Система электроснабжения: устройство, эксплуатация

Электричество на текущий момент является наиболее востребованным источником энергии, обеспечивающим снабжение промышленных предприятий, частных домовладений, общественных зданий и других объектов. Кроме того, существенные объемы электроэнергии потребляют инфраструктурные, инженерные и хозяйственные коммуникации, не относящиеся к производственным мощностям и частному сектору. В то же время система электроснабжения (СЭ) может иметь разную техническую организацию именно в зависимости от условий эксплуатации и требований потребителя.

Задачи систем электроснабжения

Для работы любого электрооборудования требуется соответствующий источник питания. Хотя сегодня развиваются технологии, оптимизирующие процессы аккумуляции других видов энергии, электричество по-прежнему участвует в поддержании работы большей части эксплуатируемых потребителей. В качестве последних могут выступать бытовые приборы, электронные устройства, производственные агрегаты, осветительная техника, инженерные станции, строительный инструмент и т. д. Основная задача СЭ заключается именно в снабжении электричеством. Однако специалисты не рассматривают эту функцию в процессе организации сетей.

В ходе проектирования и установки отдельных компонентов энергоснабжающей инфраструктуры главная задача питания разделяется на несколько частей или технологических этапов. В первую очередь система электроснабжения выполняет генерацию самой энергии. Это начальный этап, в процессе которого формируется электрический заряд. Далее осуществляется передача электроэнергии по соответствующей сетевой инфраструктуре, характеристики которой зависят от места прокладки, требований безопасности и т. д. Конечная задача данной системы будет заключаться в распределении энергии между разными потребителями. Некоторые системы ориентируются на одного потребителя, обеспечивая транспортировку от места генерации и до конечной точки энергоснабжения, но это бывает редко, в основном при обслуживании крупных промышленных объектов.

Устройство систем электроснабжения

Полный цикл реализации энергоснабжения задействует несколько видов коммуникационных средств и оборудования. Это сложная инфраструктура, в состав которой входят электростанции, сети передачи энергии, распределительные устройства и т. д. Прежде всего, надо отметить источники энергии, которые ее генерируют. Это могут быть традиционные электростанции, гидрологические и тепловые установки выработки энергии. К слову, сам принцип переработки разных видов топлива еще не означает, что станции ориентированы на поставку энергии другого типа. Энергия от сгорания твердого топлива, тепловая энергия и другие источники также преобразуются в электричество. И за эту функцию отвечает отдельная группа систем, включающая преобразователи, трансформаторы, выпрямители, конвекторы и другие устройства. Они могут занимать разные места в общей инфраструктуре – и в составе базового генератора, и непосредственно перед потребителями для коррекции характеристик.

В обязательном порядке устройство системы электроснабжения включает сети передачи заряда. Для этого используются воздушные линии электропередачи, кабельные подземные каналы и бытовая электропроводка. От источника генерации через преобразователь энергия направляется в магистральную линию передачи. Далее следует этап распределения. Транспортируемый совокупный объем электроэнергии через открытое или закрытое распределительное оборудование переправляется разным потребителям. Здесь же в зависимости от структуры распределения и потребления могут использоваться средства контроля энергии, защиты, диагностики и управления.

Проектирование систем электроснабжения

Создание проекта СЭ означает разработку документации, на основе которой исполнители будут на практике реализовывать инфраструктурный объект, обеспечивающий энергетическое обслуживание потребителей. Сама документация может быть представлена в виде схем, описаний, графиков, таблиц и чертежей. Как правило, проектирование подразумевает изначальную разбивку всего комплекса на несколько подсистем. Благодаря такому подходу система электроснабжения оптимизируется в соответствии с конкретными требованиями для каждого участка инфраструктуры.

Независимо от иерархии систем, основой для проектирования выступают электроустановки. Специалист оценивает и формирует наиболее выгодные связи между электроустановками, трансформаторными подстанциями, потребителями и промежуточными электротехническими устройствами, формирующими сеть до 1 кВ или более 1 кВ. Понятие выгоды в данном случае многогранно.

Согласно требованиям нормативных актов, проектирование систем электроснабжения должно ориентироваться на оптимизацию финансовых ресурсов, надежность, безопасность, гибкость в эксплуатации и возможность дальнейшего расширения системы. Тем не менее за основу разработки технической части группа проектировщиков берет конкретные значения и параметры, отражающие требования потребителя электроэнергии. На основе расчетов системы уже конструкторы подбирают оптимальные решения для физической реализации проекта – составляются схемы, в которых указываются станции, узлы, детали и элементы систем и подсистем.

Разновидности СЭ

Выделяется несколько классификаций систем энергоснабжения, которые отличаются и по общей схеме организации, и по конфигурации применяемых устройств. Для начала стоит отметить, что существуют местные локальные источники питания и системы полного цикла. Например, автономные системы электроснабжения предприятия, дома или дачи сосредотачивают в своей структуре весь спектр задач энергетического снабжения. Их автономность обуславливается независимостью от магистрального энергообеспечения, что, впрочем, тоже условно. К таким системам относят инверторы, топливные генераторы и аккумуляторные блоки. В этой группе также есть своя классификация по типу аккумулируемого источника питания. К примеру, аккумуляторы и инверторы требуют изначального подзаряда от центрального источника электроэнергии. В сущности, это накопители, ресурс которых можно расходовать в случаях перебоев в магистральной сети. Топливные генераторы более независимы – их функция обеспечивается дизелем или бензином.

Системы полного цикла уже были рассмотрены выше. Они формируют инфраструктуру, в которой задействуется станция-генератор электроэнергии, оборудование для распределения и преобразования. И если автономные системы электроснабжения подключаются к работе в основном при аварийных случаях на магистралях, то центральное питание рассчитывается на работу в режиме постоянного обслуживания потребителей. Отдельная классификация затрагивает класс энергетических станций, которые выступают главными источниками энергии.

Виды станций-генераторов энергии

Традиционная энергетика базируется на тепловых электростанциях (ТЭС). В России на этом источнике работает порядка 75% потребителей энергии. В данном случае энергия вырабатывается в процессе сгорания органического топлива, в качестве которого может выступать уголь, газ, торф и т. д. Причем ТЭСы генерируют не только электроэнергию, но также могут снабжать потребителей теплом и паром. Комбинированные пароэлектрогенераторы в основном обслуживают промышленные объекты. Большие объемы электроэнергии позволяют генерировать и атомные электростанции (АЭС). Основу таких объектов формирует ядерная установка, в которой для выработки электроэнергии используются реакторы. Как и в случае с тепловыми станциями, АЭС позволяют обеспечивать потребителей тепловой энергией.

Менее популярны гидрологические, геотермальные, ветровые и приливные станции. Это уже альтернативные источники энергии, к достоинствам которых можно отнести практически бесплатную потребляемую энергию от природных явлений и ресурсов. Однако сам процесс технической организации делает электрические системы электроснабжения такого типа нерентабельными. Обустройство инфраструктуры, особенности обслуживания и эксплуатации требуют высоких затрат, не говоря о том, что те же ветровые станции, к примеру, не способны обеспечивать стабильное энергоснабжение. Наиболее перспективным направлением в сфере альтернативного энергообеспечения является аккумуляция солнечной энергии.

Солнечные генераторы электроэнергии

Такие станции работают на принципах гелиотермальной энергетики, которая предполагает организацию процесса поглощения солнечных лучей с дальнейшим распределением и преобразованием аккумулируемого тепла. При этом существуют разные технические концепции реализации таких процессов. Некоторые станции базируются на принципе теплового нагрева активных элементов, которые в дальнейшем передают накопленную энергию преобразователям. Более популярна система электроснабжения концентрирующего типа. В данном случае энергия сосредотачивается с помощью линз на аккумулирующих панелях. Сами панели могут выполнять и функцию преобразователей, на выходе отдавая готовую к использованию электроэнергию. При этом солнечные генераторы в основном являются локальными, то есть их используют практически на месте потребления. В качестве примера можно привести крыши домов и предприятий, на поверхностях которых уложены солнечные панели. Такие элементы напрямую снабжают объекты, в конструкцию которых вводятся.

Защитные средства

Работа любой системы электроснабжения требует подключения дорогостоящего оборудования и ресурсов питания, на которых лежит большая ответственность. Это обуславливает и необходимость введения соответствующих средств обеспечения безопасной эксплуатации инфраструктуры. Обязательной является релейная защита системы электроснабжения, которая базируется на автоматических устройствах, при необходимости обеспечивающих отсечение поврежденного оборудования или участков распределения и передачи заряда. В состав таких систем входят автоматические выключатели, устройства ввода резервного оборудования, контроллеры трансформаторов, противоаварийная автоматика и т. д.

Отдельного внимания заслуживают и средства токовой защиты. Это дифференциальные и комбинированные устройства, в задачи которых, в частности, входит предотвращение замыканий на землю. Изоляционная защита систем электроснабжения представляет собой конструкционное решение, которое может быть не связано с релейной автоматикой. Однако системы контроля способны фиксировать и нарушения защитных слоев и оболочек посредством измерительной аппаратуры.

Техническое обслуживание СЭ

Нормативные требования предписывают службам контроля и содержания электроснабжающих сетей регулярно выполнять диагностику и техническую наладку вверенного оборудования. Специалисты должны в соответствии с графиком проверять состояние расходных материалов и элементов. В частности, может производиться замена отдельных отрезков электропроводки, деталей генераторов, выключателей, розеток и электроламп. Капитальный ремонт системы электроснабжения может предполагать замену ответственных компонентов сети, в числе которых те же трансформаторные блоки, преобразователи и распределительные устройства. Но для принятия такого решения должен быть составлен проект ремонтных работ. Ему предшествует осмотр поврежденных участков по технологическим картам. Сотрудники обслуживающей организации выявляют неполадки посредством измерительных приборов, которые в постоянном режиме фиксируют характеристики напряжения, силы тока, сопротивления и других электротехнических параметров.

Эксплуатация систем электроснабжения

Кроме профилактического контроля и осмотров, которые проводятся в рамках плановых проверок, работу систем электрообеспечения в постоянном режиме контролируют диспетчерские пункты. Непосредственно от технологических зон генерации, преобразования и распределения энергии на пульт управления поступают сигналы о текущем состоянии оборудования на конкретном участке. Инфраструктура взаимодействия обеспечивается посредством автоматических контроллеров, связанных с датчиками замера электротехнических показателей. В перечень задач операторов входит управление системами электроснабжения посредством ввода резервных источников питания, отключения поврежденного оборудования, переключения между режимами эксплуатации, разгрузочных действий и т. д. При этом существенная роль в управляющих комплексах все же отводится автоматике, которая изначально принимает решения в соответствии с заложенными программами.

Заключение

Эксперты уже давно прогнозируют постепенный отказ человечества от электроэнергии. Конечно, в ближайшие десятилетия этого не произойдет, но тенденция перехода к новым источникам энергии очевидна. Об этом говорят и попытки внедрения генераторов на альтернативных видах топлива. Впрочем, стабильность и надежность систем электроснабжения такого типа пока еще уступает тем же электроустановкам.

С чем же связан возможный отказ от электроэнергии? В первую очередь это финансовые затраты. Организация электрообеспечения имеет множество достоинств даже по сравнению с традиционными источниками энергии. Тем не менее стремление к минимизации расходов заставляет технологов искать другие варианты энергетического снабжения.