В первом методическом руководстве для начинающего оперативного персонала был рассмотрен принцип производства электроэнергии на тепловых электрических станциях. В этой главе мы рассмотрим основные процессы и особенности эксплуатации оборудования при передаче электроэнергии от электростанции до потребителя.

Электроэнергия, выходящая из генератора в подавляющем большинстве случаев сразу же преобразовывается с помощью повышающего трансформатора в электроэнергию более высокого напряжения, а у потребителя преобразовывается с помощью понижающего трансформатора в электроэнергию более низкого напряжения. Для чего это делается. Генераторное напряжение на большинстве ТЭС составляет 6-10 кВ, на крупных генераторах 15-20 кВ. Электроэнергию, а проще говоря, мощность такого напряжения на большие расстояния передавать экономически не выгодно по двум причинам:

• 1. Слишком большие потери (чем выше напряжение, тем меньше потери электроэнергии. Об этом подробнее будет рассмотрено в разделе «Потери электрической мощности»);
• 2. Из-за низкой пропускной способности.

Если кто помнит, каждый проводник определенного сечения может пропустить определенной величины электрический ток и если эту величину превысить, то проводник начнет греться и в дальнейшем просто расплавится. Если посмотреть на формулу полной мощности S=v3UI (U - напряжение, I - ток), то легко догадаться, что при одной и той же величине передаваемой мощности, чем выше напряжение линии, тем меньше величина тока, протекающего по ней. Следовательно, чтобы мощность, передаваемую, например, по одной линии 110 кВ передать при помощи линий 10 кВ, то нужно будет построить 10 линий 10 кВ с проводом такого же сечения, как и линия 110 кВ. Если электростанция расположена рядом с потребителем (например, крупный завод), то нет смысла повышать напряжение для передачи электроэнергии и она подается потребителю на генераторном напряжении, что позволяет сэкономить на трансформаторах. Кстати, чем отличается электроэнергия от электрической мощности? Да ничем. Электрическая мощность - это мгновенное значение электрической энергии и измеряется она в Ваттах, киловаттах, Мегаваттах (Вт, кВт, МВт), а электрическая энергия - это количество электрической мощности, переданное за единицу времени и измеряется она в киловатт часах (кВт*ч,). Агрегат, в котором происходит преобразование электроэнергии с одного напряжения на другое называется трансформатором.

Принцип работы и конструкция трансформатора

Как мы уже сказали, трансформатор служит для преобразования электрической мощности одного напряжения в электрическую мощность другого напряжения. Как это происходит. Трехфазный трансформатор представляет собой магнитопровод (сердечник), набранный из листов электротехнической стали и состоящий из трех вертикальных стержней соединенных сверху и снизу такими же поперечными стержнями (они называются ярмо). На стержни надеваются обмотки низкого и высокого напряжения в виде цилиндрических катушек из изолированного медного провода. В энергетике эти обмотки называются высшего и низшего напряжения, если трансформатор двух обмоточный, то есть имеет только два напряжения. В трех обмоточном трансформаторе есть еще обмотка среднего напряжения. Обмотки надеваются на стержень в следующем порядке: сначала обмотка низшего напряжения (она ближе всех к магнитопроводу), затем на нее надевается обмотка среднего напряжения и затем обмотка высшего напряжения, то есть на каждый стержень надевается три обмотки, если трансформатор трех обмоточный и две обмотки, если трансформатор двух обмоточный. Для простоты будем рассматривать работу двух обмоточного трансформатора. Обмотки одного стержня образуют фазу. К началу каждой обмотки присоединены линейные вывода, по которым электрическая мощность входит и выходит из трансформатора. Обмотка, к которой электрическая мощность подходит к трансформатору называется первичной, а обмотка, от которой преобразованная мощность уходит вторичной. Если мощность подходит к обмотке низшего напряжения, а уходит с обмотки высшего напряжения, то трансформатор называют повышающим. И наоборот, если мощность подходит к обмотке высшего напряжения, а уходит с обмотки низшего напряжения, то трансформатор называют понижающим. По своей конструкции они ничем не отличаются. Концы обмоток высшего и низшего напряжений соединены по разному. Концы обмоток высшего напряжения соединены вместе и образуют звезду, ее еще называют нейтраль (почему, рассмотрим позже). Концы обмоток низшего напряжений соединены мудрено, а именно - конец каждой обмотки соединен с началом другой, образуя, если развернуть на схеме, треугольник, к вершинам которого подключены линейные вывода. Почему обмотки высшего и низшего напряжений соединены по разному? По чисто экономическим соображениям. Электрический ток и напряжение разделяются на фазные и линейные. Линейным называется напряжение между фаз А-Б, Б-С и С-А, его еще называют междуфазным. Фазное напряжение - это напряжение между каждой (отдельной) фазой и землей или, в случае с трансформатором, нейтралью трансформатора. Фазное напряжение в v3 раз (в 1.73 раза) меньше линейного. Линейный и фазный ток лучше рассмотреть на примере соединений обмоток трансформатора. Ток, текущий по каждой фазе линии называется линейный. Ток, текущий по обмотке каждой фазы трансформатора или электродвигателя называется фазным. Если обмотка этих агрегатов соединена в звезду, то линейный ток, как в фазе линии, так и в фазе звезды одинаковый (нарисуйте звезду и линию и сразу будет понятно). То есть при соединении обмотки в звезду линейный ток равен фазному. Если обмотку соединить в треугольник (нарисуйте), то мы видим, как ток из линии, подойдя к вершине треугольника, расходится по двум обмоткам. Здесь уже фазный ток не равен линейному, он меньше его. Фазный ток, так же как и напряжение в v3 раз (в 1.73 раза) меньше линейного. Когда обмотка соединена в звезду, то ток, протекающий по ней равен линейному току, а напряжение на этой обмотке равно фазному напряжению. А когда обмотка соединена в треугольник, то ток, протекающий по ней равен фазному, а напряжение на каждой обмотке равно линейному напряжению. И если, к примеру, обмотку трансформатора, к которой подводится напряжение 110 кВ соединить сначала в звезду, а затем в треугольник, то в первом случае (когда звезда) напряжение приложенное к обмотке каждой фазы будет равно 63 кВ, а во втором случае (когда треугольник) 110 кВ. Следовательно, когда обмотка соединена в треугольник - изоляция на ней должна быть больше, а значит дороже. С токами все наоборот. Когда обмотка соединена в треугольник, то протекающий по ней ток в v3 раз меньше тока, протекающего по этой же обмотке, если ее соединить в звезду. Если меньше ток, значит меньше сечение провода обмотки и обмотка дешевле. Поскольку ток на стороне низшего напряжения больше тока стороны высшего напряжения (а значит и сечение провода обмотки больше), то именно обмотку низшего напряжения и соединяют в треугольник. Чем выше напряжение, тем дороже стоит изоляция. Вот поэтому обмотку высшего напряжения соединяют в звезду. Существуют также такие понятия, как номинальный ток и номинальное напряжение. Номинальный ток - это максимальный ток, длительно протекающий по проводнику, не перегревая его выше допустимой для его изоляции температуры. Номинальное напряжение - это максимальное напряжение относительно земли (фазное напряжение) или других фаз этого оборудования (линейное напряжение), длительно приложенное к проводнику (воздействующее на проводник) без опасности повреждения (пробоя) его изоляции. Для каждого оборудования заводом изготовителем указывается номинальный ток и напряжение его проводников.

Так вот. Когда к первичной обмотке трансформатора подводится электрическая мощность, то протекающий по ней (по обмотке) ток создает в магнитопроводе, на который одеты обмотки, переменный магнитный поток, который в свою очередь наводит во вторичной обмотке, так называемую электродвижущую силу (э.д.с). Э.д.с - это то же самое, что и мощность. Вот таким образом, с помощью электромагнитной связи, мощность и передается через трансформатор. Прошу не путать с электрической связью. Электрическая связь (ее еще называют металлическая) - это когда мощность передается по проводнику безо всяких воздушных промежутков. Зависимость между первичным и вторичным напряжением, а также количеством витков обмоток определяется формулой:

U1 / U2 = w1 / w2

где U1 и w1 - это напряжение и число витков первичной обмотки, а U2 и w2 - соответственно, вторичной. Из этого следует, что подбирая число витков первичной и вторичной обмоток можно получить желаемое вторичное напряжение. Отношение величины высшего напряжения к низшему напряжению или отношение числа витков обмотки высшего напряжения к обмотке низшего напряжения (что одно и то же) называется коэффициентом трансформации трансформатора. Коэффициент трансформации всегда больше единицы (это можно и так догадаться). Трансформаторы, служащие для преобразования электрической мощности одного напряжения в мощность другого напряжения называются силовыми. Существуют также трансформаторы тока и напряжения. Эти трансформаторы называются измерительными, т.к. они предназначены для питания приборов измерения тока и напряжения, но о них подробнее будет рассмотрено в разделе релейная защита, автоматика и измерения. Величина мощности, проходящей через силовой трансформатор, не изменяется (если исключить незначительные потери при трансформации), изменяются только величины тока и напряжения. Вспоминая формулу мощности, S=v3UI не трудно догадаться, что во сколько раз изменяется напряжение при трансформации, во столько же раз изменяется и ток, только в обратную сторону, то есть если напряжение после трансформатора увеличилось в 10 раз, то ток в 10 раз уменьшился. Вот для этого (чтобы уменьшить величину тока) и повышают напряжение на электростанциях с тем, чтобы передавать ее на далекие расстояния. Трансформаторы бывают сухими и масляными. Сухие трансформаторы (серии ТС) - это трансформаторы с воздушным охлаждением для закрытых помещений. Конструкция самая простая, магнитопровод с обмотками стоит на изоляторах на полу помещения и закрыт металлическим сетчатым кожухом. Выделяемое тепло отводится окружающим воздухом. Сухие трансформаторы выпускаются на напряжение до 10 кВ и используются в основном на собственных нуждах электростанций. В промышленности в основном применяются масляные трансформаторы (серии ТМ, ТД, ТДЦ, ТЦ. Буквы М, Д, ДЦ и Ц означают способ охлаждения и циркуляции масла). В масляном трансформаторе магнитопровод с обмотками помещен в герметичный корпус, заполненный трансформаторным маслом, которое служит для охлаждения и одновременно для изоляции магнитопровода и обмоток. На верху корпуса имеется бак-расширитель, который служит для подпитки корпуса и приемки масла из корпуса при температурных изменениях объема масла внутри корпуса трансформатора. По бокам корпуса масляного трансформатора расположены масляные радиаторы, которые служат для охлаждения масла. Масло под воздействием разности температур внутри корпуса и снаружи в радиаторе постоянно циркулирует через радиаторы, охлаждаясь о наружный воздух. Это называется естественное охлаждение и естественная циркуляция масла (система охлаждения М). Такая система охлаждения применяется на трансформаторах до 10 МВт. На трансформаторах мощностью более 10 МВт масляные радиаторы обдуваются вентиляторами для большей эффективности охлаждения. Эта система охлаждения Д - с естественной циркуляцией и принудительным дутьем. Для еще более эффективного охлаждения масла циркуляцию его осуществляют насосами, одновременно обдувая радиаторы вентиляторами. Эта система охлаждения относится к типу ДЦ - с принудительной циркуляцией масла и принудительным дутьем и применяется на трансформаторах мощностью свыше 100 МВт. Самой эффективной на сегодняшний день является система Ц - с принудительной циркуляцией масла и водяным охлаждением масляных радиаторов. Она применяется на трансформаторах 500 МВт и выше.

В технической литературе часто встречается еще одна характеристика трансформатора - это Uк %, что переводится, как напряжение короткого замыкания в процентах. Напряжение Uк % - это напряжение приложенное к одной из обмоток трансформатора, при котором по другой обмотке замкнутой накоротко, протекает номинальный ток (по первой обмотке, к стати, в это время протекает тоже номинальный ток). Uк % характеризует полное сопротивление обмоток трансформатора и используется при расчетах токов за трансформатором в различных режимах работы сети.

Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Мощные трансформаторы (500 МВА и выше) выпускаются в однофазном исполнении по той простой причине, что трехфазный трансформатор такой мощности будет иметь такие размеры, что доставить его к месту установки не будет представляться возможным. Трансформаторы бывают двух обмоточными (ВН, НН), трех обмоточными (ВН, СН, НН) и с расщепленными обмотками. Трансформатор с расщепленными обмотками имеет две одинаковые обмотки низшего напряжения. Для чего это делается? Трансформаторы с расщепленными обмотками имеют повышенный Uк % (сопротивление обмоток), поэтому их целесообразнее использовать для питания РУ с большим количеством присоединений. РУ делается не из двух секций (на каждую по одному трансформатору), а из четырех. Один трансформатор питает две секции (каждая обмотка питает отдельную секцию). Тем самым мы уменьшаем ток КЗ на секции в два раза, по сравнению с тем, если бы секций было две и каждая питалась от двух обмоточного трансформатора.

Регулирование напряжения трансформатора

Как мы уже говорили, величину напряжения на вторичной обмотке трансформатора можно изменять с помощью изменения количества витков первичной или вторичной обмоток. На силовых трансформаторах предусмотрено изменение количества витков на обмотке высшего напряжения. Для этого часть витков обмотки высшего напряжения имеют регулировочные ответвления, с помощью которых можно либо добавлять, либо уменьшать количество витков обмотки высшего напряжения. Уменьшая число витков обмотки высшего напряжения, когда она является первичной обмоткой (понижающий трансформатор), уменьшается сопротивление обмотки, следовательно увеличивается ток и магнитный поток в сердечнике трансформатора, а значит и увеличивается напряжение на обмотке низшего напряжения, которая в данном случае является вторичной. И наоборот. Увеличивая число витков обмотки высшего напряжения, увеличивается сопротивление обмотки, следовательно уменьшается ток и магнитный поток в сердечнике трансформатора, а значит и уменьшается напряжение на обмотке низшего напряжения.

В случае повышающего трансформатора, когда обмотка низшего напряжения является первичной, а высшего напряжения вторичной, процесс повышения напряжения на вторичной обмотке происходит не за счет увеличения магнитного потока, а за счет увеличения числа витков вторичной обмотки, то есть обмотки высшего напряжения.

Почему регулировка напряжения производится именно на обмотке высшего напряжения, будет ясно после рассмотрения конструкции переключателя ответвлений. В масляных трансформаторах применяются два типа переключателей ответвлений - ПБВ и РПН. Переключатель ПБВ означает переключение без возбуждения, то есть на отключенном трансформаторе и представляет собой систему неподвижных контактов, соединенных с ответвлениями обмотки и подвижные контакты, соединенные с основной обмоткой. Подвижные контакты находятся на устройстве в виде барабана, поворачивая который рукояткой привода, расположенной на крышке трансформатора, производят изменение числа витков обмотки высшего напряжения. Поскольку часто регулировать таким способом напряжение неудобно из-за необходимости отключения трансформатора, то с помощью переключателей ПБВ производится в основном сезонное регулирование напряжения, когда изменяются нагрузки в прилегающей сети, то есть зимой и летом (зимой нагрузки больше, а значит больше и падение напряжения в сети и напряжение приходится повышать).

Для частых регулировок напряжения на трансформаторах устанавливают переключатель типа РПН, что означает регулирование под нагрузкой. Переключатель ответвлений типа РПН позволяет регулировать напряжение, не отключая трансформатор и даже не снимая с него нагрузку, поэтому и конструкция его сложнее, нежели переключателя ПБВ. Для того, чтобы во время переключения подвижного контакта с одного ответвления на другое не происходило разрыва цепи тока обмотки, в переключателе типа РПН имеется два подвижных контакта на каждую фазу (основной и шунтирующий) и переключение с одного ответвления на другое происходит в два этапа - сначала на новое ответвление переключается основной контакт, а затем шунтирующий. А для того, чтобы в момент, когда основной контакт стоит уже на новом ответвлении, а шунтирующий остался еще на старом, не происходило закорачивание витков, находящихся между этими контактами, в цепи шунтового контакта установлено специальное сопротивление и ток не идет через закоротку, образованную основным и шунтирующим контактами. Переключатель типа РПН установлен не в общем баке трансформатора, где расположен магнитопровод с обмотками, а в отдельном отсеке, куда выведены ответвления обмоток высшего напряжения. Это связано с тем, что при переключениях под нагрузкой между контактами возникает, хоть и незначительная, но электрическая дуга, которая разлагает масло с выделением водорода. И если бы РПН находился в общем баке, то водород постоянно накапливался в газовом реле трансформатора, вызывая, тем самым, не нужные срабатывания газовой защиты (об этом подробнее будет рассмотрено в граве релейная защита и автоматика). РПН может переключаться, как дистанционно ключом управления, так и с помощью автоматики АРН (автоматическое регулирование напряжения), реагирующей на изменения напряжения на вторичной обмотке.

В сухих трансформаторах переключателей ответвлений нет и изменение количества витков происходит путем пересоединения на обмотке каждой фазы специальной металлической пластины, соединяющей основную часть обмотки с добавочными витками.

Автотрансформаторы

Автотрансформаторы служат для соединения распределительных устройств разного напряжения. Автотрансформатор отличается от трех обмоточного трансформатора тем, что у него нет обмотки среднего напряжения. Среднее напряжение берется с части обмотки высшего напряжения. Ведь у обмотки трансформатора соединенной в звезду напряжение от максимального в начале обмотки уменьшается с каждым витком в сторону нейтрали, пока совсем не снизится до нуля на нейтрали после последнего витка. Вот на основе этого принципа и выполнена обмотка среднего напряжения у автотрансформатора. К примеру, у автотрансформатора напряжением 220/110/10 кВ где-то на середине обмотки высшего напряжения (220 кВ) сделаны ответвления соответствующие напряжению 110 кВ, это и есть обмотка среднего напряжения, совмещенная с обмоткой высшего напряжения (вернее, являющаяся ее частью). Поэтому автотрансформатор меньше по габаритам и дешевле трех обмоточного трансформатора той же мощности. Ответвлений на обмотке высшего напряжения несколько (как и в трансформаторе) для возможности регулирования напряжения с помощью переключателя типа РПН.

В ПТЭ можно встретить такое понятие, как допустимое напряжение для данного ответвления обмотки трансформатора. Как это понимать и где взять эти допустимые напряжения? Как мы уже сказали в начале этого раздела, у обмоток трансформаторов соединенных в звезду с каждым витком в сторону нейтрали напряжение уменьшается. В связи с этим уменьшают и изоляцию с каждым витком, а точнее с каждым ответвлением в сторону нейтрали (в целях экономии). Поэтому каждое ответвление имеет свое допустимое напряжение. А посмотреть это напряжение можно в таблице анцапф трансформатора, в заводской инструкции, на худой конец, на табличке прикрепленной к трансформатору.

Передача и распределение электрической энергии осуществляются электрическими сетями - внутренними (цеховыми) и наружными. Наружные сети часто называют межцеховыми (питание 3УР, 2УР и отдельные РП-10 кВ) или магистральными (питание по туннелям и блокам от 6УР, 5УР до 4УР). Наруж­ные сети до 1 кВ на промышленных предприятиях имеют ограниченное рас­пространение (главным образом, это сети наружного освещения).

Прокладка производится изолированными и неизолированными (голыми) про­водами (преимущественно воздушные ЛЭП). Изолированные провода выполняются защищенными - поверх электрической изоляции накладывается металлическая или иная оболочка, предохраняющая изоляцию от механических повреждений. Изолированные проводники: провода, кабели и шнуры. Неизолированные провода: алюминиевые, медные, стальные шины, токопроводы, троллеи и голые провода.

Для сетей используют твердотянутую медь, покрытую тонкой оксидной пленкой, обеспечивающей хорошее противостояние влиянию атмосферных условий и воздействию химических соединений, содержащихся в промышленных выбросах. Твердотянутый алюминий, применяемый для этих целей, также покрыт пленкой, но подвергается коррозии вблизи моря и ряда производств, связанных с получением или использованием кислот. Большее электрическое сопротивление, худшие монтажные и эксплуатационные свойства, но меньшая стоимость по сравнению с медью определяют область его применения. Стальные проводники требуется подвергать оцинкованию (присадки до 0,4 % меди), их применяют из-за дешевизны, для малых нагрузок (в сельских сетях). Предпочтительнее использовать биметаллические, в которых стальные проволоки, несущие механическую нагрузку, снаружи покрыты слоем электролитической меди или алюминия.

Транспорт электроэнергии в системах электроснабжения осуществляется:

1) воздушными линиями - устройствами для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арматуры к опорам или кронштейнам, стойкам на зданиях и инженерных сооружениях (мостах, путепроводах, эстакадах и т. п.);

2) кабельными линиями - устройствами для передачи электроэнергии, состоящими из одного или нескольких параллельных кабелей с соединительными, стопорными и концевыми муфтами (заделками) и крепежными деталями;

3) токопроводами - устройствами для передачи и распределения электроэнергии, состоящими из неизолированных или изолированных проводников и относящихся к ним изоляторов, защитных оболочек, осветительных устройств, поддерживающих или опорных конструкций;

4) электропроводками - совокупностью проводов и кабелей с относящимися к ним креплениями, поддерживающими защитными конструкциями и деталями.

Сечения проводников устройств канализации электроэнергии выбираются: а) по нагреву (с учетом нормальных, послеаварийных, ремонтных режимов) максимальным током в течение получаса; б) по экономической плотности тока; в) по условиям динамического действия и нагрева при коротком замыкании.

Нормированное значение по нагреву и по экономической плотности тока j эк определяется ПУЭ. По экономической плотности тока не выбирают: сети промышленных предприятий и сооружений до 1 кВ при Т max до 4000-5000; ответвления к отдельным электроприемникам и пускорегулирующим элементам напряжением до 1 кВ; осветительные сети промышленных предприятий, жилых и общественных зданий; сборные шины и ошиновка ОРУ и 3РУ всех напряжений; сети временных сооружений, а также устройств со сроком службы 3-5 лет.

В электроустановках выше 1 кВ по режиму КЗ следует проверять: а) кабе­ли и другие проводники, токопроводы, а также опорные и несущие конструк­ции для них; б) воздушные линии при ударном токе КЗ, равном 50 кА и более, для предупреждения схлестывания проводов при динамическом действии токов КЗ, в электроустановках ниже 1 кВ - только токопроводы, распределительные щиты и силовые шкафы. Стойкими при токах КЗ являются те элементы транспорта электроэнергии, которые при расчетных условиях выдерживают воздействия этих токов, не подвергаясь электрическим и механическим разрушениям или деформациям.

По режиму КЗ при напряжении выше 1 кВ не проверяют элементы:

защищенные плавкими предохранителями со вставками (по электроди­намической стойкости - на номинальный ток вставок до 60 А и независимо от него - по термической стойкости),

в цепях к индивидуальным приемникам, в том числе к цеховым транс­форматорам общей мощностью до 2,5 МВА и с высшим напряжением до 20 кВ [если соблюдены одновременно следующие условия: а) в электрической или технологической части предусмотрена необходимая степень резервирова­ния, выполненного так, что отключение указанных приемников не вызывает расстройства технологического процесса, б) повреждение проводника при КЗ не может вызвать взрыва или пожара, в) возможна замена проводника без значительных затруднений];

проводники неответственных индивидуальных приемников,

провода ВЛ;

трансформаторы тока и напряжения при определенных условиях

Температура нагрева проводников при КЗ не должна превышать следующих предельно допустимых значений, °С

медные 300

алюминиевые 200

Кабели с изоляцией:

бумажной на напряжение до 10 кВ 200

поливинилхлоридной резиновой 150

полиэтиленовой 120

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителям. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратит в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света. Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителям. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратит в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света.

Преимущество электрической энергии Можно передавать по проводам Можно передавать по проводам Можно трансформировать Можно трансформировать Легко превращается в другие виды энергии Легко превращается в другие виды энергии Легко получается из других видов энергии Легко получается из других видов энергии

Генератор - Устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую энергию. Устройство, преобразующее энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи

Эксплуатация генератора Генерировать энергию можно либо вращая виток в поле постоянного магнита, либо виток поместить в изменяющееся магнитное поле (вращать магнит, оставляя виток неподвижным). Генерировать энергию можно либо вращая виток в поле постоянного магнита, либо виток поместить в изменяющееся магнитное поле (вращать магнит, оставляя виток неподвижным).

Значение генератора в производстве электрической энергии Важнейшие детали генератора изготавливаются очень точно. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично Важнейшие детали генератора изготавливаются очень точно. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично

Как устроен трансформатор? Он состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две катушки с проволочными обмотками. Первичная обмотка подключается к источнику переменного напряжения. К вторичной обмотке присоединяют нагрузку.

АЭС производят 17% мировой выработки. Начало ХХI века эксплуатируется 250 АЭС, работают 440 энергоблоков. Больше всего США, Франции, Японии, ФРГ, России, Канаде. Урановый концентрат (U3O8) сосредоточен в следующих странах: Канаде, Австралии, Намибии, США, России. Атомные электростанции

Сравнение типов электростанции Типы электростанц ий Выбросвредных веществ в атмосфе ры, кг Занимае мая площадьга Потребле ние чистой воды м 3 Сбро с грязн ой воды, м 3 Затрат ы наохрану приро ды % ТЭЦ: уголь 251,5600,530 ТЭЦ: мазут 150,8350,210 ГЭС АЭС--900,550 ВЭС10--1 СЭС-2--- БЭС10-200,210

Министерство образования и науки Украины

Докучаевский горный техникум

Реферат

по физике на тему:

«Получение, передача и распределение энергии»

Выполнил студент группы ЭРГО 23 1/9 Нарижный С.Г.

Преподаватель: Ушкало И.Г.

Докучаевск – 2004г.

При разработке угольных сланцевых россыпных, рудных и нерудных месторождений основным видом энергии является электрическая энергия, которую предприятия получают от энергосистем страны, а в отдаленных районах – от местных электростанций.

Энергосистемой называют совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, связанных с общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии при общем управлении этим режимом. К электрической части энергосистемы относят совокупность электроустановок электрических станций и электрических сетей.

Электроснабжением называют обеспечение потребителей электрической энергией, а системой электроснабжения – совокупность электроустановок, предназначенных для этой цели. Электроснабжение бывает внешнее и внутреннее.

К внешнему электроснабжению относят воздушные и кабельные линии электропередачи (ЛЭП) от выводов районных подстанций или ответвлений от энергосистем до вводов на шины главных понизительных подстанций (ГПП) предприятий.

К внутреннему электроснабжению относят поверхностные и подземные подстанции (стационарные и передвижные), распределительные пункты высшего и низшего напряжений, воздушные и кабельные ЛЭП и электроприемники горных предприятий.

В настоящее время при проектировании электроснабжений новых горнопромышленных районов и реконструкции старых предусматривают системы глубокого ввода напряжением 35 – 220 кВ, т.е. электроэнергию высшего напряжения подают потребителям, сводя к минимуму количество сетевых звеньев и ступеней промежуточной трансформации.

Конкретное значение подводимого напряжения определяют на основе технико-экономических расчетов, в которых сравнивают первоначальные затраты на строительство, расходы на эксплуатацию, показатели в отношении качества электроэнергии, перспективность при дальнейшем развитии системы электроснабжения.

Электроснабжение горных предприятий должно производиться не менее чем по двум питающим ЛЭП независимо от значения напряжения. В нормальном режиме все питающие ЛЭП должны находиться под нагрузкой и работать раздельно. Возможно применение и двухцепных воздушных ЛЭП на опорах, рассчитанных на повышенные ветровые и гололедные нагрузки (на ступень выше нормативов, установленных для данного района).

В системе внешнего электроснабжения горных предприятий применяют следующие значения напряжения: 220, 110, 35, 10 и 6 кВ. В системе внутреннего электроснабжения для различных нужд предприятия используют следующие напряжения: 6 кВ (10 кВ) – для стационарных приемников электрической энергии, передвижных трансформаторных подстанций, машин и механизмов, применяемых при проходке стволов, а также для высокопроизводительных силовых передвижных установок открытых разработок. Напряжение 10 кВ разрешается применять в отдельных случаях для стационарных установок угольных и сланцевых шахт и стационарных подземных подстанций рудных и нерудных шахт только с разрешения отраслевых министерств;

· 1140В – для высокопроизводительных забойных машин и механизмов в подземных выработках шахт;

· 660В – для сетей, питающих силовые электроприемники в подземных выработках и на открытых горных разработках;

· 330В – для питания сетей, указанных для напряжения 660В;

· 380/220В – для сетей, питающих силовые и осветительные электроприемники на поверхности горных предприятий при трех- или четырехпроводной системе от общих трансформаторов;

· 220 или 127В – для питания ручного инструмента и осветительной сети в подземных выработках шахт.

Для создания рациональных систем электроснабжения необходимо применять комплектные трансформаторные подстанции, трансформаторы с автоматическим регулированием напряжения, обособленное питание потребителей подземных выработок шахт от трансформаторов с расщепленными вторичными обмотками или разделительных трансформаторов с коэффициентом трансформации, равным единице.

Классификация электрических станций, подстанций и электрических сетей

Электрической станцией называют промышленное предприятие (электроустановку), которое служит для производства электрической энергии, а иногда одновременно и для выработки тепловой энергии. Электрические станции отличаются друг от друга своим назначением, родом вырабатываемого тока, видом используемого топлива или энергии и типом первичных машин.

В зависимости от вида используемого топлива или энергии различают тепловые электростанции (ТЭС и ГРЭС), гидроэлектрические (ГЭС), атомные (АЭС). По типу первичных машин электростанции делят на станции с паровыми, гидравлическими, газовыми турбинами, атомными реакторами, двигателями внутреннего сгорания. Станции с паровыми турбинами могут быть конденсационными (КЭС) и теплофикационными (ТЭЦ).

Подстанция – это электроустановка, служащая для преобразования и распределения электроэнергии и состоящая из силовых трансформаторов или других преобразователей энергии, распределительных устройств высшего и низшего напряжения, аккумуляторной батареи, устройств управления, защиты и вспомогательных сооружений.

Поверхностные подстанции горных предприятий могут быть классифицированы по двум признакам: назначению и конструктивному оформлению. По назначению они имеют следующие сокращенные названия: ГПП – главная понизительная подстанция, которая получает электроэнергию от энергосистемы или непосредственно от электростанции и распределяет эту энергию электроприемникам предприятия; ЦРП – центральный распределительный пункт, получающий питание аналогично ГПП и распределяющий полученную энергию электроприемникам всего предприятия или отдельной его части. ЦРП в основном применяют на открытых разработках. КТП – комплектные трансформаторные подстанции, состоящие из одного или нескольких трансформаторов, распредустройств высшего и низшего напряжений с защитно-коммутационной аппаратурой. При установке их на открытом воздухе в обозначение добавляют букву Н (наружной установки).

Электрической сетью называют совокупность электроустановок для передачи и распределения электроэнергии, состоящих из подстанций, распредустройств, токопроводов, воздушных и кабельных ЛЭП, работающих на определенной территории.

Воздушной линией (ВЛ) электропередачи называется устройство для передачи и распределения электроэнергии по проводам, расположенным на открытом воздухе и прикрепленным с помощью изоляторов и арматуры к различного рода опорам или кронштейнам и стойкам на инженерных сооружениях (мостах, путепроводах и т. п.). За начало и конец ВЛ принимают линейные порталы распределительных устройств.

Кабельной линией (КЛ) называют линию для передачи электроэнергии, состоящую из одного или нескольких кабелей с соединительными, стопорными и концевыми муфтами (заделками) и крепежными деталями.

Независимым источником питания потребителей электрической энергии называют источник питания, на котором сохраняется напряжение в установленных пределах для после аварийного режима, при исчезновении его на других источниках питания этих потребителей.

Электрические сети выполняют воздушными или кабельными ЛЭП. Главными элементами ВЛ являются: неизолированные провода, опоры, изоляторы, линейная арматура и грозозащитные тросы. В настоящее время применяют алюминиевые и сталеалюминевые провода. По конструкции провода могут быть одно-проволочными, многопроволочными из одного металла и многопроволочными из двух металлов, например алюминия и стали.

Расположение проводов на опорах может быть различным: на одно-цепных линиях – треугольником (рис. а) или горизонтально (рис. б); на двух цепных линиях – обратной елкой (рис. в) или шестиугольником в виде бочки (рис. г). Грозозащитные тросы устанавливают на верхних точках опор.

При любом варианте провода располагают несимметрично, что приводит к неодинаковым значениям реактивных сопротивлений и проводимостей. Чтобы получить одинаковые емкости и индуктивности всех трех фаз ЛЭП на разных участках на протяженных ЛЭП последовательно меняют на опорах взаимное расположение проводов по отношению друг к другу, т. е. применяют так называемую транспозицию проводов.

Опоры выполняют из дерева, стали и железобетона. Основные виды опор: анкерные и промежуточные. Первые устанавливают для жесткого закрепления проводов на концах линии или прямых ее участков, на пересечениях особо важных инженерных сооружений и больших водоемов. Анкерные опоры должны выдерживать одностороннее стяжение двух проводов. Промежуточные опоры служат для поддержания провода на прямых участках ЛЭП между соседними анкерными опорами. У таких опор тяжение проводов на эти опоры не передается. Деревянные опоры, выполняемые из сосны, лиственницы, просты в изготовлении, дешевы. Недостаток деревянных опор – малый срок службы. Для металлических опор используют сталь. Они требуют больших затрат металла и нуждаются в регулярной окраске для защиты от коррозии. Железобетонные опоры изготавливают из арматуры, ненапряженной, покрытой вибро- или центрифугированным бетоном. Такие опоры требуют меньше металла, не подвержены коррозии, долговечнее деревянных, а поэтому и получили распространение при сооружении ЛЭП напряжением до 750 кВ

включительно.

а)	в)	г)
б)
Варианты расположения проводов на опорах.

Изоляторы воздушных линий изготавливают из фарфора или закаленного стекла. Эти материалы обладают высокой механической и электрической прочностью, стойкостью к атмосферным воздействиям. Фарфоровые изоляторы тяжелее стеклянных и хуже переносят ударные нагрузки. При различных повреждениях фарфор растрескивается, что трудно обнаружить визуально, а закаленное стекло рассыпается. На воздушных ЛЭП применяют изоляторы двух типов: штыревые и подвесные. Первые применяют для ЛЭП напряжением до 35кВ, вторые – для ЛЭП любых напряжений. Подвесные изоляторы собирают в гирлянды, которые на промежуточных опорах называют поддерживающими, а на анкерных – натяжными. Число изоляторов в гирлянде зависит от рабочего напряжения ЛЭП, степени загрязненности атмосферы, материала опор и типа применяемых изоляторов. Например, на ЛЭП-35 число изоляторов в гирлянде три, на ЛЭП-110 – от шести до восьми, а на ЛЭП-220 в поддерживающей гирлянде устанавливают 10-14 изоляторов с диаметром чашки от 255 до 350 мм.

Сложно переоценить значение электричества. Скорее, мы подсознательно недооцениваем его. Ведь практически вся окружающая нас техника работает от электросети. Об элементарном освещении и говорить не приходится. А вот производство электроэнергии нас практически не интересует. Откуда берется и как сохраняется (и вообще, возможно ли сохранить) электричество? Сколько реально стоит выработка электроэнергии? И насколько это безопасно для экологии?

Экономическое значение

Со школьной скамьи нам известно, что электроэнерговооруженность – один из основных факторов получения высокой производительности труда. Электроэнергетика – стержень всей деятельности человека. Нет ни одной отрасли, которая бы обходилась без нее.

Развитость этой отрасли свидетельствует о высокой конкурентоспособности государства, характеризует темпы роста производства товаров и услуг и почти всегда оказывается проблемным сектором экономики. Затраты на производство электроэнергии зачастую складываются из значительных первоначальных инвестиций, которые будут окупаться долгие годы. Несмотря на все свои ресурсы, Россия не исключение. Ведь значительную долю экономики составляют именно энергоемкие отрасли.

Статистика говорит нам о том, что в 2014 году производство электроэнергии Россией еще не вышло на уровень советского 1990 года. По сравнению с Китаем и США РФ производит - соответственно - в 5 и в 4 раза меньше электричества. Почему так происходит? Специалисты утверждают, что это очевидно: высочайшие непроизводственные расходы.

Кто потребляет электричество

Конечно, ответ очевиден: каждый человек. Но ведь сейчас нас интересуют промышленные масштабы, а значит, те отрасли, которым в первую очередь необходима электроэнергия. Основная доля приходится на промышленность – около 36%; ТЭК (18%) и жилой сектор (чуть больше 15%). Оставшийся 31% выработанного электричества приходится на непроизводственные отрасли, железнодорожный транспорт и потери в сетях.

При этом стоит учитывать, что в зависимости от региона структура потребления существенно меняется. Так, в Сибири действительно более 60% электричества используется промышленностью и ТЭК. А вот в европейской части страны, где расположено большее количество населенных пунктов, самым мощным потребителем оказывается жилой сектор.

Электростанции – основа отрасли

Производство электроэнергии в России обеспечивается почти 600 электростанциями. Мощность каждой превышает 5 МВт. Общая мощность всех электростанций составляет 218 ГВт. Как же мы получаем электроэнергию? В России используются такие типы электростанций:

• тепловые (их доля в общем объеме производства около 68,5%);
• гидравлические (20,3%);
• атомные (почти 11%);
• альтернативные (0,2%).

Когда речь заходит об альтернативных источниках электроэнергии, на ум приходят романические картинки с ветряками и солнечными батареями. Тем не менее, в определенных условиях и местностях это наиболее выгодные виды производства электроэнергии.

Тепловые электростанции

Исторически сложилось так, что тепловые электростанции (ТЭС) занимают основное место в производственном процессе. На территории России обеспечивающие производство электроэнергии ТЭС классифицируются по таким признакам:

• источник энергии – органическое топливо, геотермальная или солнечная энергия;
• вид вырабатываемой энергии – теплофикационная, конденсационная.

Еще одним важнейшим показателем считается степень участия в покрытии графика электронагрузки. Здесь выделяются базовые ТЭС с минимальным временем использования в году 5000 час; полупиковые (их еще называют маневренные) – 3000-4000 час в году; пиковые (используются только в часы максимальной нагрузки) – 1500-2000 час в году.

Технология производства энергии из топлива

Конечно, в основном производство, передача и использование электроэнергии потребителями происходит за счет работающих на органическом топливе ТЭС. Их различают по технологии производства:

• паротурбинные;
• дизельные;
• газотурбинные;
• парогазовые.

Паротурбинные установки самые распространенные. Они работают на всех видах топлива, включая не только уголь и газ, но и мазут, торф, сланцы, дрова и древесные отходы, а также продукты переработки.

Органическое топливо

Самый большой объем производства электроэнергии приходится на Сургутскую ГРЭС-2, мощнейшую не только на территории РФ, но и на весь Евразийский континент. Работая на природном газе, она выдает до 5600 МВт электроэнергии. А из угольных наибольшей мощностью обладает Рефтинская ГРЭС – 3800 МВт. Более 3000 МВт могут давать еще Костромская и Сургутская ГРЭС-1. Следует отметить, что аббревиатура ГРЭС не изменилась со времен Советского Союза. Она расшифровывается, как государственная районная электростанция.

Во время реформы отрасли производство и распределение электроэнергии на ТЭС должно сопровождаться техническим перевооружением действующих станций, их реконструкцией. Также среди первоочередных задач стоит строительство новых генерирующих энергию мощностей.

Электричество из возобновляемых ресурсов

Электроэнергия, полученная с помощью ГЭС, является важнейшим элементом стабильности единой энергосистемы государства. Именно гидроэлектростанции могут за считаные часы увеличить объемы производства электроэнергии.

Большой потенциал российской гидроэнергетики заключается в том, что на территории страны расположено почти 9% мировых запасов воды. Это второе место в мире по наличию гидроресурсов. Такие страны, как Бразилия, Канада и США, остались позади. Производство электроэнергии в мире за счет ГЭС несколько осложняется тем, что наиболее благоприятные места для их строительства существенно удалены от населенных пунктов или промышленных предприятий.

Тем не менее, благодаря электроэнергии, произведенной на ГЭС, стране удается сэкономить около 50 млн тонн топлива. Если бы удалось освоить весь потенциал гидроэнергетики, Россия могла бы экономить до 250 млн тонн. А это уже серьезная инвестиция в экологию страны и гибкую мощность энергетической системы.

Гидростанции

Строительство ГЭС решает множество вопросов, не связанных с выработкой энергии. Это и создание систем водоснабжения и водоотведения целых регионов, и строительство ирригационных сетей, столь необходимых сельскому хозяйству, и контроль паводков и т. д. Последнее, кстати, имеет немаловажное значение для безопасности людей.

Производство, передача и распределение электроэнергии в настоящее время осуществляется 102 ГЭС, единичная мощность которых превышает 100 МВт. Общая же мощность гидроустановок России приближается к 46 ГВт.

Страны по производству электроэнергии регулярно составляют свои рейтинги. Так вот, Россия сейчас занимает 5-е место в мире по выработке электричества из возобновляемых ресурсов. Наиболее значимыми объектами следует считать Зейскую ГЭС (она не только первая из построенных на Дальнем Востоке, но еще и довольно мощная – 1330 МВт), каскад Волжско-Камских электростанций (общее производство и передача электроэнергии составляет более 10,5 ГВт), Бурейскую ГЭС (2010 МВт) и т. д. Отдельно хочется отметить и Кавказские ГЭС. Из нескольких десятков работающих в этом регионе наиболее выделяется новая (уже введенная в эксплуатацию) Кашхатау ГЭС мощностью более 65 МВт.

Особого внимания заслуживают и геотермальные ГЭС Камчатки. Это очень мощные и мобильные станции.

Самые мощные ГЭС

Как уже отмечалось, производство и использование электроэнергии затруднено удаленностью основных потребителей. Тем не менее, государство занято развитием этой отрасли. Не только реконструируются имеющиеся, но и строятся новые ГЭС. Они должны освоить горные реки Кавказа, многоводные уральские реки, а также ресурсы Кольского полуострова и Камчатки. Среди самых мощных отметим несколько ГЭС.

Саяно-Шушенская им. П. С. Непорожнего построена в 1985 году на реке Енисей. Ее нынешняя мощность пока не достигает расчетных 6000 МВт в связи с реконструкцией и ремонтом после аварии 2009 года.

Производство и потребление электроэнергии Красноярской ГЭС рассчитано на Красноярский алюминиевый завод. Это единственный «клиент» введенной в эксплуатацию в 1972 году ГЭС. Ее расчетная мощность - 6000 МВт. Красноярская ГЭС единственная, на которой установлен судоподъемник. Он обеспечивает регулярное судоходство по реке Енисей.

Братская ГЭС введена в эксплуатацию в далеком 1967 году. Ее плотина перекрывает реку Ангару недалеко от города Братска. Как и Красноярская ГЭС, Братская работает на нужды Братского алюминиевого завода. Ему уходят все 4500 МВт электроэнергии. А еще этой гидростанции поэт Евтушенко посвятил поэму.

На реке Ангаре расположилась еще одна ГЭС – Усть-Илимская (мощность чуть более 3800 МВт). Строительство ее началось в 1963 году, а закончилось в 1979-м. Тогда же и началось производство дешевой электроэнергии для основных потребителей: Иркутского и Братского алюминиевых заводов, Иркутского авиастроительного завода.

Волжская ГЭС расположена севернее Волгограда. Ее мощность почти 2600 МВт. Эта крупнейшая в Европе гидроэлектростанция работает с 1961 года. Неподалеку от Тольятти функционирует самая «старая» из крупных ГЭС – Жигулевская. Она введена в эксплуатацию еще в 1957 году. Мощность ГЭС в 2330 МВт покрывает потребности в электричестве Центральной части России, Урала и Средней Волги.

А вот необходимое для нужд Дальнего Востока производство электроэнергии обеспечивает Бурейская ГЭС. Можно сказать, что она совсем еще «юная» - ввод в эксплуатацию состоялся только в 2002 году. Установленная мощность этой ГЭС – 2010 МВт электроэнергии.

Экспериментальные морские ГЭС

Гидроэнергетическим потенциалом обладают и множественные океанические и морские заливы. Ведь перепад высот во время прилива в большинстве из них превышает 10 метров. А это значит, что можно вырабатывать огромное количество энергии. В 1968 году была открыта Кислогубская экспериментальная приливная станция. Ее мощность составляет 1,7 МВт.

Мирный атом

Российская атомная энергетика является технологией полного цикла: от добычи урановых руд до производства электроэнергии. Сегодня в стране работает 33 энергоблока на 10 АЭС. Общая установленная мощность составляет чуть больше 23 МВт.

Максимальное количество электроэнергии АЭС было выработано в 2011 году. Цифра составила 173 млрд кВт/ч. Производство электроэнергии на душу населения атомными станциями выросло на 1,5% по сравнению с предыдущим годом.

Конечно, приоритетным направлением развития атомной энергетики является безопасность эксплуатации. Но и в борьбе с глобальным потеплением АЭС играют значительную роль. Об этом постоянно говорят экологи, которые подчеркивают, что только в России удается сократить выброс углекислого газа в атмосферу на 210 млн тонн в год.

Атомная энергетика получила свое развитие в основном на Северо-Западе и в европейской части России. В 2012 году всеми АЭС было выработано около 17% всей произведенной электроэнергии.

Атомные электростанции России

Крупнейшая АЭС России расположена в Саратовской области. Ежегодная мощность Балаковской АЭС составляет 30 млрд кВт/ч электроэнергии. На Белоярской АЭС (Свердловская обл.) сейчас работает только 3-й блок. Но и это позволяет назвать ее одной из самых мощных. 600 МВт электроэнергии получают благодаря реактору на быстрых нейтронах. Стоит отметить, что это был первый в мире энергоблок с быстрыми нейтронами, установленный для получения электричества в промышленных масштабах.

На Чукотке установлена Билибинская АЭС, которая вырабатывает 12 МВт электроэнергии. А Калининскую АЭС можно считать недавно построенной. Ее первый блок был введен в эксплуатацию в 1984 году, а последний (четвертый) лишь в 2010-м. Суммарная мощность всех энергоблоков составляет 1000 МВт. В 2001 году была построена и введена в эксплуатацию Ростовская АЭС. С момента подключения второго энергоблока - в 2010 году - ее установленная мощность превысила 1000 МВт, а коэффициент использования мощности составил 92,4%.

Энергия ветров

Экономический потенциал ветровой энергетики России оценивается в 260 млрд кВт/ч в год. Это почти 30% всей производимой сегодня электроэнергии. Мощность всех работающих в стране ветроустановок составляет 16,5 МВт энергии.

Особенно благоприятны для развития этой отрасли такие регионы, как побережье океанов, предгорные и горные районы Урала и Кавказа.