Технологические схемы и экологические показатели производства электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях, теплоцентралях и ветровых электростанциях. Современные тенденции развития электроэнергетики.
Электроэнергетика - отрасль энергетики, включающая в себя производство, передачу и сбыт электроэнергии. Электроэнергетика является наиболее важной отраслью энергетики, что объясняется такими преимуществами электроэнергии перед энергией других видов, как относительная лёгкость передачи на большие расстояния, распределения между потребителями, а также преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.). Отличительной чертой электрической энергии является практическая одновременность её генерирования и потребления, так как электрический ток распространяется по сетям со скоростью, близкой к скорости света.
Исторический экскурс : электрическая энергия долгое время была лишь объектом экспериментов и не имела практического применения. Первые попытки полезного использования электричества были предприняты во второй половине XIX века, основными направлениями использования были недавно изобретённый телеграф, гальванотехника, военная. Источниками электричества поначалу служили гальванические элементы. Существенным прорывом в массовом распространении электроэнергии стало изобретение электромашинных источников электрической энергии - генераторов. По сравнению с гальваническими элементами, генераторы обладали большей мощностью и ресурсом полезного использования, были существенно дешевле и позволяли произвольно задавать параметры вырабатываемого тока. Именно с появлением генераторов стали появляться первые электрические станции и сети - электроэнергетика становилась отдельной отраслью промышленности. Первой в истории линией электропередачи (в современном понимании) стала линия Лауфен - Франкфурт, заработавшая в 1891 году. Протяжённость линии составляла 170 км, напряжение 28,3 кВ, передаваемая мощность 220 кВт. Важным этапом стало изобретение электрического трамвая: трамвайные системы являлись крупными потребителями электрической энергии и стимулировали наращивание мощностей электрических станций. Во многих городах первые электрические станции строились вместе с трамвайными системами.
Начало XX века было отмечено так называемой «войной токов» - противостоянием промышленных производителей постоянного и переменного токов. Постоянный и переменный ток имели как достоинства, так и недостатки в использовании. Решающим фактором стала возможность передачи на большие расстояния - передача переменного тока реализовывалась проще и дешевле, что обусловило его победу в этой «войне»: в настоящее время переменный ток используется почти повсеместно. Тем не менее, в настоящее время имеются перспективы широкого использования постоянного тока для дальней передачи большой мощности.
Передача и распределение электрической энергии
Передача электрической энергии от электрических станций до потребителей осуществляется по электрическим сетям. С технической точки зрения, электрическая сеть представляет собой совокупность линий электропередачи (ЛЭП) и трансформаторов, находящихся на подстанциях.
Линии электропередачи представляют собой металлический проводник, по которому проходит электрический ток. Электроснабжение в подавляющем большинстве случаев - трёхфазное, поэтому линия электропередачи, как правило, состоит из трёх фаз, каждая из которых может включать в себя несколько проводов. Конструктивно линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные .
o Воздушные ЛЭП подвешены над поверхностью земли на безопасной высоте на специальных сооружениях, называемых опорами. Основным достоинством воздушных линий электропередачи является их относительная дешевизна по сравнению с кабельными. Также гораздо лучше ремонтопригодность (особенно в сравнении с бесколлекторными КЛ): не требуется проводить земляные работы для замены провода, ничем не затруднён визуальный осмотр состояния линии. Однако у воздушных ЛЭП имеется ряд недостатков: широкая полоса отчуждения - в окрестности ЛЭП запрещено ставить какие-либо сооружения и сажать деревья; незащищённость от внешнего воздействия, например, падения деревьев на линию и воровства проводов. По причине уязвимости, на одной воздушной линии часто оборудуют две цепи: основную и резервную. Эстетическая непривлекательность; это одна из причин практически повсеместного перехода на кабельный способ электропередачи в городской черте.
Для воздушных линий переменного тока принята следующая шкала классов напряжений: переменное – 0.4, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 400, 500, 750, 1150 кВ; постоянное – 400, 800 кВ
o Кабельные линии (КЛ) проводятся под землёй. Электрические кабели имеют различную конструкцию, однако можно выявить общие элементы. Сердцевиной кабеля являются три токопроводящие жилы (по числу фаз). Кабели имеют как внешнюю, так и междужильную изоляцию. Обычно в качестве изолятора выступает трансформаторное масло в жидком виде, или промасленная бумага. Токопроводящая сердцевина кабеля, как правило, защищается стальной бронёй. С внешней стороны кабель покрывается битумом. Главным достоинством кабельных линий электропередачи (по сравнению с воздушными) является отсутствие широкой полосы отчуждения. К недостаткам кабельных линий электропередачи можно отнести высокую стоимость строительства и последующей эксплуатации. Кабельные линии менее доступны для визуального наблюдения их.
Линии переменного тока.
Большая часть энергии передаётся по линиям электропередач переменного тока.
ЛЭП переменного тока обладают весьма важным преимуществом: в любом месте линии понижающий трансформатор, присоединенный к линии, передает энергию потребителям.
Недостатки линий переменного тока: наличие индуктивного сопротивления линии, которое связано с явлением электромагнитной индукции. Индуктивное сопротивление значительно ухудшает передачу электроэнергии в линии, т. к. приводит к уменьшению напряжения на пути от источника к потребителю. Индуктивность линии вызывает сдвиг по фазе между колебаниями тока и напряжения. Для уменьшения индуктивного сопротивления применяют различные методы: а) например, включают в линию батареи конденсаторы; б) расщепление одного провода на несколько, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления линии.
Б) Электроэнергия может передаваться и по линиям электропередач постоянного тока.
ЛЭП постоянного тока обладает преимуществами по сравнению с линиями переменного тока. Прежде всего, при прохождении постоянного тока нет индуктивного сопротивления. Кроме того, меньшая металлоемкость проводов (используется два провода вместо трех в линиях трехфазного тока); меньше потерь на коронный разряд, отсюда и меньшие радиопомехи. Наконец, главное - использование постоянного тока в линиях электропередач позволяет необычайно повысить устойчивость энергосистемы, которая в случае переменного тока требует строгой синхронности, постоянства частоты всех генераторов, входящих в общую систему. Для постоянного тока такой проблемы нет.
Атомная электростанция (АЭС)
Атомная электростанция (АЭС) - комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путём использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции.
Атомные электростанции классифицируются в соответствии с установленными на них реакторами:
· Реакторы на тепловых нейтронах, использующие специальные замедлители для увеличения вероятности поглощения нейтрона ядрами атомов топлива
ü Реакторы на лёгкой воде
ü Реакторы на тяжёлой воде
- Реакторы на быстрых нейтронах
- Субкритические реакторы, использующие внешние источники нейтронов
- Термоядерные реакторы
Атомные станции по виду отпускаемой энергии можно разделить на:
- Атомные электростанции (АЭС), предназначенные для выработки только электроэнергии
- Атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), вырабатывающие как электроэнергию, так и тепловую энергию
На рисунке показана схема работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным энергетическим реактором. Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель поступает в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища. Или более простыми словами в реакторе распадается ядерное топливо, при его распаде происходит выделение тепловой энергии, которая кипятит воду, в свою очередь, появившийся пар крутит турбину, а та вращает электрогенератор, который уже и вырабатывает электричество.
Компенсатор давления представляет собой довольно сложную и громоздкую конструкцию, которая служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, возникающих за счёт теплового расширения теплоносителя. Давление в 1-м контуре может доходить до 160 атмосфер (ВВЭР-1000).
Помимо воды, в различных реакторах в качестве теплоносителя может применяться также расплавленный натрий или газ. Использование натрия позволяет упростить конструкцию оболочки активной зоны реактора (в отличие от водяного контура, давление в натриевом контуре не превышает атмосферное), избавиться от компенсатора давления, но создаёт свои трудности, связанные с повышенной химической активностью этого металла.
Общее количество контуров может меняться для различных реакторов, схема на рисунке приведена для реакторов типа ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический Реактор). Реакторы типа РБМК (Реактор Большой Мощности Канального типа) использует один водяной контур, а реакторы БН (реактор на Быстрых Нейтронах) - два натриевых и один водяной контуры.
В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища, вода может охлаждаться в специальных охладительных башнях (градирнях), которые благодаря своим размерам обычно являются самой заметной частью атомной электростанции.
Достоинства атомных станций:
Небольшой объём используемого топлива и возможность его повторного использования после переработки;
- Высокая мощность: 1000-1600 МВт на энергоблок;
- Низкая себестоимость энергии, особенно тепловой.
- Возможность размещения в регионах, расположенных вдали от крупных водноэнергетических ресурсов, крупных месторождений угля, в местах, где ограничены возможности для использования солнечной или ветряной электроэнергетики.
- При работе АЭС в атмосферу выбрасывается некоторое количество ионизированного газа, однако обычная тепловая электростанция вместе с дымом выводит еще большее количество радиационных выбросов, из-за естественного содержания радиоактивных элементов в каменном угле.
Недостатки атомных станций:
· Облучённое топливо опасно, требует сложных и дорогих мер по переработке и хранению;
· Нежелателен режим работы с переменной мощностью для реакторов, работающих на тепловых нейтронах;
· Большие капитальные вложения, как удельные, на 1 МВт установленной мощности для блоков мощностью менее 700-800 МВт, так и общие, необходимые для постройки станции, её инфраструктуры, а также в случае возможной ликвидации.
Ветровые электростанции
Ветрогенератор
(ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) - устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.
Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) - полное отсутствие, как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС - высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.
1. Фундамент
2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
4. Лестница
5. Поворотный механизм
6. Гондола
7. Электрический генератор
8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
9. Тормозная система
10. Трансмиссия
11. Лопасти
12. Система изменения угла атаки лопасти
13. Колпак ротора.
Принцип действия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают, как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается в электрический ток.
Каковы недостатки ветровых энергетических установок?
Прежде всего, их работа неблагоприятно влияет на работу телевизионной сети. Вот какой любопытный пример можно привести в этой связи. Несколько лет тому назад от жителей Оркнейских островов (Великобритания) стали поступать необычные жалобы. Оказалось, что при работе ветровой станции, построенной на одном их холмов, возникают такие сильные помехи в работе телевизионной сети, что на экранах телевизоров пропадает изображение. Выход нашли в строительстве рядом с ветровой установкой мощного телевизионного ретранслятора, который позволил усиливать телевизионные сигналы. По имеющимся данным, ветровая энергетическая установка мощностью 0,1 МВт может вызвать искажение телевизионных сигналов на расстоянии до 0,5 км.
Другая неожиданная особенность ветровых установок проявилась в том, что они оказались источником достаточно интенсивного инфразвукового шума, неблагоприятно действующего на человеческий организм, вызывающего постоянное угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство и жизненный дискомфорт. Как показал опыт эксплуатации большого числа ветровых установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы, покидая район размещения станции, т.е. территории самой ветровой станции и примыкающие к ней становятся непригодными для жизни людей, животных и птиц.
Однако главный недостаток этого вида энергии наряду с изменчивостью скорости ветра - это низкая интенсивность, что требует значительной территории для размещения ветровой установки. Из проведенных специалистами расчетов следует, что оптимальным для ветрового колеса является диаметр 100 м. При таких геометрических размерах и плотности энергии на единицу площади ветрового колеса 500 Вт/м 2 (скорость ветра 9,2 м/с) из ветрового потока можно получить электрическую мощность, близкую к 1 МВт. На площади 1 км 2 можно разместить 2-3 установки указанной мощности с учетом того, что они должны находиться одна от, другой на расстоянии, равном трем их высотам, чтобы не мешать друг другу, и не снижать эффективности своей работы.
Примем для оценки, что на площади 1 км 2 размещено 3 установки, т.е. с 1 км 2 можно снять 3 МВт электрической мощности. Это означает, что для размещения ветровой станции электрической мощностью 1000 МВт нужна площадь, равная 330 км 2 . Если сравнивать ветровые и тепловые электростанции по энерговыработке в течение года, то полученное значение следует увеличить не менее чем в 2-3 раза. Для сравнения укажем, что площадь Курской АЭС мощностью 4000 МВт вместе с вспомогательными сооружениями, водоемом-охладителем и жилым поселком составляет 30 км2, т.е. на 1000 МВт электрической мощности приходится 7,5 км2. Другими словами, размер территории ветровой станции в расчете на 1000 МВт на 2 порядка превышает площадь, занимаемую современной АЭС.
Несмотря на это, отдельные ученые считают, что следует развивать крупномасштабную ветроэнергетику. Перед войной у нас в стране только в колхозах и совхозах работало более 8000 ветровых установок. В 1930г. на базе отдела ветродвигателей ЦАГИ был создан Центральный ветроэнергетический институт, в 1938 г. было организовано конструкторское бюро по ветровым энергетическим установкам. В предвоенные годы и после войны было разработано и выпущено довольно большое число (примерно 10 тыс.шт.) разнообразных ветровых установок. Интенсивная работа по использованию энергии ветра ведется в ряде зарубежных стран.
Итак, можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую), но при этом низкая плотность энергии, приходящейся на единицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона, требующие резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о технической осуществимости и целесообразности сооружения и эксплуатации ветровых энергетических установок небольшой мощности для удаленных поселков и отгонных пастбищ, а также в аграрном секторе.
Тепловые электростанции
Наиболее распространены тепловые электрические станции (ТЭС), использующие тепловую энергию, выделяемую при сжигании органического топлива (твердого, жидкого и газообразного).
На тепловых электростанциях вырабатывается около 76% электроэнергии, производимой на нашей планете. Это обусловлено наличием органического топлива почти во всех районах нашей планеты; возможностью транспорта органического топлива с места добычи на электростанцию, размещаемую близ потребителей энергии; техническим прогрессом на тепловых электростанциях, обеспечивающим сооружение ТЭС большой мощностью; возможностью использования отработавшего тепла рабочего тела и отпуска потребителям, кроме электрической, также и тепловой энергии (с паром или горячей водой) и т.п.
На схеме представлена классификация тепловых электрических станций на органическом топливе.
Тепловой электрической станцией называется комплекс оборудования и устройств, преобразующих энергию топлива в электрическую и (в общем случае) тепловую энергию.
Тепловые электростанции характеризуются большим разнообразием и их можно классифицировать по различным признакам.
По назначению и виду отпускаемой энергии электростанции разделяются на районные и промышленные.
Районные электростанции – это самостоятельные электростанции общего пользования, которые обслуживают все виды потребителей района (промышленные предприятия, транспорт, население и т.д.). Районные конденсационные электростанции, вырабатывающие в основном электроэнергию, часто сохраняют за собой историческое название – ГРЭС (государственные районные электростанции). Районные электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию (в виде пара или горячей воды), называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Как правило, ГРЭС и районные ТЭЦ имеют мощность более 1 млн. кВт.
Промышленные электростанции – это электростанции, обслуживающие тепловой и электрической энергией конкретные производственные предприятия или их комплекс, например завод по производству химической продукции. Часто промышленные электростанции работают на общую электрическую сеть, но не подчиняются диспетчеру энергосистемы.
По виду используемого топлива тепловые электростанции разделяются на электростанции, работающие на органическом топливе и ядерном горючем.
За конденсационными электростанциями, работающими на органическом топливе, во времена, когда еще не было атомных электростанций (АЭС), исторически сложилось название тепловых (ТЭС – тепловая электрическая станция). Именно в таком смысле ниже будет употребляться этот термин, хотя и ТЭЦ, и АЭС, и газотурбинные электростанции (ГТЭС), и парогазовые электростанции (ПГЭС) также являются тепловыми электростанциями, работающими на принципе преобразования тепловой энергии в электрическую.
В качестве органического топлива для ТЭС используют газообразное, жидкое и твердое топливо. Большинство ТЭС России, особенно в европейской части, в качестве основного топлива потребляют природный газ, а в качестве резервного топлива – мазут, используя последний ввиду его высокой стоимости только в крайних случаях; такие ТЭС называют газомазутными.
По типу теплосиловых установок, используемых на ТЭС для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения роторов турбоагрегатов, различают паротурбинные, газотурбинные и парогазовые электростанции.
Основой паротурбинных электростанций являются паротурбинные установки (ПТУ), которые для преобразования тепловой энергии в механическую используют самую сложную, самую мощную и чрезвычайно совершенную энергетическую машину – паровую турбину. ПТУ – основной элемент ТЭС, ТЭЦ и АЭС.
ПТУ, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными электростанциями. ПТУ, оснащённые теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).
Газотурбинные тепловые электростанции (ГТЭС) оснащаются газотурбинными установками (ГТУ), работающими на газообразном или, в крайнем случае, жидком (дизельном) топливе. В настоящее время в России функционирует одна ГТЭС (ГРЭС-3 им. Классона, г. Электрогорск Московской обл.) мощностью 600 МВт и одна ГТУ-ТЭЦ (в г. Электросталь Московской обл.).
Схема тепловой электростанции (на угле)
Тепловые электростанции работают по такому принципу: топливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри расположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та, в свою очередь, - вал электрического генератора. Затем отработавший пар конденсируется; вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котел.
Преимущества ТЭС:
1. Используемое топливо достаточно дешево.
2. Требуют меньших капиталовложений по сравнению с другими электростанциями.
3. Могут быть построены в любом месте независимо от наличия топлива. Топливо может транспортироваться к месту расположения электростанции железнодорожным или автомобильным транспортом.
4. Занимают меньшую площадь по сравнению с гидроэлектростанциями.
5. Стоимость выработки электроэнергии меньше, чем у дизельных электростанций.
Недостатки:
1. Загрязняют атмосферу, выбрасывая в воздух большое количество дыма и копоти.
2. Более высокие эксплуатационные расходы по сравнению с гидроэлектростанциями.
ВОПРОСЫ:
1. Дайте определение отрасли электроэнергетика.
2. Какими преимуществами обладает электроэнергия по сравнению с энергией других видов?
3. С изобретением, какого прибора связывают появление первых электрических станции?
4. Что, с технической точки зрения, из себя представляет электрическая сеть?
5. Назовите типы линий электропередач с точки зрения их конструкторских особенностей. Перечислите их достоинства и недостатки.
6. Изобразите схему передачи энергии по линиям переменного тока. Достоинства и недостатки такого способа передачи.
7. Изобразите схему передачи энергии по линиям постоянного тока. Какого их преимущество по сравнению с линиями переменного тока?
8. Заполните таблицу:
9. Чем обусловлено широкое распространение тепловых электростанций
Похожая информация.
Производство, передача и распределение электроэнергии.
Проблема обеспечения энергией уже в самое ближайшее время станет одной из наиболее острых среди глобальных проблем человечества. Более 60% энергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС) на органическом топливе (уголь, нефтепродукты, газ, торф), примерно 18% - на атомных (АЭС) и гидроэлектростанциях (ГЭС), а остальные 2% - на солнечных, ветровых, геотермальных и прочих электростанциях.
Производство электрической энергии в России концентрируется преимущественно на крупных электростанциях. Потребители электрической энергии – промышленность, строительство, электрифицированный транспорт, сельское хозяйство, сфера бытового обслуживания расположены в городах и сельской местности. Центры потребления электроэнергии, как правило, удалены от ее источников зачастую на расстояния в сотни и даже тысячи километров и распределены на значительной территории. В связи с этим возникает задача транспортирования электроэнергии от станций к потребителям. Эту задачу выполняют электрические сети, состоящие из линий электропередачи (ЛЭП) и подстанций.
Передача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой.
Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи (ЛЭП), и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток переменной частоты 50 Гц. На рисунке представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии.
Следует отметить, что при повышении напряжения в линиях передачи увеличиваются утечки энергии через воздух. В сырую погоду вблизи проводов линии может возникнуть так называемый коронный разряд , который можно обнаружить по характерному потрескиванию. Коэффициент полезного действия линии передач не превышает 90 %.
Условная схема высоковольтной линии передачи. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках линии. На схеме изображен только один из трех проводов высоковольтной линии.
Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы .
Трансформатор – прибор для преобразования напряжения и силы переменного тока при неизменной частоте.
Он был изобретен П. Н. Яблочковым в 1876 году. В 1882 году трансформатор был усовершенствован И. Ф. Усагиным.
Принцип действия трансформаторов , применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции .
Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная.
Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e 1 (t ), поэтому в ней возникает ток J 1 (t ), создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Φ, который практически без рассеяния циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток.
В режиме холостого хода , то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки , ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.
В режиме нагрузки в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки R н , и в ней возникает переменный ток J 2 (t ). Теперь полный магнитный поток Φ в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток Φ 2 , создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током J 2 , направлен навстречу потоку Φ 1 , создаваемому током J 1 в первичной обмотке: Φ = Φ 1 – Φ 2 . Отсюда следует, что токи J 1 и J 2 изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180°.
Коэффициент k =n 1 /n 2 есть коэффициент трансформации .
При k >1 трансформатор называется повышающим , при k <1 – понижающим .
Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору , в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко ) в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечники трансформатора изготавливают обычно из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Существует еще один механизм потерь энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов возникают потери электромагнитной энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса.
У хороших современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным, не превышает 1–2 %, поэтому к ним приближенно применима теория идеального трансформатора.
Если пренебречь потерями энергии, то мощность P 1 , потребляемая идеальным трансформатором от источника переменного тока, равна мощности P 2 , передаваемой нагрузке.
I Введение
II Производство и использование электроэнергии
1. Генерация электроэнергии
1.1 Генератор
2. Использование электроэнергии
III Трансформаторы
1. Назначение
2. Классификация
3. Устройство
4. Характеристики
5. Режимы
5.1 Холостой ход
5.2 Режим короткого замыкания
5.3 Нагрузочный режим
IV Передача электроэнергии
V ГОЭЛРО
1. История
2. Результаты
VI Список использованной литературы
I. Введение
Электроэнергия, один из самых важных видов энергии, играет огромную роль в современном мире. Она является стержнем экономик государств, определяя их положение на международной арене и уровень развития. Огромные суммы денег вкладываются ежегодно в развитие научных отраслей, связанных с электроэнергией.
Электроэнергия является неотъемлемой частью повседневной жизни, поэтому важно владеть информацией об особенностях её производства и использования.
II. Производство и использование электроэнергии
1. Генерация электроэнергии
Генерация электроэнергии - производство электроэнергии посредством преобразования её из других видов энергии с помощью специальных технических устройств.
Для генерации электроэнергии используют:
Электрический генератор - электрическую машину, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию.
Солнечную батарею или фотоэлемент - электронный прибор, который преобразует энергию электромагнитного излучения, в основном светового диапазона, в электрическую энергию.
Химические источники тока - преобразование части химической энергии в электрическую, посредством химической реакции.
Радиоизотопные источники электроэнергии - устройства, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.
Электроэнергия вырабатывается на электростанциях: тепловых, гидравлических, атомных, солнечных, геотермальных, ветряных и других.
Практически на всех электростанциях, имеющих промышленное значение, используется следующая схема: энергия первичного энергоносителя с помощью специального устройства преобразовывается вначале в механическую энергию вращательного движения, которая передается в специальную электрическую машину - генератор, где вырабатывается электрический ток.
Основные три вида электростанций: ТЭС, ГЭС, АЭС
Ведущую роль в электроэнергетике многих стран играют тепловые электростанции (ТЭС).
Тепловые электростанции требуют огромного количества органического топлива, запасы же его сокращаются, а стоимость постоянно возрастает из-за все усложняющихся условий добычи и дальности перевозок. Коэффициент использования топлива в них довольно низок (не более 40%), а объемы отходов, загрязняющих окружающую среду, велики.
Экономические, технико-экономические и экологические факторы не позволяют считать тепловые электростанции перспективным способом получения электроэнергии.
Гидроэнергетические установки (ГЭС) являются самыми экономичными. Их КПД достигает 93 %, а стоимость одного кВт.ч в 5 раз дешевле, чем при других способах получения электроэнергии. Они используют неисчерпаемый источник энергии, обслуживаются минимальным количеством работ¬ников, хорошо регулируются. По величине и мощности отдельных гидростанций и агрегатов наша страна занимает ведущее положение в мире.
Но темпы развития сдерживают значительные затраты и сроки строительства, обусловленные удаленностью мест строительства ГЭС от крупных городов, отсутствие дорог, трудные условия строительства, подвержены влиянию сезонности режима рек, водохранилищами затапливаются большие площади ценных приречных земель, крупные водохранилища негативно воздействуют на экологическую ситуацию, мощные ГЭС могут быть построены только в местах наличия соответствующих ресурсов.
Атомные электростанции (АЭС) работают по одному принципу с тепловыми электростанциями, т. е. происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения вала турбины, которая приводит в действие генератор, где механическая энергия преобразовывается в электрическую.
Главное достоинство АЭС - небольшое количество используемого топлива (1 кг обогащенного урана заменяет 2,5 тыс. т угля), вследствие чего АЭС могут быть построены в любых энергодефицитных районах. К тому же запасы урана на Земле превышают запасы традици-онного минерального топлива, а при безаварийной работе АЭС незначительно воздействуют на окружающую среду.
Главным недостатком АЭС является возможность аварий с катастрофическими последствиями, для предотвращения которых требуются серьезные меры безопасности. Кроме того, АЭС плохо регулируются (для их полной остановки или включения требуется несколько недель), не разработаны технологии переработки радиоактивных отходов.
Атомная энергетика выросла в одну из ведущих отраслей народного хозяйства и продолжает быстро развиваться, обеспечивая безопасность и экологическую чистоту.
1.1 Генератор
Электрический генератор - это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС Следовательно, такой проводник может нами рассматриваться как источник электрической энергии.
Способ получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь вверх или вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Поэтому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.
Основными частями всякого генератора являются: система магнитов или чаще всего электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.
Генератор переменного тока - электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.
При вращении рамки изменяется магнитный поток через нее, поэтому в ней индуцируется ЭДС. Так как с помощью токосъемника (колец и щеток) рамка соединена с внешней электрической цепью, то в рамке и внешней цепи возникает электрический ток.
При равномерном вращении рамки угол поворота изменяется по закону:
Магнитный поток через рамку также изменяется с течение времени, его зависимость определяется функцией:
где S
− площадь рамки.
По закону электромагнитной индукции Фарадея ЭДС индукции, возникающая в рамке равна:
где - амплитуда ЭДС индукции.
Другая величина, которой характеризуется генератор, является сила тока, выражающаяся формулой:
где i
— сила тока в любой момент времени, I m
- амплитуда силы тока (максимальное по модулю значение силы тока), φ c
— сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения.
Электрическое напряжение на зажимах генератора меняется по синусодальному или косинусоидальному закону:
Почти все генераторы, установленные на наших электростанциях, являются генераторами трехфазного тока. По существу, каждый такой генератор представляет собой соединение в одной электрической машине трех генераторов переменного тока, сконструированных таким образом, что индуцированные в них ЭДС сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода:
2. Использование электроэнергии
Электроснабжение промышленных предприятий. Промышленные предприятия потребляют 30-70% электроэнергии, вырабатываемой в составе электроэнергетической системы. Значительный разброс промышленного потребления определяется индустриальной развитостью и климатическими условиями различных стран.
Электроснабжение электрифицированного транспорта. Выпрямительные подстанции электротранспорта на постоянном токе (городской, промышленный, междугородний) и понижающие ПС междугороднего электрического транспорта на переменном токе питаются электроэнергией от электрических сетей ЭЭС.
Электроснабжение коммунально-бытовых потребителей. К данной группе ПЭ относится широкий круг зданий, расположенных в жилых районах городов и населенных пунктов. Это - жилые здания, здания административно-управленческого назначения, учебные и научные заведения, магазины, здания здравоохранения, культурно-массового назначения, общественного питания и т.п.
III. Трансформаторы
Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.
Схема устройства трансформатора
1 - первичная обмотка трансформатора
2 - магнитопровод
3 - вторичная обмотка трансформатора
Ф
- направление магнитного потока
U 1
- напряжение на первичной обмотке
U 2
- напряжение на вторичной обмотке
Первые трансформаторы с разомкнутым магнитопроводом предложил в 1876 г. П.Н. Яблочков, который применил их для питания электрической "свечи". В 1885 г. венгерские ученые М. Дери, О. Блати, К. Циперновский разработали однофазные промышленные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом. В 1889-1891 гг. М.О. Доливо-Добровольский предложил трехфазный трансформатор.
1. Назначение
Трансформаторы широко применяются в различных областях:
Для передачи и распределения электрической энергии
Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.
Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населёнными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех распределительных узлах должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение до величины 220, 380 и 660 В.
Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя (преобразовательные трансформаторы).
Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.
Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов, для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств, для согласования напряжения и пр.
Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности. (измерительные трансформаторы)
2. Классификация
Классификация трансформаторов:
- По назначению: силовые общего(используются в линиях передачи и распределения электроэнергии) и специального применения (печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы).
- По виду охлаждения: с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.
- По числу фаз на первичной стороне: однофазные и трёхфазные.
- По форме магнитопровода: стержневые, броневые, тороидальные.
- По числу обмоток на фазу: двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные (более трёх обмоток).
- По конструкции обмоток: с концентрическими и чередующимися (дисковыми) обмотками.
3. Устройство
Простейший трансформатор (однофазный трансформатор) представляет собой устройство, состоящее из стального сердечника и двух обмоток.
Принцип устройства однофазного двухобмоточного трансформатора
Магнитопровод представляет собой магнитную систему трансформатора, по которой замыкается основной магнитный поток.
При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки.
Условное обозначение трансформатора:
а) - трансформатор со стальным сердечником, б) - трансформатор с сердечником из феррита
4. Характеристики трансформатора
- Номинальная мощность трансформатора - мощность, на которую он рассчитан.
- Номинальное первичное напряжение - напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора.
- Номинальное вторичное напряжение - напряжение на зажимах вторичной обмотки, получающееся при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки.
- Номинальные токи, определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения.
- Высшее номинальное напряжение трансформатора - наибольшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
- Низшее номинальное напряжение - наименьшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
- Среднее номинальное напряжение - номинальное напряжение, являющееся промежуточным между высшим и низшим номинальным напряжением обмоток трансформатора.
5. Режимы
5.1 Холостой ход
Режимом холостого хода - режим работы трансформатора, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение.
В первичной обмотке трансформатора, соединенной с источником переменного тока течёт ток, в результате чего в сердечнике появляется переменный магнитный поток Φ , пронизывающий обе обмотки. Так как Φ одинаков в обеих обмотках трансформатора, то изменение Φ приводит к появлению одинаковой ЭДС индукции в каждом витке первичной и вторичной обмоток. Мгновенное значение ЭДС индукции e в любом витке обмоток одинаково и определяется формулой:
где - амплитуда ЭДС в одном витке.
Амплитуда ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках будет пропорционально числу витков в соответствующей обмотке:
где N 1
и N 2
- число витков в них.
Падение напряжения на первичной обмотке, как на резисторе, очень мало, по сравнению с ε 1
, и поэтому для действующих значений напряжения в первичной U 1
и вторичной U 2
обмотках будет справедливо следующее выражение:
K - коэффициент трансформации. При K >1 трансформатор понижающий, а при K <1 - повышающий.
5.2 Режим короткого замыкания
Режимом короткого замыкания - режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (Z =0).
Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.
Необходимо различать два режима короткого замыкания:
Аварийный режим - тогда, когда замкнута вторичная обмотка при номинальном первичном напряжении. При таком замыкании токи возрастают в 15¸ 20 раз. Обмотка при этом деформируется, а изоляция обугливается. Железо так же подгорает. Это тяжелый режим. Максимальная и газовая защита отключает трансформатор от сети при аварийном коротком замыкании.
Опытный режим короткого замыкания - это режим, когда вторичная обмотка накоротко замкнута, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, когда по обмоткам протекает номинальный ток - это U K - напряжение короткого замыкания.
В лабораторных условиях можно провести испытательное короткое замыкание трансформатора. При этом выраженное в процентах напряжение U K , при I 1 =I 1ном обозначают u K и называют напряжением короткого замыкания трансформатора:
где U 1ном - номинальное первичное напряжение.
Это характеристика трансформатора, указываемая в паспорте.
5.3 Нагрузочный режим
Нагрузочный режим трансформатора - режим работы трансформатора при наличии токов не менее чем в двух его основных обмотках, каждая из которых замкнута на внешнюю цепь, при этом не учитываются токи, протекающие в двух или более обмотках в режиме холостого хода:
Если к первичной обмотке трансформатора подключить напряжение U 1 , а вторичную обмотку соединить с нагрузкой, в обмотках появятся токи I 1 и I 2 . Эти токи создадут магнитные потоки Φ 1 и Φ 2 , направленные навстречу друг другу. Суммарный магнитный поток в магнитопроводе уменьшается. Вследствие этого индуктированные суммарным потоком ЭДС ε 1 и ε 2 уменьшаются. Действующее значение напряжения U 1 остается неизменным. Уменьшение ε 1 вызывает увеличение тока I 1 :
При увеличении тока I 1 поток Φ 1 увеличивается ровно настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие потока Φ 2 . Вновь восстанавливается равновесие при практически прежнем значении суммарного потока.
IV. Передача электроэнергии
Передача электроэнергии от электростанции к потребителям - одна из важнейших задач энергетики.
Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока.
Необходимость передачи электроэнергии на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории. Тенденция к концентрации генерирующих мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии.
Размещение мощных электростанций производится с учётом целого ряда факторов, таких, например, как наличие энергоресурсов, их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия, возможность работы в составе единой энергосистемы и т.п. Часто такие электростанции оказываются существенно удалёнными от основных центров потребления электроэнергии. От эффективности передачи электроэнергии на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.
Передавать электроэнергию от мест её производства к потребителям необходимо с минимальными потерями. Главная причина этих потерь - превращение части электроэнергии во внутреннюю энергию проводов, их нагрев.
Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты Q , выделяемое за время t в проводнике сопротивлением R при прохождении тока I , равно:
Из формулы следует, что для уменьшения нагрева проводов необходимо уменьшать силу тока в них и их сопротивление. Чтобы уменьшить сопротивление проводов, увеличивают их диаметр, однако, очень толстые провода, висящие между опорами линий электропередач, могут оборваться под действием силы тяжести, особенно, при снегопаде. Кроме того, при увеличении толщины проводов растёт их стоимость, а они сделаны из относительно дорогого металла - меди. Поэтому более эффективным способом минимизации энергопотерь при передаче электроэнергии служит уменьшение силы тока в проводах.
Таким образом, чтобы уменьшить нагрев проводов при передаче электроэнергии на дальние расстояния, необходимо сделать силу тока в них как можно меньше.
Мощность тока равна произведению силы тока на напряжение:
Следовательно, для сохранения мощности, передаваемой на дальние расстояния, надо во столько же раз увеличить напряжение, во сколько была уменьшена сила тока в проводах:
Из формулы следует, что при постоянных значениях передаваемой мощности тока и сопротивления проводов потери на нагрев в проводах обратно пропорциональны квадрату напряжению в сети. Поэтому для передачи электроэнергии на расстояния в несколько сотен километров используют высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), напряжение между проводами которых составляет десятки, а иногда сотни тысяч вольт.
С помощью ЛЭП соседние электростанции объединяются в единую сеть, называемую энергосистемой. Единая энергосистема России включает в себя огромное число электростанций, управляемых из единого центра и обеспечивает бесперебойную подачу электроэнергии потребителям.
V. ГОЭЛРО
1. История
ГОЭЛРО (Государственная комиссия по электрификации России) - орган, созданный 21 февраля 1920 года для разработки проекта электрификации России после Октябрьской революции 1917 года.
К работам комиссии было привлечено свыше 200 деятелей науки и техники. Возглавлял комиссию Г.М. Кржижановский. ЦК Коммунистической партии и лично В. И. Ленин повседневно направляли работу комиссии ГОЭЛРО, определяли основные принципиальные положения плана электрификации страны.
К концу 1920 комиссия проделала огромную работу и подготовила «План электрификации РСФСР» - том в 650 страниц текста с картами и схемами электрификации районов.
План ГОЭЛРО, рассчитанный на 10-15 лет, реализовал ленинские идеи электрификации всей страны и создания крупной индустрии.
В области электроэнергетического хозяйства план состоял из программы, рассчитанной на восстановление и реконструкцию довоенной электроэнергетики, строительство 30 районных электрических станций, сооружение мощных районных тепловых электростанций. Электростанции намечалось оборудовать крупными для того времени котлами и турбинами.
Одной из основных идей плана являлось широкое использование огромных гидроэнергоресурсов страны. Предусматривались коренная реконструкция на базе электрификации всех отраслей народного хозяйства страны и преимущественно рост тяжёлой промышленности, рациональное размещение промышленности по всей территории страны.
Осуществление плана ГОЭЛРО началось в трудных условиях Гражданской войны и хозяйственной разрухи.
С 1947 СССР занимал 1-е место в Европе и 2-е в мире по производству электроэнергии.
План ГОЭЛРО сыграл в жизни нашей страны огромную роль: без него не удалось бы вывести СССР в столь короткие сроки в число самых развитых в промышленном отношении стран мира. Реализация этого плана сформировала всю отечественную экономику и до сих пор в значительной мере ее определяет.
Составление и выполнение плана ГОЭЛРО стали возможным и исключительно благодаря сочетанию многих объективных и субъективных факторов: немалого промышленно-экономического потенциала дореволюционной России, высокого уровня российской научно-технической школы, сосредоточения в одних руках всей экономической и политической власти, ее силы и воли, а также традиционного соборно-общинного менталитета народа и его послушно-доверительного отношения к верховным правителям.
План ГОЭЛРО и его реализация доказали высокую эффективность системы государственного планирования в условиях жестко централизованной власти и предопределили развитие этой системы на долгие десятилетия.
2. Результаты
К концу 1935 программа электростроительства была в несколько раз перевыполнена.
Вместо 30 было построено 40 районных электростанций, на которых вместе с другими крупными промышленными станциями было введено 6914 тыс. кВт мощностей (из них районных 4540 тыс. кВт - почти в три раза больше, чем по плану ГОЭЛРО).
В 1935 г. среди районных электростанций было 13 электроцентралей по 100 тыс. кВт.
До революции мощность самой крупной электростанции России (1-й Московской) составляла всего 75 тыс. кВт; не было ни одной крупной ГЭС. К началу 1935 г. общая установленная мощность гидроэлектростанций достигла почти 700 тыс. кВт.
Были построены крупнейшая в то время в мире Днепровская ГЭС, Свирская 3-я, Волховская и др. В высшей точке своего развития Единая энергосистема СССР по многим показателям превосходила энергосистемы развитых стран Европы и Америки.
Электричество было практически неизвестно в деревнях до революции. Большие землевладельцы устанавливали небольшие электростанции, но число их было мало.
Электроэнергия стала применяться в сельском хозяйстве: в мельницах, кормовых резцах, зерноочистительных машинах, на лесопилках; в промышленности, а позже - в быту.
Список использованной литературы
Веников В. А., Дальние электропередачи, М.- Л., 1960;
Совалов С. А., Режимы электропередач 400-500 кв. ЕЭС, М., 1967;
Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник / Л.А. Бессонов. — 10-е изд. — М. : Гардарики, 2002.
Электротехника: Учебно-методический комплекс. /И. М. Коголь, Г. П. Дубовицкий, В. Н. Бородянко, В. С. Гун, Н. В. Клиначёв, В. В. Крымский, А. Я. Эргард, В. А. Яковлев; Под редакцией Н. В. Клиначёва. — Челябинск, 2006-2008.
Электрические системы, т. 3 - Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения, М., 1972.
Извините, ничего не найдено.
К атегория: Электромонтажные работы
Производство электрической энергии
Электрическая энергия (электроэнергия) является наиболее совершенным видом энергии и используется во всех сферах и отраслях материального производства. К ее преимуществам относят - возможность передачи на большие расстояния и преобразование в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др).
Электрическая энергия вырабатывается на специальных предприятиях - электрических станциях, преобразующих в электрическую другие виды энергии: химическую, топлива, энергию воды, ветра, солнца, атомную.
Возможность передачи электроэнергии на большие расстояния позволяет строить электростанции вблизи мест нахождения топлива или на многоводных реках, что является более экономичным, чем подвоз в больших количествах топлива к электростанциям, расположенным вблизи потребителей электроэнергии.
В зависимости от вида используемой энергии различают электростанции тепловые, гидравлические, атомные. Электростанции, использующие энергию ветра и теплоту солнечных лучей, представляют собой пока маломощные источники электроэнергии, не имеющие промышленного значения.
На тепловых электростанциях используется тепловая энергия, получаемая при сжигании в топках котлов твердого топлива (уголь, торф, горючие сланцы), жидкого (мазут) и газообразного (природный газ, а на металлургических заводах - доменный и коксовый газ).
Тепловая энергия превращается в механическую энергию вращением турбины, которая в генераторе, соединенном с турбиной, преобразуется в электрическую. Генератор становится источником электроэнергии. Тепловые электростанции различают по виду первичного двигателя: паровая турбина, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, локомобиль, газовая турбина. Кроме того, паротурбинные электростанции подразделяют на конденсационные и теплофикационные. Конденсационные станции снабжают потребителей только электрической энергией. Отработанный пар проходит цикл охлаждения и, превращаясь в конденсат, вновь подается в котел.
Снабжение потребителей тепловой и электрической энергией осуществляется теплофикационными станциями, называемыми теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). На этих станциях тепловая энергия только частично преобразуется в электрическую, а в основном расходуется на снабжение промышленных предприятий и других потребителей, расположенных в непосредственной близости от электростанций, паром и горячей водой.
Гидроэлектростанции (ГЭС) сооружают на реках, являющихся неиссякаемым источником энергии для электростанций. Они текут с возвышенностей в низины и, следовательно, способны совершать механическую работу. На горных реках сооружают ГЭС, используя естественный напор воды. На равнинных реках напор создается искусственно сооружением плотин, вследствие разности уровней воды по обеим сторонам плотины. Первичными двигателями на ГЭС являются гидротурбины, в которых энергия потока воды преобразуется в механическую энергию.
Вода вращает рабочее колесо гидротурбины и генератор, при этом механическая энергия гидротурбины преобразуется в электрическую, вырабатываемую генератором. Сооружение ГЭС решает кроме задачи выработки электроэнергии также комплекс других задач народнохозяйственного значения - улучшение судоходства рек, орошение и обводнение засушливых земель, улучшение водоснабжения городов и промышленных предприятий.
Атомные электростанции (АЭС) относят к тепловым паротурбинным станциям, работающим не на органическом топливе, а использующим в качестве источника энергии теплоту, получаемую в процессе деления ядер атомов ядерного топлива (горючего), - урана или плутония. На АЭС роль котельных агрегатов выполняют атомные реакторы и парогенераторы.
Электроснабжение потребителей осуществляется преимущественно от электрических сетей, объединяющих ряд электростанций. Параллельная работа электрических станций на общую электрическую сеть обеспечивает рациональное распределение нагрузки между электростанциями, наиболее экономичную выработку электроэнергии, лучшее использование установленной мощности станций, повышение надежности электроснабжения потребителей и отпуска им электроэнергии с нормальными качественными показателями по частоте и напряжению.
Необходимость объединения вызвана неодинаковой нагрузкой электростанций. Спрос потребителей на электроэнергию резко изменяется не только в течение суток, но и в разные времена года. Зимой потребление электроэнергии на освещение возрастает. В сельском хозяйстве электроэнергия в больших количествах нужна летом на полевые работы и орошение.
Разница в степени загрузки станций особо ощутима при значительном отдалении районов потребления электроэнергии друг от друга в направлении с востока на запад, что объясняется разновременностью наступления часов утренних и вечерних максимумов нагрузки. Чтобы обеспечить надежность электроснабжения потребителей и полнее использовать мощность электростанций, работающих в разных режимах, их объединяют в энергетические или электрические системы с помощью электрических сетей высокого напряжения.
Совокупность электростанций, линий электропередачи и тепловых сетей, а также приемников электро- и тепло-энергии, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и потребления электрической и тепловой энергии, называют энергетической системой (энергосистемой). Электрическая система, состоящая из подстанций и линий электропередачи различных напряжений, - часть энергосистемы.
Энергосистемы отдельных районов в свою очередь соединены между собой для параллельной работы и образуют крупные системы, например единая энергетическая система (ЕЭС) европейской части СССР, объединенные системы Сибири, Казахстана, Средней Азии и др.
Теплоэлектроцентрали и заводские электростанции обычно связаны с электросетью ближайшей энергосистемы по линиям генераторного напряжения 6 и 10 кВ или линиям более высокого напряжения (35 кВ и выше) через трансформаторные подстанции. Передача энергии, выработанной мощными районными электростанциями, в электросеть для снабжения потребителей осуществляется по линиям высокого напряжения (110 кВ и выше).
- Производство электрической энергии
Производство (генерация), распределение и потребле- ние электрической и тепловой энергии схематически показаны на рис. В.1,а. Электростанция производит (или генерирует) электрическую энергию, а теплофикационная электростанция – электрическую и тепловую энергию. По виду первичного источника энергии, преобразуемого в электри-ческую или тепловую энергию, электростанции делятся на тепловые (ТЭС), атомные (АЭС) и гидравлические (ГЭС). На ТЭС первичный источник энергии – органическое топливо (уголь, газ, нефть), на АЭС–урановый концентрат, на ГЭС–вода (гидроресурсы). ТЭС делятся на конденса-ционные тепловые станции (конденсационные электростанции – КЭС или государственные районные электростан-ции–ГРЭС), вырабатывающие только электроэнергию, и теплофикационные (ТЭЦ), вырабатывающие и электро-энергию, и тепло.
Схемы производства, распределения и потребления электрической и тепловой энергии
Кроме ТЭС, АЭС и ГЭС существуют и другие виды электростанций (гидроаккумулирующие, дизельные, солнечные, геотермальные, приливные и ветроэлектростанции). Одна-ко мощность их невелика.
Электрическая часть электростанции включает в себя разнообразное основное и вспомогательное оборудование. К основному оборудованию, предназначенному для произ-водства и распределения электроэнергии, относятся: синхронные генераторы, вырабатывающие электроэнергию (на ТЭС–турбогенераторы); сборные шины, предназначен- ные для приема электроэнергии от генераторов и распреде-ления ее к потребителям; коммутационные аппараты – вы-ключатели, предназначенные для включения и отключения цепей в нормальных и аварийных условиях, и разъединители, предназначенные для снятия напряжения с обесточен-ных частей электроустановок и для создания видимого разрыва цепи (разъединители, как правило, не предназначены для разрыва рабочего тока установки); электроприемники собственных нужд (насосы, вентиляторы, аварийное элек-трическое освещение и т. д.). Вспомогательное оборудова-ние предназначено для выполнения функций измерения, сигнализации, защиты и автоматики и т. д.
Энергетическая система (энергосистема) (рис. В.1,а) состоит из электрических станций, электрических сетей и потребителей электроэнергии, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, распределения и потребления электрической и тепловой энергии, при общем управлении этим режимом.
Электроэнергетическая (электрическая) система (рис. В.1,б)–это совокупность электрических частей элек-тростанций, электрических сетей и потребителей электро-энергии, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления элек-троэнергии. Электрическая система–это часть энергосистемы, за исключением тепловых сетей и тепловых потре-бителей. Электрическая сеть – это совокупность электро-установок для распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, воздушных и кабельных линий электропередачи. По элек-трической сети осуществляется распределение электро-энергии от электростанций к потребителям. Линия электропередачи (воздушная или кабельная)–электроустановка, предназначенная для передачи электроэнергии.