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 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[1]. 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 \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
Выбор класса напряжения при проектировании сетей является комплексным и требует совместного решения задач обеспечения надёжного электроснабжения с одной стороны и минимума капитальных и эксплуатационных затрат. В частности, очевидно, что внутренние электрические сети промышленного предприятия или населенного района не следует выполнять на сверхвысоком классе напряжения, например 500 кВ, и тому есть ряд причин: колоссальные капиталовложения в оборудование не приведут к существенному снижению потерь мощности, 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]. 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 расчёты.
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 расчётов. 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 и значительным падением напряжения, и наоборот решение о применении низкого класса напряжения позволит значительно сократить капиталовложения и и затраты на эксплуатацию оборудования.
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 расчётов установившихся режимов.
Комментарии к вопросу о классах напряжения
При осуществлении расчётов 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[3]. 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[4][5].
| 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.
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.
- ↑ Рожкова Л. Д., Козулин В. С. Электрооборудование станций и подстанций: учебник для техникумов — 2-е изд., перераб. — М.: Энергия, 1980. - С. 600.
- ↑ Стандарт СО ЕЭС. СТО 59012820.27.010.003-2015. Правила отображения технологической информации.
- ↑ Стандарт ФСК ЕЭС. СТО 56947007-25.040.70.101-2011. Правила графического отображения информации посредством ПТК и АСУ ТП.
