Способ передачи электрической энергии
Владельцы патента RU 2475918:
Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)
Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности. Согласно способу предложено на всей обслуживаемой территории располагать равномерно распределенную электрическую сеть, имеющую конфигурацию связанных шестиугольников, в вершинах которых располагают узлы нагрузки, каждый из них имеет питающую, транзитную и резервную линии с возможностью их взаимозаменяемости. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области передачи и распределения электрической энергии и может быть использовано для распределительных сетей напряжением 10-220 кВ.
Практическая необходимость в использовании предлагаемого решения заключается в потребности полной автоматизации, самоорганизации и адаптации к режимам работы электрической сети, соответствующих принципам построения сетей Smart Grid. Важнейшим фактором унижения стоимости выпускаемого оборудования и его эксплуатационных расходов является унификация. Кроме того, увеличение уровня надежности систем электроснабжения является актуальным для городских и промышленных сетей. Известные способы передачи не в полной мере удовлетворяют возрастающие требования.
Известны кольцевые схемы электроснабжения (http://www.powergrids.ru/content/view/13/43/), применяемые для электроприемников второй и третьей категорий надежности электроснабжения (Фиг.1). При повреждении любой из распределительных линий электроснабжение электроприемников восстанавливают ручным отключением поврежденной линии и включением резервной.
На Фиг.1 обозначены: РП1, РП2 - распределительные пункты, ТП1, ТП2, ТП3, ТП4 - трансформаторные подстанции.
В кольцевой схеме электроснабжения имеются места деления (разрывы) сети, в которых постоянно отключены разъединители или выключатели.
Разъединители или выключатели в месте деления сети включают при необходимости подачи электроэнергии от резервной линии в случае повреждения основной линии или отключения ее для производства на ней работ.
Перерыв в электроснабжении при этой схеме допускается на время, необходимое для отключения поврежденного участка и производства переключений (примерно 2 ч).
Более надежными схемами электроснабжения электроприемников являются схемы, в которых предусматривается параллельная работа питающих линий или автоматическое включение резервного питания (АВР) (Фиг.2).
На Фиг.2 обозначены: ИП1, ИП2 - источники питания, РП - распределительный пункт, ТП1, ТП2 - трансформаторные подстанции.
АВР является методом релейной защиты, который служит для обеспечения надежной работы сети электропитания. АВР призвана создать возможность подключения резервных источников питания при аварии в основной системе электроснабжения. Переключение на резервный источник питания и отключение поврежденного участка происходит в диапазоне от 0,3 до 0,8 секунд.
Зачастую взаиморезервируемые линии электропередач прокладываются в параллельно идущих траншеях или даже в одной траншее с несгораемой перегородкой (кабельные линии) или подвешиваются на одну опору (воздушные линии). Тем самым, при определенных обстоятельствах, возможна потеря обеих взаиморезервируемых линий. Например: обрушение опоры с двухцепной воздушной линией при сильном гололеде; механические повреждения траншеи с двумя взаиморезервируемыми кабельными линиями, при проведении земляных работ и т.п.
Опыт эксплуатации распределительных сетей 6-10 кВ, а также последствия известных аварий показывают, что существующая конфигурация сети 6-10 кВ не может удовлетворять растущим требованиям к надежности, предъявляемым городским и промышленным сетям.
Недостатки существующих распределительных сетей:
- в существующих распределительных сетях нет такого понятия как «самозаживающая» сеть. Если есть отказ питающей линии электропередачи 6-10 кВ при условии, что они имеют тенденцию работать на радиальной основе (по большей части), есть неизбежный перерыв в электроснабжении;
- высоки потери электроэнергии (до 16%);
- отставание сетевой инфраструктуры от потребности в электрической энергии и мощности;
- конфигурация распределительных сетей не позволяет осуществить принцип распределенной генерации;
- невозможно реализовать автоматическое управление распределением и потреблением ресурсов электроэнергии на всех уровнях напряжения.
Известен способ распределения электроэнергии и устройство для его осуществления (пат. РФ №2036503, G05B 19/18, Н02J 4/00, опубл. 27.05.1995.) Способ заключается в формировании сигналов управления, которые объединяют в мультиплексные сигналы с использованием временного разделения каналов. Здесь речь идет об управлении распределением электроэнергии и патент не касается топологии сети.
В качестве прототипа принят способ передачи электрической энергии по патенту РФ №2337451, H02J 3/00, опубл. 27.10.2008, согласно которому на передающей подстанции снижают потери в токоведущих проводах, уменьшая величину тока за счет увеличения напряжения электромагнитным путем при помощи трансформаторного оборудования, затем энергию передают через линию электропередачи, на конце которой производят обратное преобразование - понижают напряжение до величины, определяемой распределительными сетями и потребителями электрической энергии, так же электромагнитным путем понижающими трансформаторами на передающей подстанции трехфазное переменное напряжение преобразуют в две трехфазные системы напряжений с однонаправленными встречными токами, передают электроэнергию по шестипроводной распределительной сети, на конце которой осуществляют обратное преобразование напряжения в трехфазное переменное путем суммирования магнитных потоков в магнитопроводе трехфазного трансформатора с расщепленными первичными обмотками.
В этом решении ставится задача снижения величины токов короткого замыкания и снижения требований к выключателям по отключающей способности, удешевления распределительных устройств и распределительной подстанции, уменьшения суммарного сечения питающих токоведущих проводников (проводов, кабелей), снижения потерь электроэнергии, напряжения и мощности.
Однако недостаточна эффективность и надежность работы системы, реализующей способ, из-за неравномерной загрузки сети и из-за хаотичного расположения потребителей, их удаленности от подстанции.
Решается задача создания более эффективного способа передачи электрической энергии.
Технический результат - повышение надежности работы системы, реализующей способ, за счет осуществления принципа распределенной генерации электрической энергии (равномерная загрузка сети, приближение потребителей к источникам питания).
Этот технический результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии, согласно которому электрическую энергию передают через линию электропередачи и по кабелям распределительных сетей - к узлам нагрузки, на всей обслуживаемой территории располагают равномерно распределенную электрическую сеть, имеющую конфигурацию связанных шестиугольников, в вершинах которых располагают узлы нагрузки, каждый из них имеет питающую, транзитную и резервную линии с возможностью их взаимозаменяемости; равномерно распределенную электрическую сеть выполняют многоуровневой: в сети первого уровня располагают узлы нагрузки, представляющие собой распределительные пункты на 10-20 кВ, в сети второго уровня - распределительные пункты на 110-220 кВ, в сети третьего уровня и выше - распределительные пункты на 220 кВ и выше.
При реализации предлагаемого способа потребители питаются от ближних узлов короткой сети, при этом снижаются потери напряжения и мощности. Выход из строя одного или даже нескольких узлов нагрузки не приведет к разрушению сети благодаря жесткой связи всех узлов. При потере питающей линии (обрыв, авария) сеть обеспечит питание узла по одной из двух оставшихся линий, изменяя их предыдущее состояние в автоматическом режиме, сеть найдет оптимальный из возможных путей доставки электрической энергии потребителям. Организация уровней позволяет расширить площадь обслуживаемой территории.
Способ реализуют с помощью системы передачи электрической энергии, приведенной на чертежах:
на Фиг.3 - принцип формирования сети,
на Фиг.4 - узел нагрузки,
на Фиг.5 - пространственное представление двухуровневой распределительной сети.
На Фиг.3 позицией 1 обозначена распределенная электрическая сеть, имеющая конфигурацию связанных шестиугольников 2 (образующих соты), в вершинах которых
располагаются узлы нагрузки 3. Шестиугольники 2 не обязательно должны иметь правильную форму. Расстояние (плечо) между узлами нагрузки 3 определяется плотностью нагрузок. Каждый узел нагрузки 3 имеет питающую 4, транзитную 5 и резервную 6 линии. Стрелками обозначен поток мощности. Распределительная сеть является инвариантной. Питающая линия может стать при необходимости транзитной или резервной, транзитная - питающей, резервная - транзитной, т.е. возможна переконфигурация узла и изменение потоков мощности в сети в зависимости от той или иной ситуации.
На Фиг.5 позицией 7 обозначена сеть первого уровня, где располагают узлы нагрузки, представляющие собой распределительные пункты на 10-20 кВ, 8 - сеть второго уровня, где располагают узлы нагрузки на 110-220 кВ, в третьем уровне (на чертеже не показан) - узлы нагрузки, представляющие собой распределительные пункты на 220 кВ и выше. Узлы нагрузки разных уровней связаны между собой трансформаторными связями 9. Позицией 10 обозначены потребительские линии, позицией 11 - генераторные установки.
Способ осуществляют следующим образом. Электрическую энергию передают через линию электропередачи и по кабелям распределительных сетей - к узлам нагрузки 3. Все узлы нагрузки 3 находятся под напряжением, т.е. каждый узел может быть источником электроэнергии для потребителей.
Пример. Доставка электроэнергии в узел нагрузки 3 происходит по питающей линии 4, по транзитной линии 5 происходит доставка электроэнергии соседнему узлу нагрузки (транзит). При этом резервная линия 6 находится в горячем резерве, т.е. она может включиться автоматически при выходе из строя питающей линии 4.
В многоуровневой (на чертеже фиг.5 - двухуровневой распределенной электрической сети) распределение электроэнергии происходит по тому же принципу, но при этом расширяются функциональные возможности способа за счет обслуживания распределительных пунктов различных по уровню напряжения и распределяемой мощности.
Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения достигаются следующие результаты: существенное увеличение надежности и экономической эффективности функционирования ЕЭС России; улучшение качества обслуживания потребителей электроэнергии при удешевлении поставляемой электроэнергии.
1. Способ передачи электрической энергии, согласно которому электрическую энергию передают через линию электропередачи и по кабелям распределительных сетей - к узлам нагрузки, отличающийся тем, что на всей обслуживаемой территории располагают равномерно распределенную электрическую сеть, имеющую конфигурацию связанных шестиугольников, в вершинах которых располагают узлы нагрузки, каждый из них имеет питающую, транзитную и резервную линии с возможностью их взаимозаменяемости.
2. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что равномерно распределенную электрическую сеть выполняют многоуровневой: в сети первого уровня располагают узлы нагрузки, представляющие собой распределительные пункты на 10-20 кВ, в сети второго уровня - распределительные пункты на 110-220 кВ, в сети третьего уровня и выше - распределительные пункты на 220 кВ и выше.
