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.

Ряд стандартных классов напряжения представлет из себя множество дискретных значений.

Необходимость применения различных классов напряжения

Энергосистема на разных классах напряжения

На заре электроэнергетики, когда идея объединенных энергосистем ещё 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, которые могли быть различны, было достаточно для нужд промышленности, 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?

Если второй вопрос разрешился с точки зрения электроэнергетики сравнительно просто: был введен стандарт на классы напряжения, что обеспечило их совместимость, то первый из них оказывается напротив крайне 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 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.

Наиболее рациональный класс напряжения с точки зрения минимума потерь и капиталловложений определяется на этапе долгосрочного планирования режимов работы электрической сети.

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	-

Комментарии к вопросу о классах напряжения

Учёт 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 расчётчика класс напряжения должен в данной ситуации, как минимум, указать на необходимость уточнения состояния нейтрали и учет этого фактора в дальнейших расчётах.

Повышенное напряжение базисного узла

Во многих практических расчётах 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 расчёту коротких замыканий при учете тока подпитки от внешней системы необходимо задавать напряжение этой системы выше номинала на 5 %. Эта мера направлена на намеренное завышение расчётного 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 расчётов 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 расчётов и управления энергосистемами при графическом отображении электрических схем сетей и систем принято использовать унифицированное цветовое обозначение классов напряжений. При этом есть несколько стандартов и несколько вариантов цветовых схем классов напряжения, в частности внимания заслуживают прежде всего Стандарт СО ЕЭС и Стандарт ФСК ЕЭС. Таблицах ниже указаны общепринятые цветовые обозначения раздичных классов напряжения по этим стандартам.

Цветовая схема согласно стандарту СО ЕЭС
Класс напряжения	Образец цвета	Цвет в системе RGB
1150 кВ		205:138:255
750 кВ (800 кВ ППТ)		065:065:240
500 кВ		184:000:000
400 кВ (ЛЭП, цепи ППТ)		135:253:194
330 кВ		000:204:000
220 кВ		204:204:000
		128:128:000
150 кВ		170:150:000
110 кВ		070:153:204
27 — 60 кВ		194:090:090
6 — 24 кВ		164:100:164
Генераторное напряжение		204:100:204
Без напряжения		204:204:204
		150:150:150
Заземлено		255:153:000
Перегрузка		255:000:000
Неизвестно		140:140:140

Цветовая схема согласно стандарту ФСК ЕЭС
Класс напряжения	Образец цвета	Цвет в системе RGB
1150 кВ		205:138:255
750 кВ (800 кВ ППТ)		000:000:200
500 кВ		165:015:010
400 кВ		240:150:30
330 кВ		000:140:000
220 кВ		200:200:000
150 кВ		170:150:000
110 кВ		000:180:200
35 кВ; 20 кВ		130:100:050
10 кВ		100:000:100
6 кВ		200:150:100
до 1 кВ		190:190:190
Генераторное напряжение		230:070:230
Обесточено		255:255:255
Заземлено, ремонт		205:255:155

Разница палитр, как не трудно заметить, не драматична и не препятствует использованию ни одной из них, но предагаемый стандартом ФСК вариант, подразумевает работу в программном комплексе с черным фоном, из-за чего обесточенные участки предлагается показывать белым цветом. Таким образом, ориентация на цветовую схему стандарта СО ЕЭС является более удобной для рядовых расчётов. Категорически соблюдать требования к классам напряжения необходимо только при сотрудничестве непосредственно с соответствующими организациями.