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.

Ни для кого не секрет, что электричество в наш дом попадает от электростанций, являющихся основными источниками электроэнергии. Однако между нами (потребителями) и станцией может быть сотни километров и через все это дальнее расстояние ток должен каким-то образом передаваться с максимальным КПД. В этой статье мы, собственно, и рассмотрим, как передается электроэнергия на расстоянии к потребителям.

Маршрут транспортировки электричества

Итак, как мы уже сказали, начальной точкой является электрическая станция, которая, собственно, и генерирует электроэнергию. На сегодняшний день основными видами электростанций являются гидро- (ГЭС), тепло- (ТЭС) и атомные (АЭС). Помимо этого бывают солнечные, ветровые и геотермальные эл. станции.

Далее от источника электричество передается к потребителям, которые могут находиться на дальних расстояниях. Чтобы осуществить передачу электроэнергии, нужно повысить напряжение с помощью повышающих трансформаторов (напряжение могут повысить вплоть до 1150 кВ, в зависимости от расстояния).

Почему электроэнергия передается при повышенном напряжении? Все очень просто. Вспомним формулу электрической мощности — P=UI, тогда если передавать энергию к потребителю, то чем выше напряжение на линии электропередач — тем меньше ток в проводах, при той же потребляемой мощности. Благодаря этому можно строить ЛЭП с большим напряжением, уменьшив сечение проводов, по сравнению с ЛЭП с низшим напряжением. Значит и сократятся расходы на строительство — чем тоньше провода, тем они дешевле.

Соответственно от станции электричество передается на повышающий трансформатор (при необходимости), а после этого с помощью ЛЭП осуществляется передача электроэнергии на ЦРП (центрально распределительные подстанции). Последние, в свою очередь, находятся в городах или в близком расстоянии от них. На ЦРП происходит понижение напряжения до 220 или же 110 кВ, откуда электроэнергия передается к подстанциям.

Далее напряжение еще раз понижают (уже до 6-10 кВ) и происходит распределение электрической энергии по трансформаторным пунктам, именуемым также ТП. К трансформаторным пунктам электричество может передаваться не по ЛЭП, а подземной кабельной линией, т.к. в городских условиях это будет более целесообразно. Дело в том, что стоимость полосы отчуждения в городах достаточно высокая и более выгодно будет прокопать траншею и заложить кабель в ней, нежели занимать место на поверхности.

От трансформаторных пунктов электроэнергия передается к многоэтажным домам, постройкам частного сектора, гаражному кооперативу и т.д. Обращаем ваше внимание на то, что на ТП напряжение еще раз понижается, уже до привычных нам 0,4 кВ (сеть 380 вольт).

Если кратко рассмотреть маршрут передачи электроэнергии от источника к потребителям, то он выглядит следующим образом: электростанция (к примеру, 10 кВ) – повышающая трансформаторная подстанция (от 110 до 1150 кв) – ЛЭП – понижающая трансформаторная подстанция – ТП (10-0,4 кВ) – жилые дома.

Вот таким способом электричество передается по проводам в наш дом. Как вы видите, схема передачи и распределения электроэнергии к потребителям не слишком сложная, все зависит от того, насколько большое расстояние.

Наглядно увидеть, как электрическая энергия поступает в города и доходит до жилого сектора, вы можете на картинке ниже:

Более подробно об этом вопросе рассказывают эксперты:

Как электричество поступает от источника к потребителю

Что еще важно знать?

Также хотелось пару слов сказать о моментах, которые пересекаются с этим вопросом. Во-первых, уже достаточно долго проводятся исследования на тему того, как осуществить передачу электроэнергии без проводов. Существует множество идей, но самым перспективным на сегодняшний день решением является использование беспроводной технологии WI-Fi. Учёные из Вашингтонского университета выяснили, что этот способ вполне реален и приступили к более подробному исследованию вопроса.

Во-вторых, на сегодняшний день по ЛЭП передается переменный ток, а не постоянный. Это связано с тем, что преобразовательные устройства, которые сначала выпрямляют ток на входе, а потом снова делают его переменным на выходе, имеют достаточно высокую стоимость, что экономически не целесообразно. Однако все же пропускная способность линий электропередач постоянного тока в 2 раза выше, что также заставляет думать над тем, как ее более выгодно осуществить.

Тема 3.1 Источники, передача и распределение электрической энергии.

Электрическая энергия универсальна: она удобна для дальних передач, легко распределяется по отдельным потребителям и с помощью сравнительно несложных устройств преобразуется в дру­гие виды энергии.

Эти задачи решает энергетическая система, в которой осуще­ствляются преобразование энергии топлива или падающей воды в электрическую энергию, трансформация токов и напряжений, рас­пределение и передача электрической энергии потребителям.

Источниками электрической энергии служат тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС) и атомные (АЭС) электростанции, имею­щие общий режим производства энергии. Линии электропереда­чи, трансформаторные и распределительные устройства обеспе­чивают совместную работу электростанций и распределение энер­гии между потребителями.

Рис. 11.1. Общая схема электроснабжения

Рис. 11.2. Передвижная дизельная электростанция с синхронным генератором:

I - возбудитель постоянного тока; 2 - генератор; 3 - дизельный двигатель

Передача и распределение электроэнергии строится по ступен­чатому принципу (рис. 11.1). Для уменьшения потерь в линиях элек­тропередач (ЛЭГТ) напряжение повышают при помощи повыша­ющих (ГГТП-1) и понижающих (ГПП-2) трансформаторов, устанавливаемых на электрических подстанциях. От крупных подстан­ций электроэнергия подается непосредственно к объектам, на ко­торых на трансформаторных подстанциях (ТП) производится окон­чательное понижение напряжения. Распределение электроэнергии в электрических сетях производится, как правило, трехфазным пе­ременным током частотой 50 Гц.

В начальный период строительства в удаленных районах приме­няют в качестве временных источников.

Потребители электроэнергии . Приемником электроэнергии (электроприемником) является элек­трическая часть технологической установки или механизма, получаю­щая энергию из сети и расходующая ее на выполнение технологичес­ких процессов. Потребляя электроэнергию из сети, электроприемник, по существу, преобразует ее в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую или в электроэнергию с иными параметрами (по роду тока, напряжению, частоте). Некоторые технологические уста­новки имеют несколько электроприемников: станки, краны, и т.п.

Электроприемники классифицируются по следующим призна­кам: напряжению, роду силы тока, его частоте, единичной мощ­ности, степени надежности электроснабжения, режиму работы, технологическому назначению.

По напряжению электроприемники подразделяются на две груп­пы: до 1000 В и свыше 1000 В.

Породу силы тока электроприемники подразделяются: на при­емники переменного тока промышленной частоты (50 Гц), посто­янного тока и переменного тока частотой, отличной от 50 Гц (по­вышенной или пониженной).

Единичные мощности отдельных электроприемников и электро­потребителей различны - от десятых долей киловатта до несколь­ких десятков мегаватт.

По степени надежности электроснабжения правила устрой­ства электроустановок (ПУЭ) предусматривают три категории:

1 Электроприемники I категории - электроприемники, пере­рыв снабжения которых электроэнергией связан с опасностью для людей или влечет за собой большой материальный ущерб (домен­ные цехи, котельные производственного пара, подъемные и вен­тиляционные установки шахт, аварийное освещение и др.). Они должны работать непрерывно.

2 Электроприемники II категории - электроприемники, пере­рыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, простою технологических механизмов, рабочих, про­мышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности городских и сельских жителей.

3 Электроприемники III категории - все остальные электро­приемники, не подходящие под определение I и II категорий. Элек­троприемники данной категории допускают перерыв электроснаб­жения не более одних суток.

Характеристики электроприемников . К общепромышленным ус­тановкам относятся вентиляторы, насосы, компрессоры, возду­ходувки и т. п. Данная группа электроприемников относится, как правило, к первой категории надежности. Некоторые вентиляци­онные и компрессорные станции относятся ко второй категории надежности.

Регулируемый электропривод технологических механизмов и двигатели станков с повышенной скоростью вращения получают питание от преобразовательных установок . Режимы их работы раз­личны и определяются режимом механизма.

Преобразователями тока служат двигатели-генераторы, ртутные и полупроводниковые выпрямители, питающиеся от трехфазных сетей переменного тока промышленной частоты на напряжениях до 110 кВ.

К электротехнологическим установкам относятся электронагре­вательные и электролизные установки, установки электрохими­ческой, электроискровой и ультразвуковой обработки металлов, электромагнитные установки (сепараторы, муфты), электросва­рочное оборудование.

Электронагревательные установки объединяют электрические печи и электротермические установки.

Электросварочное оборудование питается напряжением 380 или 220 В переменного тока промышленной частоты. Электросварочное оборудование работает в повторно-кратко­временном режиме. Сварочные установки по степени надежности относятся ко второй категории.

Мощность электроприводов подъемно-транспортных устройств определяется условиями производства, ее значение колеблется от нескольких до сотен киловатт. Электрические осветительные установки являются в основном однофазными приемниками. Электроосвети -тельные установки относятся ко второй катего­рии надежности.

Схемы электрических сетей. Схема силовой сети оп­ределяется технологическим процессом производства, категорией надежности электроснабжения, взаимным расположением ТП или ввода питания и электроприемников, их единичной установлен­ной мощностью и размещением. Схема должна быть проста, без­опасна и удобна в эксплуатации, экономична, должна удовлетво­рять характеристике окружающей среды, обеспечивать примене­ние индустриальных методов монтажа.

Схемы сетей могут быть радиальными, магистральными и сме­шанными - с односторонним или двусторонним питанием.

При радиальной схеме (рис. 11.3) энергия от отдельного узла пи­тания (ТП) поступает к одному достаточно мощному потребите­лю или к группе электроприемников.

Рис. 11.3. Радиальная схема питания:

1- распределительный щит; 2 - силовой распределительный пункт (РП);

3 - электроприемник; 4 - щит освещения; 5 - кабельная линия

Радиальные схемы применяют для питания сосредоточенных нагрузок большой мощности, при неравномерном размещении приемников, а также для питания приемников во взрывоопасных, пожароопасных и пыльных помещениях. Достоинства радиальных схем заключаются в высо­кой надежности (авария на одной линии не влияет на работу при­емников, получающих питание по другой линии) и удобстве ав­томатизации. Недостатками радиальных схем являются: малая эко­номичность из-за значительного расхода проводникового матери­ала.

При магистральных схемах приемники подключаются к любой точке линии (магистрали). Магистрали могут присоединяться к рас­пределительным щитам подстанции или к силовым РП (рис. 11.4):

Рис. 11.4. Магистральная схема с распределительным шинопроводом:

1- комплектная трансформаторная подстанция (КТП);

2 - распредели­тельный шинопровод; 3- нагрузка

Достоинствами магистральных схем являются: уп­рощение щитов подстанции; высокая гибкость сети, дающая воз­можность перемещать технологическое оборудование без переделки сети; использование уни­фицированных элементов, по­зволяющих вести монтаж ин­дустриальными методами.

Для повышения надежно­сти питания электроприемни­ков по магистральным схемам применяется двустороннее питание магистральной линии (рис. 11.5):

Рис. 11.5. Схема с двусторонним пита­нием магистралей

Схемы сетей электрического освещения. Система рабочего осве­щения создает нормальное освещение всего помещения и рабочих поверхностей. В такую систему входят светильники общего и мест­ного освещения.

Аварийное освещение обеспечивает освещенность для продолже­ния работы или останова технологического процесса и для эваку­ации людей при отключении рабочего освещения.

Групповые линии в зависимости от протяженности и нагрузки могут быть двух-, трех- и четырехпроводными. Групповые линии одного помещения должны получать пита­ние так, чтобы при погасании части ламп одних групп оставшиеся в работе группы обеспечивали минимальную освещенность до лик­видации аварии. Пример схемы питания осветительной сети при­веден на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Схема питания электроосвещения от двух ТП:

1- распределительный щит; 2 - линии, отходящие к силовым РП; 3,

4 - групповые щитки соответственно рабочего и аварийного освещения; 5,

б - групповая сеть соответственно рабочего и аварийного освещения;

7- питающие линии освещения

Расчет электрических нагрузок. Основой рационального решения комплекса технико-экономи­ческих вопросов электроснабжения является правильное опреде­ление ожидаемых электрических нагрузок. От этого зависят капи­тальные затраты в схеме электроснабжения, расход цветного ме­талла, потери электроэнергии и эксплуатационные расходы.

Исходными данными для расчета электрических нагрузок явля­ются установленная мощность электроприемников и характер из­менения нагрузки. Под установленной мощностью (Ру) групп по­требителей понимают суммарную паспортную мощность всех элек­троприемников. Например, установленная мощность башенного крана равна сумме номинальных мощностей всех его электродви­гателей.

В результате расчета определяется максимальная (расчетная) нагрузка, которая служит основой для выбора сечения токоведущих частей, потерь мощности и напряжения в сетях, выбора мощ­ности трансформаторов и компенсирующих устройств.

Для каждой группы электроприемников существует некоторое определенное соотношение между величинами расчетной (Рр) и установленной мощности. Это соотношение называется коэффи­циентом спроса:

Зная установленную мощность и коэффициент спроса данной группы потребителей, можно определить расчетную мощность:

Расчетную реактивную мощность (Qp) определяют по формуле:

(11.3)

где tg φ находят для угла φ, косинус которого определяют из паспортных данных установки.

Полная расчетная мощность силовой нагрузки определяется как:

(11.4)

К расчетной силовой нагрузке необходимо прибавить мощность на освещение. Расчеты удобно вести в табличной форме (таб. 11.1):

Таблица 11.1

Для снижения потерь электроэнергии надо использовать более высокие напряжения, стремиться к сокраще­нию протяженности сетей до 1000 В, применять меры по повыше­нию коэффициента мощности.

На значении коэффициента мощности электроустановки отри­цательно сказывается наличие малозагруженных электродвигате­лей и трансформаторов. Поэтому в первую очередь проводятся ме­роприятия организационного порядка, направленные на то, что­бы естественный коэффициент мощности достиг максимального значения. Если этих мер недостаточно, то применяют батареи кон­денсаторов, синхронные двигатели.

Методика расчет величины и места расположения конденсато­ров сложна, но в приближенных расчетах значение емкости (квар) определяют по формуле

(11.6)

где Qc – емкость конденсаторной батареи; Pp – расчетная активная мощность нагрузки, кВАр;

tg φр – расчетный тангенс.

По каталожным данным выбирают ближайший стандартный конденсатор. Устанавливают батареи конденсаторов или на под­станции, или непосредственно у потребителя.

Трансформаторные подстанции . Трансформаторные подстанции служат для приема электроэнер­гии, преобразования напряжения и распределения электрической энергии на объекте. По назначению различают следующие виды трансформаторных подстанций:

главные (повышающие и понижающие) подстанции , предназна­ченные для повышения напряжения линии электропередач при больших расстояниях;

распределительные, или просто трансформаторные подстанции (ТП), в которых электроэнергия, поступающая от ГПП, транс­формируется с высшего напряжения 35 ...6 кВ на низшее 660/380 или 380/220 В, на которое и рассчитано большинство потребите­лей.

Оборудование ТП состоит из трансформаторов, аппаратов ком­мутации и защиты, устройств управления, контроля и учета элект­роэнергии. Схема ТП типа строительной комплектной трансформа­торной подстанции с одним трансформатором показана на рис. 11.7:

Рис. 11.7. Мачтовая открытая подстанция (а) и схема ТП с одним транс­форматором (б):

1 - трансформатор; 2 - разъединитель; 3 - предохранитель;

4 - распреде­лительный шкаф; 5 - разрядник

По конструктивному выполнению различают открытые, закрытые, передвиж­ные подстанции.

К открытым, оборудование которых устанавливается на откры­том воздухе, относятся мачтовые подстанции с трансформатора­ми, установленными на деревянных или железобетонных опорах. На рис. 11.7 изображена подстанция с одним трансформатором, присоединенным к ЛЭП.

Закрытые ТП (рис. 11.8) располагаются в помещениях К закрытым транс­форматорным подстанциям относятся также комплектные под­станции КТП или СКТП (строительные комплектные трансфор­маторные подстанции). Электрооборудование КТП размещается в металлическом корпусе.

Рис. 11.8. Закрытая трансформаторная подстанция: 1 - трансформатор;

2 - контакт замыкающий; 3 - предохранитель

Передвижные подстанции (рис. 11.9), которые также могут быть комплектными, монтируются на авто- или железнодорожной плат­форме.

Рис.11.9. Передвижная комплектная трансформаторная подстанция

Технические характеристики силовых трансформаторов . Основ­ным конструктивным типом силового трансформатора напряже­нием до 10 кВ является трехфазный трансформатор с естествен­ным масляным охлаждением. Используются и сухие силовые транс­форматоры (т. е. с воздушным охлаждением). Они безопасны в от­ношении пожара и поэтому ими комплектуются ТП в зданиях с повышенными требованиями пожарной безопасности. Промышленность выпускает трехфазные силовые трансформа­торы по определенной шкале мощностей: 10; 16; 25; 40; 63; 100; 250; 400; 630; 1000; 1600 кВА.

Определение типа и мощности силового трансформатора. Выбор типа, мощности ТП, ее расположение обуславливается величиной, характером электрических нагрузок и их пространственным расположением.

Расчет ведется в такой последовательности:

определяется местоположение ТП с учетом положения опасных зон, расположения подъездных путей и дорог. Трансформаторные подстанции желательно располагать ближе к мощным потребителям;

при определении мощности трансформатора необходимо одно­временно решать вопрос о компенсации реактивной мощности. При компенсации на стороне 0,4 кВ получается расчетная мощность трансформатора:

(11.7)

где Рр - расчетная активная мощность нагрузки, кВт; Qр - рас­четная реактивная мощность нагрузки, квар; QЭ - реактивная мощ­ность энергосистемы (как правило, QЭ = 0,33 Рр); В - коэффици­ент загрузки трансформатора (для однотрансформаторной подстан­ции В = 0,95... 1,0).

Из справочных данных выбирают ближайший трансформатор равной или большей мощности.

Электрические станции.

Электрическая энергия вырабатывается на электростан­циях. Различные виды природной энергии (топливо, атом­ная, падающей воды, ветра, морских приливов и отливов и т. д.) преобразуются на этих станциях в электрическую. Для работы электрических генераторов используют паро­вые поршневые машины и турбины, двигатели внутреннего сгорания, газовые и гидравлические турбины, ветряные двигатели и др. В зависимости от вида энергии, потребляе­мой первичными двигателями, электростанции бывают тепловыеу включая и атомные, гидравлические, ветряные. Некоторое значение для горных и южных районов имеют гелиостанции (солнечные установки). Однако мощность их пока незначительна, поэтому они имеют лишь местное зна­чение и ограниченное применение.

Городские станции обеспечивают потребителей не только электроэнергией, но и теплотой и называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Постепенное сокращение топливных ресурсов требуют поисков новых способов получения электроэнергии. Одним из наиболее перспективных является получение электроэнер­гии с помощью термоядерного синтеза. В этом направлении ведутся исследовательские работы во всем мире.

Следует отметить, что к.п.д. даже крупных тепловых электростанций не превышает 40-42%. Эффективным способом повышения к.п.д. тепловых электростанций является применение так называемых магнитогидродинамически х генераторов (МГД- генераторов).

Понятие об электрических системах . Передачу электрической энергии на большие расстоя­ния выгодно осуществлять при высоких напряжениях. Поэтому при электростанциях сооружаются трансформа­торные подстанции, на которых напряжение генераторов повышается до 35, 110, 220 кВ и более. При очень больших расстояниях, порядка не­скольких тысяч километров, передача энергии может осу­ществляться на постоянном токе высокого напряжения, что позволяет уменьшить потери энергии в линиях электро­передачи (ЛЭП). В ме­стах потребления постоянный ток вновь преобразуется в переменный на специальных преобразовательных подстан­циях. От сборных шин распределительного устройства под­станции (РУ) по линиям электропередачи энергия переда­ется на районные понизительные подстанции с вторичным номинальным напряжением 6-10 кВ. От районных пони­зительных подстанций электрическая энергия передается обычно по кабельным линиям на городские распредели­тельные пункты (РП), от которых распределяется между по­низительными подстанциями, расположенными вблизи по­требителей непосредственно в микрорайонах и жилых кварталах.

Совокупность электрических станций, линий электропередачи, подстанций, тепловых сетей, свя­занных в одно целое общностью режима, непрерывностью процессов производства и распределения электрической и тепловой энергии, называется энергосистемой.

В России имеется ряд крупных энергосистем, объединяю­щих большое количество электрических станций. Часть энергетической системы, состоящая из генера­торов, распределительных устройств, повысительных и понизительных подстанций, линий электрических сетей и электроприемников, называется электрической системой.

На рис. 11.10 приведена примерная схема электроснабже­ния крупного города:

Длительно допустимая расчетная токовая нагрузка для заданных условий

Iд ³ Imax /(ККп), (11.8)

где Imax - расчетная длительная максимальная токовая нагрузка элемента сети, А,

определяемая по формулам:

а) для трехфазной четырехпроводной и трехпроводной сетей

(11.9)

б) для двухфазной сети с нулевым проводом

, (11.10)

в) для однофазной сети

(11.11)

где Рmах - расчетная максимальная нагрузка, кВт; Uном - номинальное линейное

напряжение, В; UФ - номинальное фазное напряжение, В.

Для сетей, питающих люминесцентные лампы, при оп­ределении расчетного тока Imах следует вводить повышаю­щий коэффициент, учитывающий потери мощности в пуско­регулирующих аппаратах (ПРА), равный 1,25.

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.

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.