Об энергосистеме России⁠⁠

Добрый вечер! Некоторое время назад я писал пост о нашей единой энергосистеме и о принципах ее работы (Единая энергосистема России (ЕЭС России)). В комментариях меня попросили рассказать о том, как электричество "путешествует" от электростанций до наших домов и других потребителей. В этом посте я попробую это сделать.
Итак, разделим пост на 4 главы:
1. Генерация электроэнергии (электростанции)
2. Передача электроэнергии (Электрические системы и сети)
3. Распределение электроэнергии (электроснабжение предприятий и городов)
4. Релейная защита и автоматика.

Глава1. Генерация.
Начнем с основных видов генерации. Это тепловые электрические станции (ТЭС), гидроэлектростанции (ГЭС), атомные электростанции (АЭС) и станции на возобновляемых источниках энергии. О них писать не буду (по крайней мере в этом посте).
Принципиальных отличий в производстве электроэнергии на вышеперечисленных станциях нет - везде это преобразование механической энергии вращения в электрическую. Разница есть в типе генераторов: они имеют разную скорость вращения. На тепловых станциях, как правило, это турбогенераторы со скоростью вращения 3000 об/мин. На АЭС - генераторы менее быстроходные (обычно 1500 об/мин), а на ГЭС - совсем тихоходные (до 600 об/мин). Одинаковая синхронная скорость этих машин достигается разным разным количеством полюсов ротора генератора. Приведу формулу соотношения числа пар полюсов и скорости вращения n=f*60/p, где f - синхронная частота энергосистемы (50 Гц для нашей страны), p - число пар полюсов, n - скорость вращения ротора (об/мин).
Львиная доля более или менее крупных генераторов работает на напряжении от 6 до 20 кВ, хотя могут быть исключения. Далее, в зависимости от электростанции генераторы могут включаться на общие шины генераторного напряжения, к которым подключается также силовой трансформатор (такая схема обычно применяется на ТЭЦ), либо каждый генератор подключается к своему трансформатору (это называется блочная схема). Цель в обоих случаях одна - повысить напряжение для дальнейшей передачи электроэнергии. (в некоторых случаях потребителей могут подключать сразу к шинам генераторного напряжения). Это необходимо, чтобы снизить потери при передаче электроэнергии, т.к. для передачи одной условной мощности на более высоком напряжении требуется меньший ток, что позволяет уменьшить сечение проводов и снизить потери на нагревание. Но тут есть обратная сторона медали - более высокие затраты на изоляцию. тем не менее, экономически целесообразно передавать энергии на высоком напряжении.
Стоит отдельно остановиться на системах регулирования. Это в первую очередь система автоматического регулирования мощностью (САУМ, хотя могут быть вариации в названии) и система регулирования возбуждением генератора (АРВ). Задача первой - поддержание заданной мощности (в случае работы генераторы в режиме поддержания частоты, то еще и регулирование частоты, хотя это редкость). Задача АРВ - поддержание заданного напряжения на шинах генераторного напряжение и регулирование реактивной мощностью (опять же, для регулирования напряжение в сети). В случае близкого короткого замыкания АРВ может перейти в режим форсировки, тем самым удваивая ток возбуждения и повышая напряжение, чтобы попытаться увеличить выдаваемую генератором мощность и предотвратить переход его в асинхронный режим. 

Глава 2. Передача электроэнергии.
Вернемся к трансформаторам, которые повышают напряжение для его дальнейшей передачи. Трансформаторами напряжение повышается до уровня 110 - 750 кВ. Далее, сторона высокого напряжения трансформатора подключается к распределительному устройству. Они бывают открытого типа - ОРУ, закрытого типа - ЗРУ и элегазового исполнения (КРУЭ). Чаще всего применятся отрытые распредустройства (ОРУ). В некоторых случаях, например на севере очень распространены закрытые (ЗРУ). В условиях экономии пространства прибегаю к элегазовым распределительным устройствам. Они значительно компактнее, но куда дороже.
Основными элементами распредустройств являются выключатели, разъединители и заземляющие ножи. Выключатели предназначены для отключения токов нагрузки или короткого замыкания. Действуют они достаточно быстро (современный выключатель отключает ток короткого замыкания за 40-50 миллисекунд). Они бывают масляные, воздушные или элегазовые (для напряжения 110 кВ и выше). Для напряжения 6-35 кВ могут применятся вакуумные выключатели. Различаются они средой, в которой происходит гашение электрической дуги, возникающей при отключении. Разъединители предназначены для создания видимого разрыва при отключении элемента сети. Заземляющими ножами создается надежное соединение отключенного элемента сети (например ЛЭП или трансформатора) с заземляющим устройством для безопасного проведения работ на этом элементе.
Также к распределительным устройствам подключаются линии электропередач (ЛЭП). Они бывают воздушные (ВЛ) и кабельные (КЛ). Иногда эти решения комбинируют (КВЛ).
Линии электропередач соединяют электростанции с распределительными подстанциями, а также подстанции между собой. На подстанциях, как правило, тоже устанавливают трансформаторы, как для повышения напряжения до более высоких значений (например 110 кВ может повышаться до 500 кВ и т.д.) и дальнейшей передачи, так и для его снижения для передачи потребителям.

Глава 3. Распределение электроэнергии.
Чтобы воспользоваться электроэнергией в промышленности или быту необходимо понизить напряжение.  На распределительных подстанциях почти всегда присутствуют распределительные устройства напряжением 6, 10 или 35 кВ. РУ 6 и 10 кВ, (реже 35 кВ) обычно комплектного исполнения (КРУ). Т.е. токоведущие части таких устройств закрыты в корпус, а выключатели установлены на тележки, для более удобного доступа при обслуживании, которые после отключения выключателя можно выкатить из ячейки КРУ. К таким распределительным устройствам тоже подключаются ЛЭП. В условиях города, это, как правило кабельные линии. Для распределения электроэнергии по городу электроэнергия передаётся на распределительные пункты (РП). Это небольшие будки. В них нет трансформаторов. Они используются только для распределения электроэнергии. Далее к РП подключаются маленькие трансформаторные пункты (ТП). Это те самые гудящие будки около домов. В них напряжение понижается с 6, 10 или 35 кВ до 400 вольт, которое и подводится к жилым домам. Тут стоит пояснить, что напряжение приводимые по тексту, так называемые "линейные", т.е. это напряжение между фазами. В квартиру обычно подводится одна из фаз и нейтральный провод, между которыми как раз 220 вольт, которые можно померить в домашней розетке (хотя лучше не стоит, во избежание электротравмы).
Часто у крупных промышленных предприятий есть свои понижающие подстанции классом 110 или 220 кВ,  а в крупной промышленности могут использоваться механизмы напряжением 6 или 10 кВ (обычно это крупные электродвигатели).

Что касается четвертой главы: думаю, что ее лучше вынести в отдельный пост, в виду большого объема информации по этому вопросу. Скажу лишь, что релейная защита необходима для обнаружения, локализации и отключения коротких замыканий. И чем быстрее это произойдет, тем меньше пострадает оборудование.

P.S. понимаю, что целую отрасль невозможно описать в даже в серии постов, поэтому попытался изложить основные моменты (на мой взгляд). Надеюсь, было интересно.