7.1. Загальна схема електропостачання споживачів електричної енергії

Електропостачанням називається забезпечення споживачів електричною енергією (визначення приведено в п. 1.2.5 ПУЕ).  

Споживачем електричної енергії називається приймач електричної енергії (електроприймач) або група електроприймачів, об’єднаних технологічним процесом, що розміщуються на певній території (визначення приведено в п. 1.2.9 ПУЕ).  

Приймачем електричної енергії називається апарат, агрегат, механізм, призначений для перетворення електричної енергії в інший вид енергії (визначення приведено в п. 1.2.8 ПУЕ). Приймачі електричної енергії поділяються на силові (зокрема, електродвигуни), освітлювальні та спеціальні (цивільного призначення, розташовані у вибухонебезпечних та пожежонебезпечних зонах, електротермічні, електрозварювальні тощо).

Електрична енергія виробляється на електричних станціях (електростанціях) та передається по електричних лініях до споживачів.

Електростанція – сукупність установок, устаткування й апаратури, що використовуються для безпосереднього виробництва електричної енергії за рахунок перетворення іншого виду енергії, а також необхідні для цього споруди і будинки, розташовані на певній території. Близько половини електричної енергії в Україні виробляється на атомних електростанціях. Решта електричної енергії виробляється на гідроелектростанціях (до 10 %), теплових електростанціях (до 40 %), а також гідроакумулючих електростанціях. 

Атомна електростанція (АЕС) – комплекс технічних споруд, призначених для виробляння електричної енергії шляхом використання енергії, що виділяється при контрольованій ядерній реакції. В Україні працює чотири АЕС – Запорізька (найбільша в Європі, генерує п’яту частину річного енерговиробництва України та половину від виробітку всіх українських АЕС), Південноукраїнська, Рівненська (перша українська АЕС, яка спочатку називалася Западноукраїнська) та Хмельницька. 

Гідроелектростанція (ГЕС) – електростанція, яка в якості джерела енергії використовує енергію водного потоку. Гідроелектростанції звичайно будують на річках, споруджуючи греблі та водосховища. До найбільш потужних ГЕС України слід віднести ГЕС Дніпровського каскаду: Київську, Канівську, Кременчуцьку, Дніпродзержинську, Дніпровську та Каховську. 

Теплова електрична станція (ТЕС) – електростанція, що виробляє електричну енергію за допомогою перетворення хімічної енергії палива у механічну енергію для обертання вала електричного генератора. Виділяють котлотурбінні, газотурбінні та парогазові ТЕС. Котлотурбінні ТЕС поділяють на конденсаційні електростанції (ДРЕС) та теплоелектроцентралі (ТЕЦ). 

Державна районна електростанція (ДРЕС) – теплова конденсаційна електростанція, що виробляє тільки електричну енергію. Перша ДРЕС "Електропередача" була побудована у Російській Імперії в 1914 році під Москвою в місті Електрогорськ електротехніком Р.Е. Класоном. В 1920-х роках планом ГОЭЛРО (Государственный план электрификации России) передбачалося будівництво декількох теплових електростанцій, серед яких найбільш відомою є Шатурська ДРЕС. З часом термін "ДРЕС" втратив початкове значення ("районна") і в сучасному розумінні означає конденсаційну електростанцію великої потужності (тисячі МВт), що працює в об’єднаній енергосистемі поряд з іншими великими електростанціями.

Теплоелектроцентраль (ТЕЦ) – різновидність ТЕС, яка виробляє не тільки електричну енергію, а є й джерелом теплової енергії у централізованих системах теплопостачання (у вигляді водяної пари і гарячої води) для забезпечення опалення та гарячого водопостачання житлових і промислових об’єктів. Як правило, ТЕЦ працює за графіком, тобто виробляння електричної енергії залежить від виробляння теплової енергії.

Газотурбінна ТЕС – сучасна, високотехнологічна установка, що генерує електрику та теплову енергію. Основою газотурбінної електростанції є один або кілька газотурбінних двигунів, механічно пов’язаних з електричним генератором і об’єднаних системою керування в єдиний енергетичний комплекс. У газотурбінній установці турбіну обертають газоподібні продукти згоряння палива. Паливом може служити як природний газ, так і продукти нафтової промисловості (мазут, дизельне паливо). На одному валу з турбіною знаходиться генератор, який за рахунок обертання ротора виробляє електричну енергію.

Парогазова ТЕС – станція для виробництва теплової та електричної енергій. Відрізняється від газотурбінної ТЕС підвищеним коефіцієнтом корисної дії. Парогазова установка складається з двох окремих установок: газотурбінної та паросилової. До газотурбінної установки приєднаний перший генератор. Проходячи через газотурбінну установку, продукти згоряння віддають їй лише частину своєї енергії й на виході з газотурбіни мають достатньо високу температуру. З виходу з газотурбіни продукти згоряння попадають у котел-утилізатор паросилової установки, де нагрівають водяний пар. Температури продуктів згоряння достатньо для того, щоб довести пар до стану, необхідного для обертання парової турбіни (температура близько +500 ºС й тиск 80 кПа). До парової турбіни приєднаний другий генератор.

Гідроакумулююча електростанція (ГАЕС) – гідроелектростанція, що використовується для вирівнювання добової нерівномірності електричного навантаження. ГАЕС використовує у своїй роботі або комплекс генераторів та  насосів або зворотні гідроелектроагрегати, які здатні працювати як у 
режимі генераторів, так і в режимі насосів. Під час нічного зниження споживання електричної енергії ГАЕС отримує з енергомережі дешеву електроенергію й витрачає її на перекачування води у так званий верхній б’єф (насосний режим). Під час ранкового й вечірнього збільшення споживання електричної енергії ГАЕС скидає воду з верхнього б’єфа в нижній та виробляє при цьому пікову електроенергію, що віддає в енергомережу (генераторний режим). В Україні працює три ГАЕС: Київська, Ташликська, Дністровська.

Електрична енергія виробляється на електростанції у виді трифазного змінного струму. Постійний струм, необхідний для таких галузей, як електрохімія, електрометалургія, електрифікований транспорт тощо, отримується шляхом перетворення трифазного струму у постійний струм на перетворювальних станціях за допомогою випрямлячів.

Електричні станції об’єднуються для паралельної роботи в єдину енергетичну систему (енергосистему). Енергетична система – сукупність електростанцій, електричних і теплових мереж, поєднаних між собою і пов’язаних спільністю режиму в безперервному процесі виробництва, перетворення і розподілу електричної енергії та теплоти при спільному управлінні цим режимом (визначення приведено в п. 1.2.2 ПУЕ). В енергосистемі можливе раціональне розподілення навантаження між електростанціями, внаслідок чого скорочуються витрати палива за рахунок найбільш повного використання ГЕС та скорочення собівартості електричної енергії. 

Генератори електричних станцій виробляють, як правило, електричну енергію з визначеним значенням лінійної напруги – 6,6 кВ, 11 кВ, 15 кВ, 30 кВ тощо – залежно від типу встановленого генератора. Це припустимо, тому що генератори електричних станцій пов’язані з лінією електропередачі не безпосередньо, а через трансформаторні підстанції. 

Напругу лінії для передачі електричної енергії необхідно вибрати з таким розрахунком, щоб передача енергії відбувалася з малими втратами за найменшої вартості передачі і найменшої витрати кабельних виробів. Активна потужність, що передається по лінії трифазного струму, визначається за формулою (3.102):

.                                        (7.1)

Потужність втрат в електричних проводах трифазної мережі можна визначити за законом Джоуля-Ленца (формула (1.12)) з урахуванням формули (1.2):

.                                (7.2)

Підставляємо формулу (7.1) у формулу (7.2) та отримуємо:

.                        (7.3)

З формули (7.3) випливає, що для передачі електричної енергії на відстань зі збільшенням потужності для зменшення втрат енергії необхідно підвищувати напругу.

На практиці напруга підвищується за допомогою трансформаторної підстанції, що підвищує напругу до значення, яке залежить від величини потужності, що передається, та відстані, на яку вона передається. Є певні співвідношення між напругою, потужністю передачі та довжиною ліній передачі. Наприклад, при передачі потужності 10÷50 МВт на відстань 50÷150 км лінійна напруга підвищується до значення 110 кВ; 100÷150 МВт та 200÷300 км – 220 кВ; 150÷1000 МВт та 300÷400 км – 300 кВ; більше 1000 МВт та більше 400 км – 500 кВ відповідно.

Електрична енергія від електростанції до району споживання транспортується (передається) по високовольтній повітряній або кабельній лінії електропередачі.

Повітряна лінія електропередачі – споруда для передавання електричної енергії проводами, розташованими просто неба і прикріпленими за допомогою ізольованих конструкцій та арматури до опор або кронштейнів і стояків на інженерних спорудах (мостах, шляхопроводах тощо) (визначення приведено у п. 2.5.2 ПУЕ). Розрізняють повітряні лінії електропередачі напругою до 1000 В і напругою вище 1000 В (високовольтні).

Кабельна лінія електропередачі – лінія для передавання електричної енергії або окремих її імпульсів, що складається з одного або декількох паралельних кабелів зі з’єднувальними, стопорними і кінцевими муфтами (заробками) і кріпильними деталями, а для оливонаповнених ліній, крім того, з підживлювальними апаратами і системою сигналізації тиску оливи (визначення приведено у п. 2.3.2 ПУЕ).

За родом струму лінії електропередачі та кабельні лінії поділяють на лінії змінного струму і, відповідно, постійного струму.

Після транспортування по високовольтній повітряній або кабельній лінії електропередачі на необхідну відстань від електростанції до району споживання електрична енергія поступає на розподільні установки та підстанції.

Розподільна установка (РУ) – електроустановка для приймання та розподілу електричної енергії, яка містить комутаційні апарати, збірні і з’єднувальні шини, допоміжні пристрої (компресори, акумулятори тощо), а також пристрої захисту, автоматики та вимірювальні прилади. РУ бувають відкритими (устаткування розташоване на відкритому повітрі), закритими (устаткування розташоване у приміщенні) та комплектними (установка, яка складається з шаф та блоків із вмонтованими в них апаратами, пристроями для вимірювання, захисту та автоматики і сполучних елементів, і призначена для установлення у приміщеннях).

Підстанція (ПС) – електроустановка для перетворення та розподілення електричної енергії, яка складається з трансформаторів або інших перетворювачів електричної енергії, розподільних пристроїв, пристроїв керування та допоміжних споруд. Підстанції бувають трансформаторними, перетворювальними, закритими (ПС, устаткування якої розташоване у приміщенні або в металевій оболонці), прибудованими (закрита ПС, що має тільки один будівельний елемент, спільний із суміжним приміщенням (стіну, перегородку або підлогу, що є перекриттям суміжного приміщення знизу)), вбудованими (закрита ПС, що має два чи більше будівельних елементів, спільних із суміжним приміщенням), комплектними (ПС, складена із трансформаторів, вмонтованих у шафи або установлених просто неба, блоків РУ та інших елементів, які постачають у складеному або повністю підготовленому до складання вигляді), щогловими (ПС, все устаткування якої встановлене на конструкціях або опорі повітряної лінії електропередачі просто неба на висоті, що не потребує наземного огородження). 

Трансформаторна ПС, як правило, знижує лінійну напругу до значення 10 кВ (районна трансформаторна ПС). 

Далі електрична енергія по повітряній або кабельній лінії електропередачі поступає або до високовольтних споживачів або на трансформаторну ПС, що знижує лінійну напругу до значення 380 В (об’єктова трансформаторна ПС), та до звичайних споживачів.

Приклад спрощеної однолінійної схеми (усі провідники, що є необхідними для передавання електричної енергії, зображені однією лінією) постачання електричної енергії від електростанції до споживачів електричної енергії приведений на рис. 7.1 (на рисунку вказано значення лінійних напруг).

Рис. 7.1 – Приклад спрощеної однолінійної схеми постачання електричної енергії від електростанції до споживачів електричної енергії

G – генератор електростанції; ПТПС – трансформаторна ПС, що підвищує напругу; ВЛЕП – високовольтна лінія електропередачі; РТПС – районна трансформаторна ПС, що знижує напругу; ЛЕП – лінія електропередачі; ОТПС – об’єктова трансформаторна ПС, що знижує напругу

Від об’єктової трансформаторної ПС до приймачів електричної енергії передавання електричної енергії відбувається по електричній мережі.

Електрична мережа – сукупність електричних установок для передавання та розподілу електричної енергії, що складається з підстанцій, розподільних установок, струмопроводів, повітряних і кабельних ліній електропередачі, що працюють на певній території  (визначення приведено в   п. 1.2.7 ПУЕ). Основна відмінність електричної лінії від електричної мережі полягає в тому, що електрична лінія не є розгалуженою, а електрична мережа є розгалуженою системою провідників.

Особовий склад і працівники органів і підрозділів цивільного захисту повинні розуміти схеми електричних мереж об’єктів різного призначення.

Електричні мережі бувають розімкнені (радіальні та магістральні) та замкнені (кільцеві, двосторонні, подвійні магістральні, складнозамкнені тощо). На рис. 7.2 пояснюється принцип побудови розімкнених електричних мереж, а на рис. 7.3 – замкнених електричних мереж.

Рис. 7.2 – Принцип побудови розімкнених електричних мереж: 
а – розподільна радіальна, б – зосереджена радіальна, в – магістральна

ОТПС – об’єктова трансформаторна ПС, що знижує напругу; РП – розподільний пристрій

Житлові будинки висотою до п’яти поверхів звичайно живляться по магістральній кільцевій схемі з відключеною перемичкою (як правило, живляться 4 будинки). Нормальне живлення трьох житлових будинків здійснюється по одній кабельній лінії (номінальне навантаження), а живлення четвертого будинку здійснюється по іншій кабельній лінії (третина номінального навантаження). У випадку аварії проводиться переключення на енергопостачання по іншому кабелю.

Для житлових будинків висотою від 5 до 16 поверхів застосовується радіальна і магістральна схеми із взаємним резервуванням вводів. При 
цьому одна з ліній призначена для живлення електроприймачів житлових квартир і робочого освітлення загально-будівельних споруджень, а друга – для живлення аварійного, евакуаційного освітлення, ліфтів і протипожежних пристроїв.

Рис. 7.3 – Принцип побудови замкнених електричних мереж: а – кільцева,
б – двостороння, в – подвійна магістральна, г – складнозамкнена

В житлових будинках висотою вище 16 поверхів електричні приймачі аварійного й евакуаційного освітлення, протипожежних пристроїв і ліфтів забезпечуються електричною енергією від двох незалежних взаєморезервуючих джерел живлення, і перерва в їх електропостачанні при порушенні електропостачання від одного із джерел живлення може бути допущена лише на час автоматичного відновлення живлення.

До усіх житлових будинків підводиться трифазна мережа з лінійною напругою 380 В. У квартири, з метою електробезпеки, здійснюється ввід винятково однієї фази напругою 220 В. Від кожного вводу відходить вертикальна розподільна лінія, від якої крізь поверхові розподільні щитки йдуть відгалуження для живлення окремих квартир, розташованих на кожному поверсі. У квартирах можуть встановлюватися квартирні щитки із лічильниками.

Основними електроприймачами в житлових будинках є освітлювальні установки й електричні прилади побутового призначення.

У громадських та адміністративних будівлях застосовується та ж схема електропостачання, що й у житлових. Переважає освітлювальне навантаження, але може встановлюватися й силове електрообладнання (електродвигуни вентиляторів, насосів, холодильних установок тощо). 

Електропостачання промислових підприємств здійснюється, як правило, від власних цехових підстанцій. Приймачами можуть служити електродвигуни, електротермічні установки, електрохімічні установки, освітлювальні установки тощо.

На рис. 7.4 приведено приклад однолінійної схеми розподільної радіальної електричної мережі від об’єктової трансформаторної ПС до приймачів електричної енергії – електричних двигунів та світильників.

Рис. 7.4 – Приклад однолінійної схеми розподільної радіальної електричної мережі від об’єктової трансформаторної ПС до приймачів електричної енергії

ОТПС – об’єктова трансформаторна ПС, що знижує напругу; ГРЩ – головний розподільний щит; РЩ – розподільний щит; ЩО – щит освітлення; 1 – мережа живлення; 2 – розподільна силова мережа; 3 – розподільна освітлювальна мережа; 4 – відгалуження до електричних двигунів; 5 – групова лінія освітлювальної мережі; 6 – автоматичний вимикач; 7 – плавкий запобіжник; 8 – котушка магнітного пускача; 9 – електричний двигун; 10 – електричний світильник 

Головний розподільний щит (ГРЩ) – щит, через який забезпечується живлення електроенергією всього будинку або його відокремленої частини. Роль ГРЩ може виконувати ввідно-розподільний пристрій (визначення приведено в п. 2.2.1 нормативного документа НПАОП 40.1-1.32, який є складовою частиною ПУЕ).

Ввідно-розподільний пристрій (ВРП) – ввідний пристрій, який містить у собі також апарати і прилади на відхідних лініях (визначення приведено в п. 2.2.3 нормативного документа НПАОП 40.1-1.32).

Ввідний пристрій (ВП) – сукупність конструкцій, апаратів і приладів, які встановлюються на вводі лінії живлення в будинок або в його відокремлену частину і живляться від ГРЩ (визначення приведено в п. 2.2.2 нормативного документа НПАОП 40.1-1.32). 

Відповідно вводяться види електричних мереж (пп. 2.2.8–2.2.10 нормативного документа НПАОП 40.1-1.32): 

– мережа живлення – мережа від розподільного пристрою ПС або відгалуження від повітряних ліній електропередачі до ввідного пристрою, ввідно-розподільного пристрою або ГРЩ;

– розподільна мережа – мережа від ввідного пристрою, ввідно-розподільного пристрою або ГРЩ до розподільних пристроїв та щитків (РЩ, ЩО);

– групова мережа – мережа від щитків і розподільних пристроїв (РЩ, ЩО) до світильників, штепсельних розеток та інших електроприймачів.