое повторное включение АРВ автоматическое регулирование возбуждения АРГ анализ растворенных газов АРС – автоматический регулятор скорости АРЧ – автоматический регулятор частоты АРЧМ – автоматическое устройство регулирования частоты и мощности АСДУ автоматизированная система диспетчерского управления АСКУЭ автоматизированная система учёта и контроля электроэнергии АСУ автоматизированная система управления АСУ ТП автоматизированная система управления технологическими процессами АЧР – автоматическая частотная разгрузка АЭС – атомная электрическая станция БСК – батареи статических конденсаторов БПФ – быстрое преобразование Фурье ВАХ – вольт-амперная характеристика ВДТ – вольтодобавочный трансформатор ВИЭ – возобновляемые источники энергии ВЛ воздушная линия электропередачи ВН высшее напряжение ВР восстановительный ремонт ВТСП высокотемпературный сверхпроводник ВЭС ветровая электрическая станция ГАЭС – гидроаккумулирующая электрическая станция ГИЛ – газоизолированная линия ГПП – главная понизительная подстанция ГЭС – гидравлическая электрическая станция ДСП – дуговая сталеплавильная печь ДЭС – дизельная электрическая станция ЗУ – заземляющее устройство ИП источник питания ИРМ источник реактивной мощности ИЭУ интеллектуальное электронное устройство КЗ короткое замыкание КЗР короткозамкнутый ротор КЛЛ компактные люминесцентные лампы 9
КЛ кабельная линия электропередачи КПД коэффициент полезного действия КРМ компенсация реактивной мощности КРУ комплектное распределительное устройство КРУЭ комплектное распределительное устройство элегазовое КУ компенсирующее устройство КЭ – качество электроэнергии КЭС – конденсационная электрическая станция ЛЭП линия электропередачи ЛЛ люминесцентная лампа ЛН лампа накаливания МПД многопараметрическая диагностика МСПЭ мероприятие по снижению потерь электроэнергии НН – низшее напряжение НЭС – национальная энергосистема ОЗЗ – однофазное замыкание на землю ОПН – ограничитель перенапряжений ОРУ – открытое распределительное устройство ОЭС – объединённая энергосистема ПА – противоаварийная автоматика ПАУ противоаварийное управление ПБВ – переключение без возбуждения ПКЭ – показатель качества электроэнергии ППР – планово-предупредительный ремонт ПС – подстанция ПЭС – предприятие электрических сетей РВ – разрядник вентильный РЗ – релейная защита РЗА – релейная защита и автоматика РПН – регулирование напряжения под нагрузкой РУ – распределительное устройство СВ – секционный выключатель СГ – синхронный генератор СД – синхронный двигатель СИ – средство измерения СК – синхронный компенсатор СМ – синхронная машина СПИНЭ – сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии СТК – cтатический тиристорный компенсатор СTП – стoлбoвaя тpaнcфopмaтopнaя подстанция СЭС – гелиоэлектростанция или солнечная электрическая станция ТИ – телеизмерение ТН – трансформатор напряжения ТОиР – техническое обслуживание и ремонт 10