Вырабатывающие передающие и потребляющие электроэнергию. Производство и распределение электроэнергии

💖 Нравится? Поделись с друзьями ссылкой

Производство, передача и распределение электроэнергии.

Проблема обеспечения энергией уже в самое ближайшее время станет одной из наиболее острых среди глобальных проблем человечества. Более 60% энергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС) на органическом топливе (уголь, нефтепродукты, газ, торф), примерно 18% - на атомных (АЭС) и гидроэлектростанциях (ГЭС), а остальные 2% - на солнечных, ветровых, геотермальных и прочих электростанциях.

Производство электрической энергии в России концентрируется преимущественно на крупных электростанциях. Потребители электрической энергии – промышленность, строительство, электрифицированный транспорт, сельское хозяйство, сфера бытового обслуживания расположены в городах и сельской местности. Центры потребления электроэнергии, как правило, удалены от ее источников зачастую на расстояния в сотни и даже тысячи километров и распределены на значительной территории. В связи с этим возникает задача транспортирования электроэнергии от станций к потребителям. Эту задачу выполняют электрические сети, состоящие из линий электропередачи (ЛЭП) и подстанций.

Передача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой.

Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи (ЛЭП), и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток переменной частоты 50 Гц. На рисунке представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии.

Следует отметить, что при повышении напряжения в линиях передачи увеличиваются утечки энергии через воздух. В сырую погоду вблизи проводов линии может возникнуть так называемый коронный разряд , который можно обнаружить по характерному потрескиванию. Коэффициент полезного действия линии передач не превышает 90 %.

Условная схема высоковольтной линии передачи. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках линии. На схеме изображен только один из трех проводов высоковольтной линии.

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы .

Трансформатор – прибор для преобразования напряжения и силы переменного тока при неизменной частоте.

Он был изобретен П. Н. Яблочковым в 1876 году. В 1882 году трансформатор был усовершенствован И. Ф. Усагиным.

Принцип действия трансформаторов , применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции .

Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная.

Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e 1 (t ), поэтому в ней возникает ток J 1 (t ), создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Φ, который практически без рассеяния циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток.

В режиме холостого хода , то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки , ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

В режиме нагрузки в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки R н , и в ней возникает переменный ток J 2 (t ). Теперь полный магнитный поток Φ в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток Φ 2 , создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током J 2 , направлен навстречу потоку Φ 1 , создаваемому током J 1 в первичной обмотке: Φ = Φ 1 – Φ 2 . Отсюда следует, что токи J 1 и J 2 изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180°.

Коэффициент k =n 1 /n 2 есть коэффициент трансформации .

При k >1 трансформатор называется повышающим , при k <1 – понижающим .

Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору , в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко ) в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечники трансформатора изготавливают обычно из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Существует еще один механизм потерь энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов возникают потери электромагнитной энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса.

У хороших современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным, не превышает 1–2 %, поэтому к ним приближенно применима теория идеального трансформатора.

Если пренебречь потерями энергии, то мощность P 1 , потребляемая идеальным трансформатором от источника переменного тока, равна мощности P 2 , передаваемой нагрузке.

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.

Министерство образования и науки Украины

Докучаевский горный техникум

Реферат

по физике на тему:

«Получение, передача и распределение энергии»

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

Преподаватель: Ушкало И.Г.

Докучаевск – 2004г.


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Классификация электрических станций, подстанций и электрических сетей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

К атегория: Электромонтажные работы

Производство электрической энергии

Электрическая энергия (электроэнергия) является наиболее совершенным видом энергии и используется во всех сферах и отраслях материального производства. К ее преимуществам относят - возможность передачи на большие расстояния и преобразование в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др).

Электрическая энергия вырабатывается на специальных предприятиях - электрических станциях, преобразующих в электрическую другие виды энергии: химическую, топлива, энергию воды, ветра, солнца, атомную.

Возможность передачи электроэнергии на большие расстояния позволяет строить электростанции вблизи мест нахождения топлива или на многоводных реках, что является более экономичным, чем подвоз в больших количествах топлива к электростанциям, расположенным вблизи потребителей электроэнергии.

В зависимости от вида используемой энергии различают электростанции тепловые, гидравлические, атомные. Электростанции, использующие энергию ветра и теплоту солнечных лучей, представляют собой пока маломощные источники электроэнергии, не имеющие промышленного значения.

На тепловых электростанциях используется тепловая энергия, получаемая при сжигании в топках котлов твердого топлива (уголь, торф, горючие сланцы), жидкого (мазут) и газообразного (природный газ, а на металлургических заводах - доменный и коксовый газ).

Тепловая энергия превращается в механическую энергию вращением турбины, которая в генераторе, соединенном с турбиной, преобразуется в электрическую. Генератор становится источником электроэнергии. Тепловые электростанции различают по виду первичного двигателя: паровая турбина, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, локомобиль, газовая турбина. Кроме того, паротурбинные электростанции подразделяют на конденсационные и теплофикационные. Конденсационные станции снабжают потребителей только электрической энергией. Отработанный пар проходит цикл охлаждения и, превращаясь в конденсат, вновь подается в котел.

Снабжение потребителей тепловой и электрической энергией осуществляется теплофикационными станциями, называемыми теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). На этих станциях тепловая энергия только частично преобразуется в электрическую, а в основном расходуется на снабжение промышленных предприятий и других потребителей, расположенных в непосредственной близости от электростанций, паром и горячей водой.

Гидроэлектростанции (ГЭС) сооружают на реках, являющихся неиссякаемым источником энергии для электростанций. Они текут с возвышенностей в низины и, следовательно, способны совершать механическую работу. На горных реках сооружают ГЭС, используя естественный напор воды. На равнинных реках напор создается искусственно сооружением плотин, вследствие разности уровней воды по обеим сторонам плотины. Первичными двигателями на ГЭС являются гидротурбины, в которых энергия потока воды преобразуется в механическую энергию.

Вода вращает рабочее колесо гидротурбины и генератор, при этом механическая энергия гидротурбины преобразуется в электрическую, вырабатываемую генератором. Сооружение ГЭС решает кроме задачи выработки электроэнергии также комплекс других задач народнохозяйственного значения - улучшение судоходства рек, орошение и обводнение засушливых земель, улучшение водоснабжения городов и промышленных предприятий.

Атомные электростанции (АЭС) относят к тепловым паротурбинным станциям, работающим не на органическом топливе, а использующим в качестве источника энергии теплоту, получаемую в процессе деления ядер атомов ядерного топлива (горючего), - урана или плутония. На АЭС роль котельных агрегатов выполняют атомные реакторы и парогенераторы.

Электроснабжение потребителей осуществляется преимущественно от электрических сетей, объединяющих ряд электростанций. Параллельная работа электрических станций на общую электрическую сеть обеспечивает рациональное распределение нагрузки между электростанциями, наиболее экономичную выработку электроэнергии, лучшее использование установленной мощности станций, повышение надежности электроснабжения потребителей и отпуска им электроэнергии с нормальными качественными показателями по частоте и напряжению.

Необходимость объединения вызвана неодинаковой нагрузкой электростанций. Спрос потребителей на электроэнергию резко изменяется не только в течение суток, но и в разные времена года. Зимой потребление электроэнергии на освещение возрастает. В сельском хозяйстве электроэнергия в больших количествах нужна летом на полевые работы и орошение.

Разница в степени загрузки станций особо ощутима при значительном отдалении районов потребления электроэнергии друг от друга в направлении с востока на запад, что объясняется разновременностью наступления часов утренних и вечерних максимумов нагрузки. Чтобы обеспечить надежность электроснабжения потребителей и полнее использовать мощность электростанций, работающих в разных режимах, их объединяют в энергетические или электрические системы с помощью электрических сетей высокого напряжения.

Совокупность электростанций, линий электропередачи и тепловых сетей, а также приемников электро- и тепло-энергии, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и потребления электрической и тепловой энергии, называют энергетической системой (энергосистемой). Электрическая система, состоящая из подстанций и линий электропередачи различных напряжений, - часть энергосистемы.

Энергосистемы отдельных районов в свою очередь соединены между собой для параллельной работы и образуют крупные системы, например единая энергетическая система (ЕЭС) европейской части СССР, объединенные системы Сибири, Казахстана, Средней Азии и др.

Теплоэлектроцентрали и заводские электростанции обычно связаны с электросетью ближайшей энергосистемы по линиям генераторного напряжения 6 и 10 кВ или линиям более высокого напряжения (35 кВ и выше) через трансформаторные подстанции. Передача энергии, выработанной мощными районными электростанциями, в электросеть для снабжения потребителей осуществляется по линиям высокого напряжения (110 кВ и выше).



- Производство электрической энергии
Рассказать друзьям