Энергетические системы. Централизованные и автономные системы электроснабжения. Классификация энергетических систем. (Лекция 12)

5. По виду схем соединения электрических сетей (см. рис. 57 и 58 на примере тягового по-требителя):
- радиальные;
- магистральные;
- кольцевые.
Производство электрической энергии отличается от производства продукции в других отраслях промышленности рядом особенностей:
- производство электроэнергии, её распределение и преобразование в другие виды энергии осуществляется одновременно;
- переходные процессы в системе протекают кратковременно;
- электроэнергетическая система тесно связана со всеми отраслями промышленности и бытовыми потребителями.
2. Режим работы отдельных звеньев энергетической системы должен быть подчинён режиму работы всей энергетической системы в целом при условии обеспечения безопасности этого режима для оборудования данного звена.
Вместе с тем, к режиму работы каждого звена могут быть предъявлены следующие требования:
- надёжность и безопасность работы каждого звена для обслуживающего персонала и оборудования;
- экономичность работы звена;
- возможность использования всей располагаемой мощности звена.
Рассмотрим схемы подключения потребительских установок на примере электрического транспорта.

Режим работы отдельных звеньев энергетической системы должен быть подчинён режиму
работы всей энергетической системы в целом при условии обеспечения безопасности этого
режима для оборудования данного звена.
Вместе с тем, к режиму работы каждого звена могут быть предъявлены следующие требования:
- надёжность и безопасность работы каждого звена для обслуживающего персонала и обо-
рудования;
- экономичность работы звена;
- возможность использования всей располагаемой мощности звена.
Рассмотрим схемы подключения потребительских установок на примере электрического
транспорта.
Система электроснабжения электрического транспорта включает в себя тяговые подстан-ции, осуществляющие приём, преобразование и распределение электроэнергии, и тяговую сеть, посредством которой осуществляется передача электроэнергии к токоприёмникам по-движного состава. Совокупность тяговых подстанций и тяговой сети образует систему тя-гового электроснабжения.
В системе тягового электроснабжения можно выделить три составные части:
- внешнее электроснабжение, включающее в себя устройства от электрической станции до
первичных шин тяговой подстанции;
- тяговая подстанция, включающая в себя распределительные устройства, трансформато-
ры, выпрямители, устройства собственных нужд;
- внутреннее (тяговое) электроснабжение, включающее в себя устройства, расположенные
от вторичных шин тяговой подстанции до токоприёмника подвижного состава – фидеры
(провода и кабели), соединяющие тяговую подстанцию с контактной и рельсовой сетями,
собственно контактная и рельсовая сети со всеми специальными частями (пересечения-
ми, стрелочными переводами и т.д.).

от вторичных шин тяговой подстанции до токоприёмника подвижного состава – фидеры (про-вода и кабели), соединяющие тяговую подстанцию с контактной и рельсовой сетями, собст-венно контактная и рельсовая сети со всеми специальными частями (пересечениями, стре-лочными переводами и т.д.).
Наиболее часто встречающимися на практике схемами присоединения тяговых подстанций к системе внешнего электроснабжения являются (см. рис. 23 и 24):
- кольцевая;
- магистральная;
- радиальная.

В электрической тяге с передачей тока по проводам применяются следующие системы то-ка, упрощенные схемы которых приведены на рис. 25:
- система постоянного тока, в которой трёхфазный ток промышленной частоты преоб-
разуется на тяговой подстанции в постоянный, заданного уровня напряжения (от 600В до
4000В);
- система однофазного тока частотой 50Гц, в которой трёхфазный ток промышленной
частоты преобразуется в однофазный заданного уровня напряжения;
- система однофазного тока пониженной частоты (25, 162/3, 15 Гц);
- система трёхфазного тока, в которой контактная сеть выполняется двухпроводной, а
третьим проводом являются рельсы.

На рис. 26 приведена структурная схема преобразования электрической энергии для пи-тания подвижного состава железнодорожного транспорта от контактной сети напряжением 3,3 кВ.
Электроэнергия напряжением 110(220) кВ поступает от трёхфазного источника (электро-энергетической системы) по специальным лини-ям (вводам) 1 на распределительное устройст-во (РУ) 2. РУ включает в себя электрические коммутационные аппараты – высоковольтные выключатели, разъединители, короткозамыка-тели и отделители, обеспечивающие коммута-цию и защиту электрооборудования.
От РУ 110(220) кВ электроэнергия поступа-ет на трёхобмоточный трансформатор 3, где производится понижение величины напряжения до 35 кВ и 10 кВ и гальваническая развязка вто-ричных цепей от первичной. Напряжение 35 кВ подаётся на РУ 35 кВ (12), а с него по питающим линиям 11 – на районные трансформаторные подстанции, питающие других потребителей.
Напряжение 10 кВ подаётся на РУ 10 кВ, а с него – на понизительные трансформаторы 5 и нетяговые железнодорожные потребители 13.

С понизительного трансформатора 5 на-пряжение подаётся на выпрямитель 6, отку-да – на распределительное устройство 7 по-стоянного тока. С РУ постоянного тока поло-жительный потенциал подаётся через пита-ющий фидер на контактный провод, а отри-цательный через сглаживающее устройство 8 и рельсовый фидер 10 – на рельс. Если питание подстанции осуществляется по ли-ниям передач 6,10 или 35 кВ, то трансфор-маторы 5 присоединяются непосредственно к РУ первичного напряжения. Структурная схема при этом сокращается до варианта, обведённого штриховой линией.
Структурна схема преобразования трёх-фазного напряжения частотой 50 Гц в одно-фазное напряжением 27,5 кВ той же часто-ты для питания подвижного состава желез-нодорожного транспорта на рис. 27.
Питающее трёхфазное напряжение 110 (220) кВ по вводам 1 подаётся на РУ (2), откуда – на понизительные трансформаторы 3. С выводов обмотки среднего напряжения понизитель-ного трансформатора напряжение 27,5 кВ подаётся на РУ 27,5 кВ (4), откуда по фидерам 7 и 8 – на провода контактной сети, а по фидеру 6 – на рельсовую сеть.

На секционированные участки тяговой сети (между контактной сетью и рельсами) подаёт-
ся однофазное напряжение, снимаемое с разных обмоток трансформатора, соединённых в
«треугольник»: между фидерами 6 и 7 – фаза А, между фидерами 6 и 8 – фаза В и между
фидерами 7 и 8 – фаза С. Присоединение участков контактной сети к разным фазам (А и В)
вторичной обмотки трансформатора приведёт к короткому замыканию, если не принять спе-
циальной меры – увеличения расстояния между контактными проводами, находящимися под
разными потенциалами. С этой целью (см. рис. 61) участки контактной сети разделяются
воздушными промежутками 10 и нейтральными (не имеющими потенциала) вставками 9.
Со вторичной обмотки низкого напряжения 10(35) кВ через РУ (12) по питающим линиям 13 напряжение подаётся на районные подстанции потребителей.
Нетяговые потребители снабжаются электроэнергией по питающим фидерам 11, рисоединённым к РУ (5).

Однако наибольшая сложность осуществления рекуперативного торможения в системе с маховиком заключается в создании надежного и эффективного привода, работающего во всём диапазоне скоростей с высоким КПД.
Емкостной накопитель энергии
Ёмкостные накопители (ЕН) запасают энергию электрического поля в виде заряда на об-
кладках.
К достоинствам данного вида накопителя энергии можно отнести:
- простоту технического обслуживания;
- надежность в работе;
- высокую эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку;
- возможность изменения в широких пределах параметров импульса;
- работу в широком диапазоне температур;
- длительный эксплуатационный срок.
Существенное ограничение применения ЕН на электрическом транспорте обусловлено тем, что накопителем электрической энергии может быть конденсатор, обладающий ёмко-стью не менее десятков или даже сотен фарад.
Использование емкостных накопителей становится эффективным в связи с разработкой за рубежом и в России конденсаторов с двойным электрическим слоем (КДЭС) или электро-химических конденсаторов (ЭХК).
Функционально КДЭС представляют собой класс устройств для накопления - выделения
энергии, в которых используются электролиты и электроды различного вида. При этом в от-

личие от аккумуляторных батарей, в которых энергия накапливается в форме внутренней энергии вещества активной массы электродов, электрохимические конденсаторы используют накопление заряда на поверхности раздела сред: электрод (электронный проводник) – элек-тролит (ионный проводник).
Величину отдаваемой ЭХК энергии при различной мощности разряда характеризует график Рагони, представленный на рис. 33.
Благодаря тому, что расстояние между заря-женной поверхностью проводника (из которо-го изготавливаются электроды) и слоем ионов очень мало (измеряется ангстремами), а ве-личина поверхности проводника, изготовлен-ного из высокопористого материала (напри-мер, активированного угля), достигает 1500 ...3000 м2/г (см. рис. 71), емкость угольного электрода массой 1 г может составлять 100 ...500 Ф.

Скорость отдачи энергии КДЭС
мало зависит от температуры кон-
денсатора и остается теоретически неизменной в диапазоне от -100 до
+160 0С. Это объясняется тем, что
накопление электроэнергии в КДЭС
не связано с протеканием в нем хи-
мических реакций. Конкретный со-
став электролита принципиальной
роли не играет. В частности, он мо-
жет быть как кислотным или щелоч-
ным, так и солевым (нейтральным),
или с электролитом в виде твёрдо-
го раствора. Принципиальное зна-
чение имеет лишь концентрация
ионов. Ионы скапливаются на по-
верхности электродов, образуя так
называемый двойной электрический слой, если приложенный потенциал не превышает энергию гидратации ионов, как правило, несколько вольт. В случае дальнейшего увеличения напряжения начинается электролиз, поэтому рабочее напряжение ограничено потенциалом гидратации ионов.