Электрическая часть тепловых и атомных электростанций

 
 
А. А. Скоробогатов 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ТЕПЛОВЫХ  
И АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 
 
Учебное пособие 
 
2-е издание, дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024
1 

УДК 621.31.22 
ББК 31.37 
С44 
 
 
 
Рецензенты: 
ректор ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический 
университет имени В. И. Ленина» д. т. н. Г. В. Ледуховский; 
к. т. н. А. В. Рассказчиков 
 
 
 
 
 
 
 
Скоробогатов, А. А.  
С44   
Электрическая часть тепловых и атомных электростанций : 
учебное пособие / А. А. Скоробогатов. – 2-е изд., доп. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 216 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1677-1 
 
Приведены общие сведения о технологической и организационной 
структурах электроэнергетической отрасли РФ. Дано представление об 
электроэнергетических системах и о роли электростанций в них, о структуре электрической части ТЭС и АЭС, об устройстве, параметрах и работе основного и вспомогательного электрооборудования ТЭС и АЭС, о 
схемах распределительных устройств, о структуре и работе системы собственных нужд ТЭС и АЭС, включая принципы регулирования производительности рабочих машин электродвигателями собственных нужд. 
Для бакалавров, обучающихся по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» по профилю «Тепловые электрические станции». 
 
УДК 621.31.22 
ББК 31.37 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1677-1 ” Скоробогатов А. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Принятые сокращения и термины 
........................................................ 7 
Предисловие............................................................................................... 9 
Глава 1. Организационно-технологическая структура 
электроэнергетики 
.................................................................................. 10 
1.1. Технологическая структура электроэнергетической отрасли. 
Объекты электроэнергетики 
............................................................. 10 
1.2. Единая энергосистема России. Изолированные 
электроэнергетические системы ...................................................... 11 
1.3. Организационная структура электроэнергетической отрасли. 
Субъекты электроэнергетики ........................................................... 12 
1.4. Современное состояние электроэнергетики России ................ 15 
1.4.1. Структура установленной мощности электростанций ...... 15 
1.4.2. Структура выработки электроэнергии по ЕЭС России...... 16 
Вопросы для самоподготовки 
............................................................. 16 
Глава 2. Передача и распределение электроэнергии ....................... 17 
2.1. Классификация электрических сетей ......................................... 17 
2.2. Основные преимущества объединения энергосистем  
в Единую энергосистему ..................................................................... 21 
2.3. Потери при передаче мощности 
................................................. 22 
2.3.1. Треугольник мощностей 
....................................................... 22 
2.3.2. Способы уменьшения потерь при передаче мощности ..... 23 
Вопросы для самоподготовки 
............................................................. 24 
Глава 3. Оперативно-диспетчерское управление ............................. 25 
3.1. Назначение и задачи ..................................................................... 25 
3.2. Структура 
..................................................................................... 25 
Вопросы для самоподготовки 
............................................................. 27 
Глава 4. Графики нагрузок электроустановок ................................. 28 
4.1. Классификация графиков нагрузки.............................................. 28 
4.2. Участие различных электростанций в покрытии суточного 
графика активной нагрузки систем .................................................. 28 
4.3. Назначение графика нагрузки 
...................................................... 30 
4.4. Технико-экономические показатели, определяемые  
по графикам нагрузки .......................................................................... 30 
Вопросы для самоподготовки 
............................................................. 33 
Глава 5. Схемы выдачи мощности электростанций 
........................ 35 
5.1. Условные графические обозначения и буквенный код  
элементов электрических схем .......................................................... 35 
5.2. Структурные схемы выдачи мощности ТЭЦ, КЭС и АЭС ...... 35 
5.2.1. Структурные схемы выдачи мощности ТЭЦ 
...................... 35 
3 

5.2.2. Структурная схема выдачи мощности КЭС и АЭС ........... 39 
Вопросы для самоподготовки 
............................................................. 41 
Глава 6. Основное электрооборудование электрических  
станций ..................................................................................................... 42 
6.1. Синхронные генераторы .............................................................. 42 
6.1.1. Особенности конструкции турбогенераторов .................... 42 
6.1.2. Принцип действия синхронного генератора 
....................... 45 
6.1.3. Номинальные параметры синхронного генератора ........... 48 
6.1.4. Системы охлаждения генераторов....................................... 49 
6.1.5. Система возбуждения ........................................................... 53 
6.1.6. Режимы работы турбогенераторов ...................................... 57 
6.2. Силовые трансформаторы ......................................................... 64 
6.2.1. Назначение, принцип действия и конструктивные 
особенности ..................................................................................... 64 
6.2.2. Типы силовых трансформаторов, применяемых на 
электростанциях. Их конструктивные особенности .................... 66 
6.2.3. Основные параметры трансформаторов ............................. 72 
6.2.4. Системы охлаждения ............................................................ 72 
6.2.5. Регулирование напряжения на обмотках силового 
трансформатора 
............................................................................... 76 
6.2.6. Режимы работы силовых трансформаторов ....................... 77 
Вопросы для самоподготовки 
............................................................. 78 
Глава 7. Регулирование частоты сети в энергосистеме и уровней 
напряжений на шинах тепловых и атомных электростанций 
....... 82 
7.1. Основные показатели качества электроэнергии ...................... 82 
7.2. Регулирование частоты в энергосистемах 
................................ 83 
7.2.1. Первичное регулирование частоты ..................................... 84 
7.2.2. Вторичное регулирование частоты 
...................................... 88 
7.2.3. Третичное регулирование частоты ...................................... 89 
7.3. Регулирование напряжения на шинах ТЭЦ, КЭС и АЭС ........... 90 
7.3.1. Регулирование напряжения на шинах ТЭЦ ........................ 90 
7.3.2. Регулирование напряжения на шинах КЭС и АЭС 
............ 92 
Вопросы для самоподготовки 
............................................................. 93 
Глава 8. Короткие замыкания в электрических системах. 
Воздействия тока на проводники и аппараты .................................. 94 
8.1. Режимы работы нейтралей электроустановок ....................... 94 
8.2. Виды коротких замыканий и причины их возникновения .......... 96 
8.3. Методы ограничения токов короткого замыкания на 
электростанциях ................................................................................. 97 
8.3.1. Применение блочных схем вместо схем с ГРУ .................. 97 
4 

8.3.2. Использование трансформаторов с расщепленными 
обмотками ........................................................................................ 98 
8.3.3. Установка токоограничивающих реакторов 
..................... 100 
Вопросы для самоподготовки 
........................................................... 100 
Глава 9. Основные процессы и явления, определяющие 
конструкцию аппаратов и проводников .......................................... 101 
9.1. Нагрев аппаратов и проводников токами длительного  
режима ............................................................................................... 101 
9.2. Нагрев проводников и аппаратов токами короткого 
замыкания. Термическая стойкость проводников и аппаратов 
... 101 
9.3. Электродинамические усилия, возникающие в проводнике  
при протекании в них токов короткого замыкания 
....................... 102 
9.3.1. Общие замечания ................................................................ 102 
9.3.2. Электродинамическая стойкость ....................................... 102 
Вопросы для самоподготовки 
........................................................... 103 
Глава 10. Проводники и электрические аппараты ........................ 104 
10.1. Проводники ................................................................................ 104 
10.1.1. Классификация проводников и изоляторов .................... 104 
10.1.2. Конструкции токоведущих частей................................... 106 
10.1.3. Область применения проводников .................................. 113 
10.2. Коммутационная аппаратура до 1 кВ 
.................................... 115 
10.2.1. Типы коммутационных аппаратов до 1 кВ и область  
их применения ............................................................................... 115 
10.2.2. Автоматические выключатели 
......................................... 115 
10.2.3. Рубильники ........................................................................ 123 
10.2.4. Предохранители ................................................................ 123 
10.3. Коммутационная аппаратура выше 1 кВ .............................. 130 
10.3.1. Типы коммутационных аппаратов выше 1 кВ, 
применяемых на тепловых и атомных электростанциях 
........... 130 
10.3.2. Высоковольтные выключатели ........................................ 130 
10.3.3. Разъединители ................................................................... 137 
10.3.4. Высоковольтные предохранители ................................... 142 
10.4. Измерительные трансформаторы тока и напряжения ...... 143 
10.5. Токоограничивающие реакторы 
.............................................. 149 
Вопросы для самоподготовки 
........................................................... 154 
Глава 11. Схемы распределительных устройств  
напряжением выше 1 кВ, применяемых на электростанциях ..... 158 
11.1. Назначение распределительного устройства.  
Его основные элементы .................................................................... 158 
11.2. Основные требования (критерии) к схемам 
распределительных устройств ........................................................ 159 
5 

11.3. Типы и область применения схем распределительных 
устройств 
........................................................................................... 159 
11.3.1. Схемы со сборными шинами с коммутацией 
присоединений одним выключателем 
......................................... 160 
11.3.2. Кольцевые схемы .............................................................. 164 
11.3.3. Цепные схемы 
.................................................................... 167 
Вопросы для самоподготовки 
........................................................... 169 
Глава 12. Система собственных нужд тепловых и атомных 
электростанций ..................................................................................... 171 
12.1. Назначение системы собственных нужд 
............................... 171 
12.2. Структура и состав системы собственных нужд ТЭС ...... 171 
12.2.1. Система собственных нужд ТЭЦ с поперечными  
связями по пару ............................................................................. 171 
12.2.2. Система собственных нужд КЭС и ТЭЦ с блочной 
тепловой схемой 
............................................................................ 176 
12.3. Система собственных нужд АЭС .......................................... 177 
12.3.1. Классификация потребителей системы собственных  
нужд АЭС ...................................................................................... 177 
12.3.2. Источники энергии системы собственных нужд АЭС ..... 178 
12.3.3. Схема электроснабжения собственных нужд АЭС 
........ 179 
12.4. Электродвигатели собственных нужд .................................. 182 
12.4.1. Типы электродвигателей .................................................. 182 
12.4.2. Конструктивные особенности асинхронных 
электродвигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора ........ 183 
12.4.3. Область применения электродвигателей ........................ 186 
12.4.4. Механическая характеристика асинхронного  
двигателя 
........................................................................................ 187 
12.4.5. Режимы работы асинхронных электродвигателей  
с короткозамкнутой обмоткой ротора собственных нужд ........ 189 
12.4.6. Выбор электродвигателя................................................... 201 
12.5. Регулирование производительности рабочих машин 
системы собственных нужд ............................................................ 202 
Вопросы для самоподготовки 
........................................................... 208 
Библиографический список 
................................................................ 212 
6 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ТЕРМИНЫ 
 
АВР – автоматика ввода резерва; 
АРВ – автоматическая регулировка возбуждения; 
АРКТ – автоматика регулирования коэффициента трансформации; 
АЭС – атомные электростанции; 
БТ – блочный трансформатор; 
ВН – высокое напряжение; 
ГРУ – генераторное распределительное устройство; 
ЕНЭС – единая национальная электрическая сеть; 
ЕЭС – Единая энергетическая система; 
КЗ – короткое замыкание; 
КРУ – комплектное распределительное устройство; 
КРУСН – комплектное распределительное устройство собственных 
нужд; 
КЭС – конденсационная электрическая станция; 
ЛЭП – линия электропередач; 
МРСК – межрегиональная сетевая компания; 
НН – низшее напряжение; 
ОГК – оптовая генерирующая компания; 
ОДУ – объединенное диспетчерское управление; 
ОДС РЭС – оперативно-диспетчерская служба районных электрических сетей; 
ОРУ – открытое распределительное устройство; 
ОЭС – объединенная энергетическая система; 
РДУ – региональное диспетчерское управление; 
РПН – регулирование под нагрузкой; 
РСН – реактор собственных нужд; 
РТСН – резервный трансформатор собственных нужд; 
РУ – распределительное устройство; 
РУВН – распределительное устройство высокого напряжения; 
РУНН – распределительное устройство низкого напряжения; 
СН – собственные нужды; 
СО ЕЭС – Системный оператор Единой энергетической системы; 
СПТ – система постоянного тока; 
СШ – сборные шины; 
ТГК – территориальная генерирующая компания; 
ТС – трансформаторы связи; 
ТСН – трансформатор собственных нужд; 
ТЭС – тепловая электростанция; 
ТЭЦ – тепловая электроцентраль; 
7 

ФСК ЕЭС – Федеральная сетевая компания Единой энергетической 
системы; 
ЦДУ – центральное диспетчерское управление; 
ЦУС РСК – центр управления сетями распределительных сетевых 
компаний; 
ЦУС ПМЭС – центр управления сетями предприятий магистральных 
электрических сетей; 
ЭЭС – электроэнергетическая система. 
8 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Настоящее учебное пособие предназначено для бакалавров, 
обучающихся по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» по профилю Тепловые электрические станции. В его основу легли лекции по дисциплине «Электрооборудование тепловых электростанций», которые автор читал в течение ряда лет для студентов специальности 14.02.01 «Тепловые электрические станции» в Ивановском государственном энергетическом университете им. В. И. Ленина (ИГЭУ). 
Около 80  электроэнергии в нашей стране вырабатывается тепловыми (ТЭС) и атомными (АЭС) электростанциями. На таких энергообъектах технологические процессы преобразования одного вида энергии 
в другой требуют применения как электроэнергетического (генераторы, 
трансформаторы и т. п.), так и теплоэнергетического оборудования (котлы, турбины и т. п.). При этом процессы, происходящие в тепловой и 
электрической частях электростанций, взаимосвязаны. Нарушение в работе электрического оборудования может привести к выходу из строя теплового и наоборот. Поэтому специалисты в области обслуживания и проектирования теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС должны 
также иметь запас знаний, связанных с электрической частью электростанций. Иначе неправильные действия оперативного персонала могут 
привести к непоправимым последствиям. 
В учебном пособии приведены общие сведения о технологической и организационной структурах электроэнергетической отрасли 
нашей страны; дано представление об электроэнергетических системах и 
о роли электростанций в них, о структуре электрической части ТЭС и 
АЭС, об устройстве, параметрах и работе основного и вспомогательного 
электрооборудования ТЭС и АЭС, о схемах распределительных устройств 
(РУ), о структуре и работе системы собственных нужд ТЭС и АЭС, включая принципы регулирования производительности рабочих машин электродвигателями собственных нужд. Для более детального ознакомления с 
данными темами студенты могут обратиться к соответствующей литературе [1–5]. 
Автор постарался изложить материал простым для понимания 
языком, не прибегая к помощи формул, но учитывая базу знаний студента 
теплоэнергетического факультета в электротехнике [6]. 
Автор выражает глубокую благодарность к. т. н. А. В. Рассказчикову и д. т. н., ректору ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В. И. Ленина» Г. В. Ледуховскому за тщательное редактирование и рецензирование материала учебного пособия. 
9 

ГЛАВА 1 
 
ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ 
СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ 
 
1.1. Технологическая структура электроэнергетической 
отрасли. Объекты электроэнергетики 
 
Электроэнергетика – отрасль экономики Российской Федерации, которая выполняет следующие технологические функции: производство, передачу, распределение и потребление электроэнергии, а 
также управление работой объектов электроэнергетики (рис. 1.1). 
 
электроэнергетическая система
оперативно-диспетчерское 
управление
электростанция
электрическая сеть
потребители
магистральные сети (сети 
напряжением 220 кВ и выше)
распределительные сети (сети 
напряжением 110 кВ и ниже)
подстанция
подстанция
здание 
электростанции
ЛЭП
трансформатор
трансформатор
ЛЭП
трансформатор
ЛЭП
РУВН
РУНН
РУВН
2
РУВН
потребитель
РУНН
 
Рис. 1.1. Основные технологические функции электроэнергетики 
и ее технологические объекты: РУВН и РУНН – распределительные 
устройства высокого и низкого напряжений соответственно;  
ЛЭП – линии электропередачи 
 
Объекты электроэнергетики – имущественные объекты, непосредственно используемые в процессе производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии, а также управления работой объектов электроэнергетики. 
Электроэнергетическая система (ЭЭС) – совокупность ее 
объектов (электростанций, электрических сетей и потребителей 
электроэнергии), соединённых между собой и связанных общностью режимов в непрерывном процессе производства, преобразова10