Выработка преобразование распределение и потребление электрической энергии. Производство электроэнергии в россии

Производство электроэнергии в мире в наши дни играет огромную роль. Она - стержень государственной экономики любой страны. Гигантские суммы денег ежегодно вкладываются в производство и использование электроэнергии и научные исследования, связанные с этим. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с ее действием, поэтому современный человек должен иметь представление об основных процессах ее выработки и потребления.

Как получают электроэнергию

Производство электроэнергии осуществляется из других ее видов при помощи специальных устройств. Например, из кинетической. Для этого применяют генератор - прибор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию.

Другие существующие способы ее получения - это, например, преобразование излучения светового диапазона фотоэлементами или солнечной батареей. Или производство электроэнергии путем химической реакции. Или использование потенциала радиоактивного распада либо теплоносителя.

Вырабатывают ее на электростанциях, которые бывают гидравлическими, атомными, тепловыми, солнечными, ветряными, геотермальными и проч. В основном все они работают по одной схеме - благодаря энергии первичного носителя определенным устройством вырабатывается механическая (энергия вращения), передаваемая затем в специальный генератор, где и вырабатывается электроток.

Основные виды электростанций

Производство и распределение электроэнергии в большинстве стран ведутся путем строительства и эксплуатации ТЭС - тепловых электростанций. Их функционирование требует большого запаса органического топлива, условия добычи которого из года в год усложняются, а стоимость растет. Коэффициент полезной отдачи топлива в ТЭС не слишком высок (в пределах 40%), а число экологически грязных отходов велико.

Все эти факторы снижают перспективность такого способа выработки.

Наиболее экономично производство электроэнергии гидроэнергетическими установками (ГЭС). КПД их доходит до 93%, себестоимость 1 кВт/ч впятеро дешевле других способов. Природный источник энергии таких станций практически неисчерпаем, количество работников - минимально, ими легко управлять. По развитию данной отрасли наша страна - признанный лидер.

К сожалению, темпы развития ограничены серьезными затратами и длительными сроками строительства ГЭС, связанными с их удаленностью от больших городов и магистралей, сезонным режимом рек и трудными условиям работы.

Кроме того, гигантские водохранилища ухудшают экологическую ситуацию - затапливают ценные земли вокруг водоемов.

Использование атомной энергии

В наши дни производство, передача и использование электроэнергии производятся атомными электростанциями - АЭС. Они устроены практически по тому же принципу, что и тепловые.

Главный их плюс - малое количество требующегося топлива. Килограмм обогащенного урана по своей производительности эквивалентен 2,5 тыс. тонн угля. Именно поэтому АЭС теоретически можно строить в любом районе независимо от наличия близлежащих топливных ресурсов.

В настоящее время запасы урана на планете значительно больше, чем минерального горючего, а воздействие АЭС на окружающую природу минимально при условии безаварийной работы.

Огромный и серьезный недостаток АЭС - вероятность страшной аварии с непредсказуемыми последствиями, отчего для их бесперебойной работы требуются очень серьезные меры по обеспечению безопасности. К тому же производство электроэнергии на АЭС регулируется с трудом - как для их запуска, так и для полной остановки понадобится несколько недель. И практически отсутствуют технологии утилизации опасных отходов.

Что такое электрический генератор

Производство и передача электроэнергии осуществимы благодаря электрогенератору. Это устройство преобразования любых видов энергии (тепловой, механической, химической) в электрическую. Принцип его действия построен на процессе электромагнитной индукции. ЭДС индуктируется в проводнике, который движется в магнитном поле, пересекает его силовые магнитные линии. Таким образом, проводник может служить источником электроэнергии.

Основа любого генератора - система электромагнитов, формирующих магнитное поле, и проводников, которые его пересекают. Большинство всех генераторов переменного тока основаны на применении вращающегося магнитного поля. Его неподвижную часть именуют статором, подвижную - ротором.

Понятие трансформатора

Трансформатор - электромагнитное статическое устройство, предназначенное для преобразования одной системы тока в другую (вторичную) при помощи электромагнитной индукции.

Первые трансформаторы в 1876 г. были предложены П. Н. Яблочковым. В 1885 г. венгерскими учеными разработаны промышленные однофазные приборы. В 1889-1891 гг. изобретен трехфазный трансформатор.

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального сердечника и пары обмоток. Применяются они для распределения и передачи электроэнергии, ведь генераторы электростанций вырабатывают ее при напряжении от 6 до 24 кВт. Передавать ее выгодно при больших значениях (от 110 до 750 кВт). Для этого на электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы.

Как используется электроэнергия

Ее львиная доля идет на снабжение электричеством предприятий промышленности. Производство потребляет до 70% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Эта цифра значительно разнится для отдельных регионов в зависимости от климатических условий и уровня индустриального развития.

Другая статья расходов - снабжение электротранспорта. От электросетей ЭЭС работают подстанции городского, междугороднего, промышленного электротранспорта, использующего постоянный ток. Для транспорта на переменном токе применяются понижающие подстанции, которые тоже потребляют энергию электростанций.

Другой сектор потребления электроэнергии - коммунально-бытовое снабжение. Потребителями здесь являются здания жилых районов любых населенных пунктов. Это дома и квартиры, административные здания, магазины, заведения образования, науки, культуры, здравоохранения, общественного питания и т. д.

Как происходит передача электроэнергии

Производство, передача и использование электроэнергии - три кита отрасли. Причем передать полученную мощность потребителям - самая сложная задача.

"Путешествует" она главным образом посредством ЛЭП - воздушных линий электропередачи. Хотя все чаще начинают применять кабельные линии.

Вырабатывается электроэнергия мощными агрегатами гигантских электростанций, а потребителями ее служат относительно небольшие приёмники, разбросанные по обширной территории.

Существует тенденция концентрировать мощности, связанная с тем, что с их увеличением уменьшаются относительные затраты возведения электростанций, а следовательно, и себестоимость получаемого киловатт-часа.

Единый энергокомплекс

На принятие решения о размещении крупной электростанции влияет ряд факторов. Это вид и количество имеющихся в наличии ресурсов, доступность транспортировки, климатические условия, включенность в единую энергосистему и т. д. Чаще всего электростанции строятся вдали от крупных очагов потребления энергии. Эффективность ее передачи на немалые расстояния влияет на успешную работу единого энергетического комплекса огромной территории.

Производство и передача электроэнергии должны происходить с минимальным количеством потерь, главная причина которых - нагрев проводов, т. е. увеличение внутренней энергии проводника. Для сохранения передаваемой на большие расстояния мощности нужно пропорционально увеличить напряжение и уменьшить в проводах силу тока.

Что такое ЛЭП

Математические расчеты показывают, что величина потерь в проводах на нагрев обратно пропорциональна квадрату напряжения. Именно поэтому электроэнергию на большие расстояния передают при помощи ЛЭП - высоковольтных линий электропередач. Между их проводами напряжение исчисляется десятками, а порой сотнями тысяч вольт.

Электростанции, расположенные неподалеку друг от друга, объединяются в единую энергосистему именно при помощи ЛЭП. Производство электроэнергии в России и ее передача ведутся путем централизованной энергетической сети, в которую входит огромное количество электростанций. Единое управление системой гарантирует постоянную подачу потребителям электроэнергии.

Немного истории

Как формировалась единая электрическая сеть в нашей стране? Попробуем заглянуть в прошлое.

До 1917 года производство электроэнергии в России велось недостаточными темпами. Страна отставала от развитых соседей, что отрицательно сказывалось на экономике и обороноспособности.

После Октябрьской революции проект электрификации России разрабатывался Государственной комиссией по электрификации России (сокращенно ГОЭЛРО), возглавляемой Г. М. Кржижановским. С ней сотрудничали более 200 ученых и инженеров. Контроль осуществлялся лично В. И. Лениным.

В 1920 г. был готов «План электрификации РСФСР», рассчитанный на 10-15 лет. Он включал восстановление прежней энергосистемы и строительство 30 новых электростанций, оборудованных современными турбинами и котлами. Главная идея плана - задействовать гигантские отечественные гидроэнергоресурсы. Предполагались электрификация и коренная реконструкция всего народного хозяйства. Упор делался на рост и развитие тяжёлой промышленности страны.

Знаменитый план ГОЭРЛО

Начиная с 1947 года СССР стал первым в Европе и вторым в мире производителем электроэнергии. Именно благодаря плану ГОЭЛРО была сформирована в кратчайшие сроки вся отечественная экономика. Производство и потребление электроэнергии в стране вышло на качественно новый уровень.

Выполнение намеченного стало возможным благодаря сочетанию сразу нескольких важных факторов: высокого уровня научных кадров страны, сохранившегося с дореволюционных времен материального потенциала России, централизации политической и экономической власти, свойству российского народа верить "верхам" и воплощать провозглашаемые идеи.

План доказал эффективность советской системы централизованной власти и государственного управления.

Результаты плана

В 1935 году принятая программа была выполнена и перевыполнена. Построено 40 электростанций вместо запланированных 30, введено мощностей почти втрое больше, чем предусматривалось по плану. Возведено 13 электроцентралей мощностью по 100 тыс. кВт каждая. Общая мощность российских ГЭС составила около 700 000 кВт.

В эти годы были возведены крупнейшие объекты стратегического значения, такие как всемирно известная Днепровская ГЭС. По суммарным показателям Единая советская энергосистема превзошла аналогичные системы самых развитых стран Нового и Старого Света. Производство электроэнергии по странам Европы в те годы значительно отставало от показателей СССР.

Развитие села

Если до революции в деревнях России электричества практически не существовало (небольшие электростанции, устанавливаемые крупными землевладельцами не в счет), то с реализацией плана ГОЭЛРО благодаря использованию электроэнергии сельское хозяйство получило новый толчок к развитию. На мельницах, лесопилках, зерноочистительных машинах появились электродвигатели, что способствовало модернизации отрасли.

Помимо того, электричество прочно вошло в быт горожан и селян, в буквальном смысле вырвав "темную Россию" из мрака.

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

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.

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.

Электрическая энергия для нужд промышленных предприятий жилых районов вырабатывается на электрических станциях. На этих станциях происходит преобразование энергии воды, топлива, атомной энергии и т.д. в электрическую энергию. В этом процессе преобразования энергии можно выделить две основные ступени: сначала первичная энергия в различного рода двигателях преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия в электромагнитных генераторах преобразуется в электрическую энергию.

В зависимости от вида преобразуемой природной энергии электрические станции разделяют на гидравлические, тепловые, атомные и т.д., а в зависимости от мощности (и назначения) они называются районными и местными. Местные электростанции в отличие от районных имеют ограниченный радиус действия и сравнительно малую мощность.

На районных электрических станциях устанавливают трехфазные электрические генераторы переменного тока. Станции же местного назначения могут иметь и генераторы постоянного тока.

Основным типом тепловых электрических станций являются паротурбинные электрические станции, которые сооружаются на местах нахождения топлива (угля, торфа, сланца, газа и др.), обычно на значительном расстоянии от потребителя.

Паротурбинные станции, которые вырабатывают только электрическую энергию, называются тепловыми электрическими станциями (ТЭС). На них пар, отработавший в турбинах, конденсируется в специальных устройствах и снова подается в котел. Поэтому такие станции часто называются конденсационными. Упрощенная схема конденсационной электрической станции показана на рисунке 8.1.1.

Пар из котла К под давлением 24 МПа и с температурой 838 °К по трубопроводу поступает в турбину Т, где значительная часть внутренней энергии пара превращается в механическую энергию ротора турбины. Из турбины пар поступает в теплообменный аппарат-конденсатор Кр, где за счет проточной воды охлаждается и конденсируется. Конденсат с помощью центробежного насоса Н снова поступает в котел.

Механическая энергия турбины в генераторе Г преобразуется в электрическую энергию, которая по высоковольтной линии и распределительным сетям поступает к потребителям. Схема потерь энергии в процессе ее преобразования, передачи и распределения, показана на рисунке 8.1.2.

За 100% принята энергия топлива, поступающего в котел. Потери энергии в современных паровых котлах составляют примерно 1,5%, в турбине - 55%, а в генераторе - 0,5%. Часть энергии генератора (3%) используется на собственные нужды станции для электропривода насосов, различных механизмов и освещения. Таким образом, КПД современной паротурбинной электростанции составляет 40%.

Существуют электрические тепловые станции, которые одновременно с электрической энергией снабжают потребителей паром и горячей водой. Это так называемые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). На них применяют специальные теплофикационные паровые турбины, которые позволяют производить предварительный отбор пара, еще не полностью отработанного, и использовать его для технологических нужд предприятий и бытовых нужд.

Благодаря тому что в ТЭЦ пар выходит из турбины под ббль- шим давлением (5...7 ат), чем на электростанциях конденсационного типа (0,05...0,06 ат), выработка электроэнергии на 1 кг пара в них меньше, чем на конденсационных электростанциях. Общее же полезное использование теплотворной способности топлива значительно больше и достигает 80%. Однако пар и горячая вода от ТЭЦ могут передаваться потребителям по трубам только в радиусе 12... 15 км, что существенно ограничивает их распространение.

Атомные электрические станции, по существу, являются также тепловыми станциями, но источником энергии в них служит ядер- ная энергия, которая выделяется при делении ядер атомов тяжелых элементов. Деление ядер происходит в специальном устройстве - реакторе, где выделяется большое количество тепла. Простейшая схема атомной электростанции приведена на рисунке 8.1.3.

Она состоит из реактора Р, парогенератора ПГ, турбины Т, электрического генератора Г, теплообменника-конденсатора Кр и центробежных насосов Я.

Ядерный реактор и парогенератор имеют биологическую защиту БЗ от излучения. Выделяющееся в реакторе тепло с помощью жидкого или газообразного теплоносителя поступает по трубам в парогенератор. В парогенераторе теплоноситель омывает трубы, в которые насосом Я закачивается конденсат из турбины, и конденсат снова превращается в пар, поступающий в турбину, а теплоноситель с помощью насосов возвращается в реактор. В отличие от обычной тепловой электростанции атомная электростанция имеет замкнутый контур радиоактивного теплоносителя. Турбины и прочее оборудование, составляющее второй контур, лишенный радиоактивности, связаны с первым лишь через теплообменник-парогенератор.

Атомные реакторы бывают разных типов. В качестве примера приведем некоторые данные реактора, установленного на Нововоронежской АЭС. Он представляет собой стальной цилиндр высотой более Ими диаметром 3,8 м. Толщина стенок корпуса, выполненного из высокопрочной стали, равна 12 см, а его масса 200 т. Теплоносителем служит дистиллированная вода, которая прокачивается через реактор под давлением 100 ат. Эта вода поступает в реактор при температуре 269 °С и покидает его при температуре 300 °С. Под действием теплоносителя в парогенераторе образуется пар давлением 47 ат, который и подается в паровые турбины.

Турбины и электрические генераторы атомной и обычной тепловой электростанций одинаковы.

Электрические генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами, называются турбогенераторами. Паровые турбины быстроходны: Их роторы развивают частоту п = 3000 мин" 1 и более. Поэтому ротор турбогенератора для создания частоты f = 50 Гц обычно имеет одну пару полюсовр :

Гидроэлектрические станции (ГЭС) обычно сооружают на реках (бывают станции, использующие морские приливы). Для их работы необходима разность уровней воды. Это достигается сооружением плотин. На реках с крутыми берегами строят высокие плотины (сотни метров), а на равнинных реках с отлогими берегами возводят относительно невысокие плотины (десятки метров). Преобразование энергии движущейся воды в механическую энергию происходит в гидравлических турбинах. Скорость вращения гидравлических турбин, а, следовательно, и скорость соединенных с ними электрических генераторов (гидрогенераторов) колеблются в пределах от 60 до 750 мин" 1 . Поэтому гидрогенераторы должны иметь несколько пар полюсов. Например, гидротурбина на Угличской ГЭС вращается со скоростью 62,5 мин 1 , ротор генератора для обеспечения частоты 50 Гц имеет 48 пар полюсов.

Стоимость сооружения гидроэлектрических станций значительно больше стоимости тепловых электростанций, но вырабатываемая на них электрическая энергия обходится намного дешевле, чем на тепловых станциях. Поэтому большие капиталовложения, идущие на сооружение гидроэлектростанций, вполне себя окупают.

Гидроэлектрические станции могут быть и местного значения, если они сооружаются на малых реках для небольших промышленных предприятий и населенных пунктов, не охваченных сетями районных станций. Их мощность обычно не превышает нескольких сотен или тысячи киловатт.

К местным станциям следует отнести ветровые, локомобильные и дизельные станции, построенные колхозами и совхозами для нужд сельского хозяйства.

В СНГ находятся крупнейшие в мире тепловые, гидравлические и атомные электростанции. Так, мощности тепловых и атомных электростанций достигают 4 млн. кВт, а мощность Красноярской ГЭС - 6,4 млн. кВт.