Класс напряжения

Класс напряжения — это типовое значение линейного (междуфазного) напряжения в электрических сетях, которое является номинальным для различных групп оборудования: трансформаторов, линий, генераторов, реакторов и прочих. Класс напряжения определяет требуемый уровень электрической изоляции электрооборудования. Порядок класса напряжения определяет то, для каких целей и задач применяется это оборудование. В частности, низкие напряжения используются для распределения мощности между мелкими потребителями на малые расстояния, средние классы — для распределения мощности между средними потребителями и группами потребителей на умеренной дистанции, высокие и сверхвысокие классы — для распределения мощности между крупными потребителями и для передачи мощности на большие расстояния. Иными словами низкие и средние классы напряжения характерны для распределительных сетей, в то время как высокие и сверхвысокие классы — для системообразующих сетей, связывающих отдельные энергосистемы.

Необходимость применения различных классов напряжения

Энергосистема на разных классах напряжения

На заре электроэнергетики, когда идея объединенных энергосистем еще не возникла, электрические сети использовались изолированно на отдельных предприятиях, аналогично тому, как до этого применялись механические передаточные системы. Каждое из предприятий стремилось построить свою собственную станцию и управлять её самостоятельно. Идею электростанции, как независимого объекта, имеющего своей целью исключительно выработку и продажу электроэнергии как товара, одним из первых предложил Сэмюэль Инсулл. И если прежде низких классов напряжения было достаточно для нужд промышленности, которые могли быть различны, поскольку задачи совместной работы предприятий не стояло, то теперь в новых реалиях возникло два ключевых вопроса: как передать мощность от электростанций сразу нескольким потребителям — проблема удаленности источников электроэнергии от районов потребления, и как обеспечить совместимость по напряжению всех используемых установок?

Второй вопрос решился с точки зрения электроэнергетики сравнительно просто: был введен стандарт на классы напряжения, что обеспечило их совместимость. Первый вопрос оказывается напротив карйне сложным, поскольку передача на большое расстояние создает сразу несколько инженерных проблем. Ниже приводятся основные их них:

Чем выше напряжение, тем меньше потери мощности. Данную закономерность хорошо описывает формула потерь в элементе сети по параметрам конца передачи:

[math]\displaystyle\Delta\dot{S} = \frac{P^2+Q^2}{V^2}(R+jX),[/math]

где [math]\Delta\dot{S}[/math] — потери мощности в передаче, МВА; [math]P[/math], [math]Q[/math] — мощности в конце передачи, МВт и МВар; [math]V[/math] — модуль напряжения в конце передачи, кВ; [math]R[/math], [math]X[/math] — активное и реактивное сопротивления передачи, Ом. Эта формула очевидно показывает, что при передаче одной мощности при увеличении напряжения потери мощности квадратично уменьшаются.

Чем выше напряжение, тем выше предел передаваемой мощности. Для любой передачи существует предел передаваемой активной мощности, определяемые статической устойчивостью, который в простейшем случае на основании уравнения угловой хараткеристки передачи определяется следующим выражением:

[math]\displaystyle P_{max} = \frac{U_1 \dot U_2}{X},[/math]

где [math]U_1, U_2[/math] — напряжения по концам передачи, кВ; [math]X[/math] — реактивное сопротивление передачи, Ом; [math]P_{max}[/math] — предел передаваемой мощности мередачи, МВт. Нетрудно видеть, что с ростом напряжения предел передаваемой мощности квадратично растет.

Классификация классов напряжения

По уровню напряжения все классы напряжения условно разделяют на следующие группы:

• Ультравысокий класс напряжения – от 1000 кВ.
• Сверхвысокий класс напряжения – от 330 кВ до 750 кВ.
• Высокий класс напряжения – от 110 кВ до 220 кВ.
• Средний класс напряжения – от 1 кВ до 35 кВ.
• Низший класс напряжения – до 1 кВ.

Максимально допустимые рабочие напряжения превышают номинальные значения на 15% [math](U_{\text{ном}}\le 220\text{ кВ})[/math] , на 10% [math](220 \lt U_{\text{ном}} \lt 500\text{ кВ})[/math] и на 5% [math](500 \le U_{\text{ном}}\text{ кВ})[/math]. Шкалы номинальных напряжений генераторов и вторичных обмоток трансформаторов выбраны выше на 5—10% номинальных напряжений потребителей, линий электропередачи, первичных обмоток трансформаторов с целью облегчения поддержания номинального напряжения у потребителей.

Классы напряжения
Класс напряжения, кВ	0,22	0,38	0,66	3	6	10	13,8	15,75	18	20	35	110	150	220	330	500	750	1150
Максимально допустимое рабочее напряжение, кВ	0,253	0,437	0,759	3,6	6,9	11,5	15,87	18,11	20,7	23	40,5	126	172	252	363	525	787	1207,5
Электрические сети, кВ	0,22	0,38	0,66	3	6	10	-	-	-	20	35	110	150	220	330	500	750	1150
Генератор, кВ	0,23	0,4	0,69	3,15	6,3	10,5	13,8	15,75	18	20	-	-	-	-	-	-	-	-
Первичная обмотка трансформатора, кВ	0,22	0,38	0,66	3; 3,15	6; 6,3	10; 10,5	13,8	15,75	18	20	35	110; 115	150; 158	230	330	500	750	1150
Вторичная обмотка трансформатора, кВ	0,23	0,4	0,69	3,15; 3,3	6,3; 6,6	10,5; 11	-	-	-	22	36,75; 38,5	115; 121	158; 165	242	347	525	787	-

Выбор класса напряжения при проектировании сетей

Границы равноэкономичности классов напряжения: 1 - 1150 и 500 кВ; 2 - 500 и 220 кВ; 3 - 220 и 110 кВ; 5 - 750 и 330 кВ; 6 - 330 и 150 кВ

Границы равноэкономичности классов напряжения: 4 - 110 и 35 кВ; 7 - 150 и 35 кВ

Выбор класса напряжения при проектировании сетей является комплексным и требует совместного решения задач обеспечения надежного электроснабжения с одной стороны и минимума капитальных и эксплуатационных затрат. В частности, очевидно, что внутренние сети промышленного предприятия или населенного района не следует выполнять на сверхвысоком классе напряжения, например 500 кВ, и тому есть ряд причин: колоссальные затраты на ввод оборудования не приведут к существенному снижению потерь, поскольку эти потери зависят от напряжения квадратично, но приведут к усложнению эксплуатации, а также нерациональными расходами на содержание и обновление оборудования. В этой связи для выбора класса напряжения могут быть использованы типовые кривые равноэкономичности, которые очерчивают границы оптимального применения классов напряжения на основании расстояния, на которое требуется передать мощность в системе, и мощности, которую требуется передать. Указанные кривые фактически формируют зоны, в которых каждый из классов напряжения наиболее экономически обоснован.

Рассмотрим следующий простейший пример: необходимо выбрать класс напряжения для передачи 300 МВт на расстояние 400 км. Эта точка попадает в две зоны: зону 220 кВ (между кривыми 2 и 3) и в зону 330 кВ (между кривыми 5 и 6), таким образом между этими двумя классами напряжения и следует производить выбор: формировать варианты развития сети и выполнять проверочные расчеты.

Тем не менее, указанные кривые не являются панацеей с точки зрения выбора номинального напряжения передачи, поскольку имеют целью описать ситуацию в целом без учета конкретных особенностей. Возвращаясь к ранее представленному примеру с недопустимостью применения напряжения 500 кВ в распределительных сетях, можно также указать на то, что при всей парадоксальности предложенного выбора, выбрать между напряжениями 20 и 35 кВ значительно сложнее, поскольку они слишком близки, чтобы принимать в отношении них экспертное решение без дополнительных расчетов. Аналогично, нужно понимать необходимость анализа каждой ситуации в отдельности: в ряде случаев переход на более высокие классы напряжения может стать решением проблем с потерями мощности и напряжения, и наоборот решение о применении низкого класса напряжения позволит значительно сократить затраты на ввод и эксплуатацию оборудования, хотя последний случай менее предпочитителен: всегда должен действовать принцип "выбора на перспективу развития", иными словами - лучше потратиться сейчас, чем в последствии перестраивать систему под новые нужды.

Последние факты указывают на то, что кривые равноэкономичности могут и должны служить инструментом предварительной оценки, но не могут считаться источником истинно верного решения, поскольку всегда требуется дополнительныя оценка схемно-режимной ситуации, в частности, в данном случае серии проверочных расчетов установившихся режимов.

Комментарии к вопросу о классах напряжения

При осуществлении расчетов в рамках анализа и управления энергосистемами следует учитывать ряд моментов связанных с классами напряжения, о которых и следует упомянуть в этом разделе.

Учет режима работы нейтрали

При расчетах коротких замыканий следует обращать особое внимание на класс напряжения, поскольку в зависимости от класса может быть различным режим работы нейтрали в сети. В частности, на низших и средних классах напряжения нейтраль в подавляющем большинстве случаев оказывается изолированной - это позволяет при адекватных затратах на повышенный уровень изоляции облегчить режим работы сети, а именно фактически исключить фактор однофазных замыканий, которые, являясь наиболее вероятными среди оных в сетях всех уровней, при изолированной нейтрали не представляют существенной угрозы и, что особенно важно, не приводят к нарушению электроснабжения потребителей. Таким образом, для расчетчика класс напряжения должен в данной ситуации, как минимум, указать на необходимость уточнения состояния нейтрали и учет этого фактора в дальнейших расчетах.

Повышенное напряжение базисного узла

Во многих практических расчетах можно столкнуться с тем, что напряжение базисного узла задается повышенным и редко совпадает с номинальной величиной. В частности, для сетей 110 кВ величина составляет 115 (121) кВ, для сетей 220 кВ - 230 (242) кВ. Объяснений данному факту может быть несколько.

В первую очередь это может быть обусловлено тем, что в соответствии с указаниями по расчету коротких замыканий при учете тока подпитки от внешней системы необходимо задавать напряжение этой системы выше номинала на 5 %. Эта мера направлена на намеренное завышение расчетного тока короткого замыкания, чтобы исключить неопределенность, связанную с составом оборудования и режимом внешней сети.

Второе объяснение менее убедительно по сравнению с первым, но имеет под собой вполне логичное основание. Как правило, базисный узел задается на шинах мощной электростанции района, либо на шинах подстанции высокого или сверхвысокого напряжения, связывающей район с внешней системой. Опыт расчетов подсказывает, что в большинстве случаев мощность именно вытекает из базисного узла, а не наоборот. В начале передачи, опять же как правило, напряжение выше, чем на приемном конце, а на электростанции напряжения в нормальном режиме выше, чем у потребителей. Таким образом, умышленное завышение напряжения базисного узла имеет своей целью отразить указанную физическую закономерность.

Цветовое обозначение классов напряжения

В отечественной практике расчетов и управления энергосистемами принято при графическом отображении электрических схем сетей и систем использовать унифицированное цветовое обозначение классов напряжений. Таблице ниже указаны общепринятые цветовые обозначения раздичных классов напряжения.

Класс напряжения	Образец цвета	Цвет в системе RGB
до 1 кВ		190:190:190
6 кВ		200:150:100
10 кВ		100:000:100
20, 35 кВ		130:100:050
110 кВ		000:180:200
150 кВ		170:150:000
220 кВ		200:200:000
330 кВ		000:140:000
400 кВ		240:150:030
500 кВ		165:015:010
750, 800 кВ		000:000:200
1150 кВ		205:138:255