Электрические станции, сети и системы
1. Основные технологические процессы производства электрической энергии на электростанциях.
Производство (Генерация) электроэнергии — это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую
Тепловая электроэнергетика. В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух основных видов:
Конденсационные (ГРЭС). Конденсационной называют не комбинированную выработку электрической энергии;
Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ). Теплофикацией называется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на одной и той же станции;
КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл, в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину, где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора — таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть. Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения;
Ядерная энергетика. К ней относятся атомные электростанции (АЭС). Принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе. Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д.
Гидроэнергетика. К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы;
Альтернативная энергетика. К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными»
Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;
Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;
Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;
Геотермальная энергетика
Водородная энергетика
Стоит также отметить альтернативные виды гидроэнергетики: приливную и волновую энергетику.
2. Режим работы нейтрали в электрических сетях 6-35 кВ.
Нейтралью называется общая точка соединенных в звезду обмоток генератора или трансформатора.
Под режимом нейтрали следует понимать: соединена ли нейтраль с землей или нет, а если соединена, то посредством какого сопротивления (активного или индуктивного) выполнено это соединение и какова величина этого сопротивления. Реализация одного из перечисленных вариантов приводит к тому или иному режиму нейтрали.
В нашей стране в настоящее время сети 6, 10, 35 кВ при небольших емкостных токах замыкания на землю работают с режимом полностью
изолированной нейтрали, а при превышении определенных значений этих токов – с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (компенсация емкостного тока) или резисторы. А сеть называется сетью с компенсированной нейтралью.
В сетях 6-35 кВ применяются
3. Режим работы нейтрали в электрических сетях 110 кВ и выше.
В сетях 110 кВ и выше применяется эффективное заземление нейтрали, когда нейтрали силовых трансформаторов заземляются через небольшое активное или небольшое индуктивное сопротивление. В сетях 220 кВ и выше применяется глухозаземленная нейтраль, когда нейтрали соединяют с землей без промежуточных элементов.
Преимуществом таких заземлений является быстродействующая защита от однофазных КЗ, которые составляют до 80% всех видов повреждений.
4. Принцип работы синхронных генераторов
Синхронный генератор – это электрическая машина, представляющая собой генератор переменного тока, угловая скорость ротора которого равна синхронной угловой скорости поля.
Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Так, при изменении величины магнитного потока через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в последнем возникает электродвижущая сила:
где ℇ – электродвижущая сила;
Ф - магнитный поток через поверхность, ограниченную замкнутым контуром.
При равномерном вращательном движении токопроводящего контура в постоянном магнитном поле (рис. 2.6.1) возникает синусоидальная электродвижущая сила. При замыкании контура действие ЭДС приводит к возникновению тока в цепи.
В мощных синхронных генераторах постоянное магнитное поле создаѐтся обмоткой возбуждения, на которую подается постоянный ток. Обмотка возбуждения располагается на вращающейся части – роторе. При подаче постоянного тока на обмотку возбуждения возникает постоянное магнитное поле, вращающееся синхронно с ротором. Процесс создания магнитного поля в синхронной машине называется возбуждением. Расположение обмотки возбуждения на роторе обусловлено тем, что мощность возбуждения составляет несколько процентов от мощности синхронного генератора, что облегчает подвод тока к вращающимся частям. Регулирование тока в обмотке возбуждения реализуется системой возбуждения генератора. На неподвижной части синхронного генератора (статоре) размещается обмотка, в которой наводится ЭДС. Частота электрического тока статора зависит от количества пар полюсов ротора. На рис. 2.6.1 изображена система с одной парой полюсов. При одной паре полюсов частота электрического тока статора равна частоте вращения ротора, т.к. за один оборот происходит пересечение каждого полюса один раз. При наличии нескольких пар полюсов частота тока статора определяется выражением:
5. Распределительные устройства высокого напряжения и их состав.
Распределительное устройство (РУ) — электроустановка, служащая для приема и распределения электрической энергии одного класса напряжения
Распределительное устройство содержит:
· набор коммутационных аппаратов;
· сборные и соединительные шины;
· вспомогательные устройства РЗиА;
· средства учета и измерения.
Конструктивные особенности
Открытое распределительное устройство (ОРУ) — распределительное устройство, оборудование которой располагается на открытом воздухе. Все элементы ОРУ размещаются на бетонных или металлических основаниях. Расстояния между элементами выбираются согласно ПУЭ.
Сборные шины ОРУ могут выполняться как в виде жёстких труб, так и в виде гибких проводов. Жёсткие трубы крепятся на стойках с помощью опорных изоляторов, а гибкие подвешиваются на порталы с помощью подвесных изоляторов.
Территория, на которой располагается ОРУ, в обязательном порядке огораживается.
Преимущес тва
ОРУ позволяют использовать электрические устройства больших размеров, чем, собственно, и обусловлено их применение на высоких классах напряжений.
Изготовление ОРУ не требует дополнительных затрат на строительство помещений.
ОРУ удобнее ЗРУ в плане расширения и модернизации.
Возможно визуальное наблюдение всех аппаратов ОРУ.
Недоста тки
Эксплуатация ОРУ затруднена в неблагоприятных климатических условиях, кроме того, окружающая среда сильнее воздействует на элементы ОРУ, что приводит к их раннему износу.
ОРУ занимают намного больше места, чем ЗРУ.
вспомогательные устройства (компрессорные, аккумуляторные и др.), а также устройства зашиты, автоматики и измерительные приборы.
6. Типовые схемы распределительных устройств на напряжении 6 - 35 
кВ.
7. Типовые схемы распределительных устройств на напряжении 110-220 кВ
8. Типовые схемы распределительных устройств на напряжении 330 – 500 кВ
9. Назначение высоковольтных выключателей и разъединителей. Высоковольтный выключатель — коммутационный аппарат,
предназначенный коммутаций цепей и электрооборудования в энергосистеме при ручном, дистанционном или автоматическом управлении.
Разъединитель — это коммутационный аппарат, предназначенный для коммутации электрической цепи без тока или с не значительным током, который для обеспечения безопасности имеет между контактами в отключенном положении видимый изоляционный промежуток. В отличие от выключателя его контакты открыты, и их состояние можно наблюдать визуально.
10. Назначение, основные типы и принцип работы измерительных трансформаторов тока.
Трансформатор тока предназначен для уменьшения первичного тока до значений, наиболее удобных для измерительных приборов и реле, а также для отделения цепей измерения и защиты от первичных цепей высокого напряжения.
ТТ состоит из магнитопровода и изолированных первичной и вторичной обмотки, где первичная обмотка подключается последовательно в цепь измеряемого тока, а ко вторичной обмотке последовательно присоединяются измерительные приборы, устройства автоматики или релейной защиты и также она заземляется в одной точке.
Ток проходя через первичную обмотку создает в магнитопроводе магнитный поток и так как вторичная обмотка замкнута то в ней наводится ЭДС и вместе с ним ток.
В электроэнергетике нашли применение трансформаторы тока двух типов: электромагнитные и волоконно-оптические
11. Схемы соединений измерительных трансформаторов тока.
12. Назначение и основные типы и принцип работы измерительных трансформаторов напряжения.
Трансформатор напряжения предназначен для понижения высокого напряжения до стандартного значения и для отделения цепей измерения и релейной защиты от первичных цепей высокого напряжения.
Принцип работы как и у ТТ только вторичная обмотка не замкнута и приборы присоединяются к ней параллельно.
Бывают сухими, масляными и с литой изоляцией.
13. Схемы соединений измерительных трансформаторов напряжения.
А – два однофазных двухобмоточных ТН Б – трехф двухоб ТН
В – трехфазный трехобмоточный ТН
14. Способы ограничения токов короткого замыкания. Секционирование электрических сетей;
установка токоограничивающих реакторов,
использование трансформаторов с расщепленными обмотками низшего напряжения
15. Синхронизация синхронных генераторов.
Синхронизация – это процесс включения СГ на параллельную работу с другими генераторами или энергосистемой.
При параллельном подключении синхронного генератора (СГ) на общую нагрузку необходимо соблюдение следующих условий:
1) порядок чередования фаз генератора и сети должен быть одинаковым;
2) частоты генератора и сети должны быть равны;
3) значения напряжений генератора и сети должны быть равны;
4) напряжения генератора и сети должны совпадать по фазе. Способы синхронизации - точная и самосинхронизация.
Метод самосинхронизации заключается в том, что ротор генератора разгоняется турбиной до частоты вращения близкой к синхронной и без возбуждения включается в сеть, после чего на ротор подается возбуждение и он втягивается в синхронизм.
При точной синхронизации ротор генератора разгоняется турбиной и возбуждается, затем осуществляется подгонка величин напряжения, частоты генератора с сетью и выбирается момент когда угол между векторами напряжений сети и генератора равен нулю.
16. Преимущества и недостатки автотрансформаторов. Понятие коэффициента выгодности.
Автотрансформаторы отличаются от трансформаторов тем, что у них обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения, т. е. цепи этих обмоток имеют не только магнитную, но и электрическую связь. Среди преимуществ можно выделить то, что
КПД автотрансформаторов намного выше, чем у обычных трансформаторов, количество витков, размеры и вес магнитопровода меньше, что значительно экономит материал и соответственно цену автотрансформаторов. Недостатком является необходимость обязательного глухого заземления нейтрали. Это приводит к тому, что ток однофазного короткого замыкания может быть больше тока трехфазного короткого замыкания.
Коэффициент выгодности это отношение мощности автотрансформатора к близкой по номинальной мощности другого трансформатора. Показывает во сколько раз увеличивается мощность.
17. Схемы замещения элементов электрических сетей и их параметры 
18. Преобразование схем замещения электрических сетей.
Целью преобразования схемы замещения является ее приведение к простейшему виду. Простейшей называется эквивалентная схема, состоящая из одного результирующего сопротивления.
К таким преобразованиям относятся:
19. Причины потерь в элементах электрической сети и их определение.
- технические потери электроэнергии обусловленные физическими процессами в проводах и электрооборудовании, происходящими при передаче электроэнергии по электрическим сетям;
- потери электроэнергии, обусловленные инструментальными погрешностями их измерения (инструментальные потери);
- коммерческие потери обусловленные хищениями электроэнергии, несоответствием показаний счетчиков оплате за электроэнергию бытовыми потребителями, задержкой платежей, неоплатой счетов.
К техническим потерям электроэнергии относятся потери холостого хода в трансформаторах, потери на корону в ВЛ, расход электроэнергии на плавку гололеда, расход электроэнергии на собственные нужды подстанций.
20. Расчёты режимов линии.
Расчет режима любой электрической цепи предполагает определение напряжений в узлах и токов в ветвях. При расчете режимов электрических сетей вместо токов обычно используют потоки мощности в линиях электропередачи. Пользуются при этом известными законами Ома и Кирхгофа, но по уравнениям, составленным применительно к потокам мощности. При расчете режимов линий электропередачи интерес представляют 4 величины: напряжение и мощность в начале линии и напряжение и мощность в конце линии. При этом две из них должны быть заданы, а две оставшиеся подлежат расчету. Порядок и методы расчета определяются тем, какие именно величины заданы и какие необходимо определить.
21. Понятие статической устойчивости. Нагрузочно-угловая характеристика синхронного генератора.
Под понятием статической устойчивости понимают способность энергосистемы восстанавливать исходный или близкий к исходному режим работы энергосистемы после малого возмущения.
22.Исходные данные для расчета режимов электрических сетей и результаты этих расчетов.
- величина напряжения в одном из узлов электрической сети, называемом базисным узлом по напряжению.
В результате расчета определяются уровни напряжения в узлах расчетной схемы электрической сети, потоки и потери мощности в ветвях расчетной схемы.
23. Падение и потеря напряжения в элементах электрической сетей.
Потерей напряжения называется разность модулей напряжений в начале и в конце элемента сети
Падение напряжения называется разность комплексов напряжений в начале и в конце элемента сети
Падение напряжения – величина векторная, а потеря напряжения – скалярная.
24. Порядок (алгоритм) расчетов установившихся режимов электрических систем.
Определяются параметры схем замещения элементов системы (сопротивления, проводимости ветвей и коэффициенты трансформации), вводятся номинальные напряжения, задаются нагрузки , моделируются генераторные узлы, задаются токовые ограничения всех элементов.
Расчеты параметров установившихся режимов обычно выполняют автоматически с помощью ЭВМ.
25. Мероприятия по снижению потерь электрической энергии.
- ввод компенсирующих устройств (КУ) и трансформаторов с РПН, а также ввод дополнительных ВЛ и трансформаторов для разгрузки перегруженных участков сетей;
- замена измерительных трансформаторов на трансформаторы с улучшенными характеристиками;
- замена существующих приборов учета на приборы с улучшенными характеристиками;
- установка приборов технического учета электроэнергии на радиальных линиях, отходящих от подстанций.
26. Баланс активной мощности и его связь с частотой.
При выполнении равенства частота в ЭЭС неизменна и определяется частотой вращения турбин генераторов. Любое изменение генерируемой или потребляемой мощности приводит к изменению частоты в ЭЭС.
27. Понятие динамической устойчивости генератора и способы ее повышения.
Динамическая устойчивость генератора – это способность генератора сохранять режим выдачи мощности в сеть (без нарушения синхронизма) в случаях внезапных, значительных изменений в цепи электропередачи, например, при отключениях линий, при КЗ в сети и т.д.
Способы повышения ДУ:
– применение быстродействующих выключателей и правильная настройка релейной защиты
– применение АПВ
– повышение уровня напряжения на ЛЭП
– электрическим торможением
28. Асинхронный режим в энергосистемах.
Асинхронный режим – переходный режим в энергосистеме, характеризующийся несинхронным вращением части генераторов энергосистемы, т е скорость вращения одного генератора отличается от остальных.
Асинхронные режимы могут возникать в результате:
- нарушения статической устойчивости из-за увеличения передаваемой мощности по линиям электропередачи сверхдопустимого значения;
- нарушения динамической устойчивости из-за аварийных возмущений (коротких замыканий, отключение генерирующего оборудования или электроустановок потребителя);
- несинхронного включения линий электропередачи и генераторов;
- потери возбуждения генератора.
29. Баланс реактивной мощности. Основные источники и потребители реактивной мощности.
Для нормальной работы электроприемников нужна также и реактивная мощность которая идет на поддержание электромагнитных процессов в нагрузках.
Источниками реактивной мощности в системе являются генераторы электростанций, но также воздушные и кабельные ЛЭП, батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели, статические компенсирующие установки и др.
Основными потребителями реактивной мощности в электрических системах являются трансформаторы, воздушные линии электропередач, асинхронные двигатели, вентильные преобразователи, индукционные электропечи, сварочные агрегаты.
30. Регулирование напряжения в энергосистеме с помощью компенсации реактивной мощности.
Компенсация реактивной мощности — целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения и снижения потерь электроэнергии.
Сущность регулирования напряжения за счет воздействия на потоки реактивной мощности по элементам электрической сети заключается в том, что при изменении реактивной мощности изменяются потери напряжения в реактивных сопротивлениях.
Реактивную мощность в узлах сети можно изменять путем установки в них устройств поперечной компенсации, т. е. компенсирующих устройств (КУ), подключенных параллельно нагрузке. В качестве таких компенсирующих реактивную мощность устройств могут служить батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы, шунтирующие и управляемые реакторы, статические тиристорные компенсаторы.
31. Компенсация реактивной мощности в электроэнергетической системе.
Компенсирующие устройства (КУ) в зависимости от их типа и режима работы могут генерировать или потреблять реактивную мощность Qку, компенсируя её дефицит или избыток в электрической сети, уменьшать или увеличивать индуктивное сопротивление.
Реактивная мощность, передаваемая от электростанции и других центральных источников, загружает все элементы электрической сети, уменьшая возможность передачи активной мощности. Поэтому по экономическим соображениям потребность в реактивной мощности (в большей её части) необходимо удовлетворять за счёт установки местных источников реактивной мощности. В этом случае уменьшается передача реактивной мощности по участкам сетей:
32. Регулирование напряжения с помощью трансформаторов.
Различают два способа регулирования напряжения трансформаторов: переключение отпаек трансформатора при отключении от сети и регулирование напряжения под нагрузкой. Устройство переключения при отключении от сети чаще называют ПБВ (переключение без возбуждения). ПБВ имеет систему неподвижных контактов, соединѐнных с ответвлениями обмотки, и систему движущихся контактов. Переключатель располагается на крышке или стенке бака, переключение осуществляется персоналом вручную поворотом переключателя. Регулирование посредством ПБВ как правило осуществляется при сезонных изменениях нагрузки. ПБВ обычно изготавливают на 5 положений: ±2,5% или ±5%.
Для возможности регулировать коэффициент трансформации без отключения трансформатора на энергообъектах с высшим напряжением 110 кВ и более используются устройство регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Чтобы при замыкании ответвлений в образовавшемся контуре не протекал большой ток, используют реактор L с расщеплѐнной обмоткой. Несомненным минусом устройства РПН является низкая его надѐжность в связи с наличием большого количества подвижных частей и блок-контактов.
Трансформаторы с РПН имеют большее число регулировочных ступеней и более широкий диапазон регулирования (до ±16 %)
33. Выбор сечения проводов и их проверка по техническим ограничениям.
Сечение, полученное в результате расчета, округляется до ближайшего стандартного сечения.
Затем осуществляется проверка выбранного сечения по условиям короны, механической прочности и по допустимой токовой нагрузке.
34. Выбор мощности силовых трансформаторов электрических станций и подстанций.
В общем случае выбор количества трансформаторов (автотрансформаторов) на подстанции определяется составом потребителей, мощностью их нагрузки, количеством необходимых номинальных напряжений.
РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА
1. Виды повреждений в электрических сетях.
Более подробно:
а) Трехфазное КЗ
б) Двухфазное КЗ
2. Однофазное короткое замыкание и однофазное замыкание на землю.
в) Однофазное КЗ на землю в сети с эффективно (и глухо) заземленной нейтралью 
д) Замыкание одной фазы на землю в сетях с изолированной нейтралью
Когда нейтраль заземлена (см. рис. 1.2 в), это будет однофазное короткое замыкание. Когда нейтраль не заземлена, т.е. изолирована от земли (см. рис. 1.2 д), это будет просто однофазное замыкание на землю.
3. Схемы замещения трансформаторов для токов нулевой последовательности.
Более подробно:
4. Порядок расчета несимметричных КЗ. Правило эквивалентности прямой последовательности.
Для упрощения расчетов несимметричных КЗ применяется метод симметричных составляющих, который заключается в замене несимметричного режима трехфазной сети симметричным режимом или замене несимметричного повреждения условным трехфазным коротким замыканием.
По этому методу любая несимметричная трехфазная система может быть однозначно разложена на три симметричные системы, или последовательности – прямую, обратную и нулевую.