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.
Содержание
Необходимость применения различных классов 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[1]. 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 ниже напряжение, тем больше 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[/math] кВ), на 10% ([math]220 \lt U_{\text{ном}} \lt 500[/math] кВ) и на 5% ([math]500 \le U_{\text{ном}}[/math] кВ). 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 |
| Электрчиеские 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
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[2].
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. Аналогичным образом, 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
А
Использованные источники
- ↑ Карр Н. «Великий переход: что готовит революция облачных технологий». — М., 2014. − С. 137.
- ↑ Неклепаев Б. Н., Крючков И. П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1989.
