OGÓLNA BUDOWA SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO

Wykonał:

Paweł Dobrowolski

System elektroenergetyczny tworzą wzajemne ze sobą powiązania zarówno urządzenia wytwarzające, przesyłające jak i odbierające energię elektryczną. Należą do nich:

- wytwórcze - generatory(elektrownie)

- przetwórcze - transformatory, rozdzielnie,

- przesyłowe - linie napowietrzne ,kablowe,

- odbiorcze - silniki ,urządzenia gospodarstw domowych..

Energia elektryczna, która dostarczana jest do systemu elektroenergetycznego, pochodzi z różnego rodzaju elektrowni. Elektrownie są zakładami, w których energia w różnej postaci przetwarzana jest na energię elektryczną. Elementem, w którym zachodzi przemiana są generatory.

W hydroelektrowniach generatory turbin wodnych obracane są przez strumień wody. W elektrowniach cieplnych, wykorzystujących turbiny parowe obracane przez strumień sprężonej pary wytworzonej dzięki spalaniu jakiegoś paliwa kopalnego (zwykle jest to węgiel) z kolei elektrowniach atomowych wykorzystywane jest ciepło wytworzone w reaktorze atomowym. Istnieją jeszcze inne typy elektrowni takie jak wiatrowe geotermalne itp.

Biorąc za przykład elektrownie cieplną ,wał turbiny jest połączony z wałem generatora ,układ turbiny i generatora nazywany jest turbozespołem. W wyniku oddziaływania rozprężającej się pary na łopatki turbiny wał wiruje. Prędkość wirowania wału równa jest prędkości synchronicznej (zwykle 3000 obr/min) dla generatora synchronicznego o jednej parze biegunów. W elektrowniach cieplnych spotyka się w zasadzie tylko generatory synchroniczne. W czasie pracy w wyniku powstałych strat mocy wydzielają się znaczne ilości ciepła. W celu zapewnienia poprawnej pracy ciepło to musi być ciągle odprowadzane przez układ chłodzenia. Jako czynniki chłodzący poszczególne elementy maszyny stosuje się wodę w stojanie lub wodór w wirniku. Na zaciskach prądnicy pojawia się napięcie. Generator jest elektrycznie połączony z transformatorem. Zadaniem transformatora jest pośrednictwo w wprowadzeniu energii elektrycznej do przyłączonego systemu elektroenergetycznego oraz zmiana poziomu napięcia na odpowiedni.

Część energii wytworzonej w elektrowni jest przeznaczane na potrzeby własne. Energia jest pobierana bezpośrednio z zacisków generatorów i rozsyłana do poszczególnych urządzeń elektrowni przy pośrednictwie transformatora

Zgodnie z zasadą zachowania energii, energia elektryczna otrzymana na zaciskach generatorów jest nie większa niż energia otrzymana w drodze przemiany energetycznej zużywającej równoważną ilość innego rodzaju energii. W układach rzeczywistych, po uwzględnieniu wszystkich strat, energia otrzymana z układu jest zawsze mniejsza niż energia dostarczona. Tak więc każdej przemianie energetycznej towarzyszą straty energii.

Energia elektryczna wytwarzana w elektrowniach przekazywana jest do systemu elektroenergetycznego, skąd pobierana jest przez odbiorców .

Linie napowietrzne

Przesył energii elektrycznej poza budynkami może odbywać się za pośrednictwem linii kablowych lub linii napowietrznej. Linie kablowe stosowane są głównie na terenach miast i zakładów przemysłowych oraz wszędzie tam gdzie, ze względu na bezpieczeństwo lub estetykę nie wskazane jest stosowanie linii napowietrznych. Na innych terenach stosuje się linie napowietrzne, których koszty związane z inwestycjami i eksploatacją są dużo mniejsze. Ze względu na rodzaj i poziom napięcia rozróżnia się następujące rodzaje linii napowietrznych:

- linie 400/230 V (380/220V) linie niskiego napięcia nie przekraczające kilkuset metrów. Stosowane są głównie do zasilania budynków mieszkalnych i innych drobnych odbiorców energii

- linie 15 kV, 20 kV i 30kV linie wchodzące w skład sieci rozdzielczych zasilających obszary wiejskie, osiedla miejskie lub mniejsze miasta oraz zakłady przemysłowe średniej wielkości. Ich długość kilkunastu kilometrów w zasadzie nie powinna przekraczać

- linie 110kV - linie zasilające większe miasta oraz duże zakłady przemysłowe, wykorzystywane są do przesyłu i rozdziału energii elektrycznej, lecz ich długość zazwyczaj nie jest większa niż kilkadziesiąt kilometrów.

- linie 220kV i 400kV linie przesyłowe na terenie całego kraju. W powiązaniu z e stacjami tworzą rozległy system elektroenergetyczny. Łączą ze sobą większe elektrownie i punkty poboru energii. Ich długość zazwyczaj wynosi do kilkuset kilometrów. Za pośrednictwem linii napowietrznych o takim napięciu znamionowym często sprzęgane są systemy energetyczne różnych państw. W krajach o dużym obszarze stosowane są linie napowietrzne o napięciach 500 kV, 700kV a nawet 1000 kV

Sieć najwyższych napięć używana jest w tym samym celu co sieć wysokiego napięcia, czyli do przesyłu energii elektrycznej na dużych odległościach.

Straty mocy w przewodzie są bowiem proporcjonalne do kwadratu prądu przepływającego przez przewodnik - dlatego też podwyższanie napięcia służy obniżaniu tych strat. Linia napowietrzna wykonana jest tak, że przewody gołe umocowane są na słupach lub specjalnych konstrukcjach. Mocowanie przewodów odbywa się za pomocą izolatorów, których zadaniem jest izolowanie przewodów od słupa.

Wraz ze wzrostem napięcia znamionowego linii wzrastają wymiary izolatorów, a słupy stają się coraz wyższe. Wynika to z zachowania coraz to większej odległości przewodów od powierzchni ziemi i od obiektów, które znajdują się w pobliży linii. Widząc sylwetkę słupa oraz długość i liczbę izolatorów można w łatwy sposób określić napięcie znamionowe linii. Obciążalność prądowa zależna jest od przekroju oraz materiału z jakiego zostały wykonany przewody. W liniach niskiego napięcia liczba przewodów może wynosić w jednym torze od 2 do 10, natomiast linii wysokiego napięcia praktycznie zawsze budowane są jako trójfazowe. Długość linii napowietrznej zależna jest od jej napięcia znamionowego - im wyższe napięcie tym dłuższa linia. Związane jest to głównie z ograniczeniem strat energii w przewodach w czasie jej przesyłu. Napięcia znamionowe na jakie można budować linie napowietrzne są znormalizowane Linie napowietrzne buduje się jako jednotorowe lub wielotorowe. W liniach napowietrznych można wyróżnić następujące elementy:

- przewody robocze - przewody wykonane z aluminium lub jako stalowo-aluminiowe wykorzystywane jako przewodnik do przesyłu energii

- przewody odgromowe - służące do ochrony przed uderzeniem pioruna w przewody robocze

- izolatory - elementy, których zadaniem jest odizolowanie przewodów od konstrukcji słupa.

Linia kablowa

Kable są to przewody elektryczne o złożonej budowie i posiadające więcej elementów składowych niż typowe przewody. Wszystkie kable składają się z następujących elementów:

- żył roboczych

- izolacji

- wypełnienia

- szczelnej powłoki

- ekranu lub żyły powrotnej

- osłony powłoki

- pancerza

- osłony zewnętrznej (obwoju)

W zależności od przeznaczenia oraz warunków pracy kabli, poszczególne elementy mogą być pominięte lub dodatkowo rozbudowane.

 

Żyły kabli mogą być wykonane z miedzi lub aluminium. Przekrój pojedynczej żyły może być okrągły lub sektorowy. W przypadku żył o kształcie okrągłym spotyka się wykonane z jednolitego materiału lub złożone z wielu drutów. Żyły sektorowe stosuje się najczęściej w kablach wielożyłowych o przekroju nie przekraczającym 10 mm2 na napięcie do 6 kV. W przypadku wyższych napięć stosuje się żyły okrągłe.

W kablach niskiego i średniego napięcia izolacja wykonywana jest najczęściej z tworzyw sztucznych (polwinit, polietylen lub guma). W starszych lub specjalnych zastosowaniach można spotkać kable z izolacji papierowej nasyconej olejem. W kablach na napięcie powyżej 20kV oprócz wcześniej wymienionych rodzajów izolacji stosuje się olej lub gaz wprowadzany do izolacji pod ciśnieniem. Kable wielożyłowe na napięcie do 10 kV wykonywane są z izolacją rdzeniową, gdzie oprócz izolacji żył, nawinięta jest dodatkowa warstwa izolująca rdzeń. Kable ekranowane stosuje się na napięcia powyżej 15kV. Jako ekran użyta jest cienka warstwa taśmy metalizowanej lub folii aluminiowej, która zapewnia równomierny rozkład pola elektrycznego wewnątrz kabla. Sterowanie polem elektrycznym pozwala na uniknięcie miejscowego zwiększenia natężenia pola, co z kolei może spowodować przebicie kabla.

Można także spotkać kable trójpłaszczowe, gdzie każda żyła ma własną powłokę ołowianą spełniającą funkcje ekranu.

Zadaniem wypełniacza jest wypełnienie szczeliny między izolacją żył a powłoką. Pozwala to na zwiększenie wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej kabla.

Żyłę powrotną można znaleźć w kablach jednożyłowych na napięcie powyżej 15 kV. Jest to najczęściej warstwa z taśmy miedzianej lub drutów. W przypadku powstania zwarć w kablu, żyła ta może przewodzić prąd zwarciowy.

Uszczelnienie kabla oraz zapobieganie dostawanie się do wewnątrz wilgoci lub - w przypadku kabli olejowych - wycieku oleju lub powstawania pęcherzyków powietrza to zadania powłoki. Powłoka kabla wykonywana jest z ołowiu, aluminium lub tworzyw sztucznych. Dodatkową funkcją powłoki jest też wyrównanie natężenia pole elektrycznego w izolacji.

Pancerz kabla stanowi podstawową ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi. W najbardziej powszechnie spotykanym rozwiązaniu jest on wykonywany w postaci obwoju z taśm stalowych lub drutów.

Osłona powłoki oraz osłona zewnętrzna wykonywane jest materiałów włóknistych smołowanych (juty) lub polwinitu. Zadaniem osłony zewnętrznej jest ochrona pancerza przed korozją.

Stacje elektroenergetyczne

Stacje elektroenergetyczne są ważnym elementem w przesyłaniu i rozdziale energii elektrycznej. Stacje można podzielić na stacje rozdzielcze, transformatorowe oraz rozdzielczo- transformatorowe. Stacje rozdzielcze zawierają rozdzielnice wysokonapięciowe oraz niskonapięciowe, różnorodne przyrządy łączeniowe i zabezpieczające, a ich głównym zadanie jest łączenie różnych obwodów w systemie elektroenergetycznym oraz rozdział energii między nimi. W stacjach transformatorowych energia elektryczna prądu przemiennego o określonym napięciu zostaje przekształcona na energie elektryczną o innym napięciu. Zastosowanie transformatora pozwala na połączenie obwodów o różnych napięciach znamionowych. Stacje rozdzielczo- transformatorowe łączą funkcje obu poprzednich typów.

Wyposażenie stacji:
- transformator
- szyny zbiorcze oraz izolatory
- łączniki
- przekładniki, urządzenia pomiarowe
- dławiki przeciwzwarciowe
- odgromniki.

Szyny zbiorcze
Połączenia obwodów głównych w tych stacjach wykonuje się przy użyciu szyn sztywnych. Stosuje się szyny o różnych profilach. Najbardziej rozpowszechnione są szyny płaskie. Są szyny jednopasmowe a przy dużych prądach zwarciowych dwu lub trzy pasmowe. Przy bardzo dużych prądach zwarciowych stosuje się szyny o profilach ceownikowych.
Wyjątkowo używane są szyny o przekroju okrągłym w postaci prętów czy rurowe, przy najwyższych napięciach, są jednak kłopotliwe w łączeniu. Szyny najczęściej wykonuje się z Al. a niekiedy stopy aluminium(aldrejowe). Do łączenia szyn stosuje się połączenia śrubowe na zakładki.. Śruby zaopatruje się w podkładki płaskie i sprężynujące, aby ograniczyć wpływ temperatury.
Kolory szyn zbiorczych: L1-żólty
L2-zielony
L3-fioletowy
N- niebieski
PE- żółto-zielona

Transformatory
W zależności od przeznaczenia, wartości i rodzaju obciążenia a także napięcia strony wtórnej stosuje się transformatory o różnych układach połączeń uzwojeń pierwotnych i wtórnych.
- transformatory w układzie Yz- budowane są na niewielkie moce do 250kVA i przeznaczone do zasilania odbiorców energii o niskim napięciu i dużej asymetrii obciążenia.
- układ Dy- podobnie jak Yz stosuje się przy asymetrii obciążenia(mniejszej), przy czym możliwe jest tu obciążenie przewodu neutralnego(zerowego) prądem znamionowym.
- układ Yy- jest układem najprostszym i najtańszym. Jednak nie może być stosowany przy większej asymetrii obciążeń. Używa się je w dużych stacjach wysokiego napięcia.
- układ Yd- powszechnie stosowany w dużych transformatorach zasilających linie trójprzewodowe, np. sieci przemysłowe.
Pracą równoległą transformatorów nazywamy połączenia do wspólnych szyn po stronie zasilania oraz po stronie odbioru. Daje to korzyści:

- w okresie zmniejszonego obciążenia niektóre transformatory możemy wyłaczyć- mniejsze straty mocy.

- uszkodzenie lub planowe wyłączenie nie zmusza do odcięcia wszystkich odbiorców.

Ilość urządzeń i wyposażenie danej stacji zależy od jej wielkości. Najmniejsze stacje zasilane z linii napowietrznych mogą być wykonane na słupach. Składają się one z transformatora oraz niezbędnej aparatury. Stacje miejskie wykonywane są zazwyczaj jako wnętrzowe i wyposaża się je w rozdzielnice średniego i niskiego napięcia oraz transformator i zabezpieczenia. Linie wysokiego napięcia są połączone z dużymi stacjami wykonanymi jako napowietrzne. Wykonanie stacji tego typu jako wnętrzowej byłoby zbyt kosztowne, jednak prawie zawsze znajdują się tam budynki mieszczące nastawnie, rozdzielnice średniego napięcia i zespól urządzeń pomocniczych.

---