Производство, передача и распределение электрической энергии

Источник электрической энергии — электротехническое изделие (устройство), преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию на электростанциях.

Топливом для электрических станций служат природные богатства – уголь, торф, вода, ветер, солнце, атомная энергия и др.

В зависимости от вида преобразуемой энергии электростанции могут быть разделены на следующие основные типы: тепловые, атомные, гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие, газотурбинные, а также маломощные электрические станции местного значения – ветряные, солнечные, геотермальные, морских приливов и отливов, дизельные и др..

• Тепловая электрическая станция (ТЭС) преобразует энергию тепла в электричество. Тепловые электростанции работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы (Рис. 1)
• Гидроэлектростанция (ГЭС) преобразует энергию движения воды в электроэнергию. Гидроэлектростанции возводятся в местах, где большие реки перекрываются плотиной, и благодаря энергии падающей воды вращают турбины электрогенератора. Различают ГЭС плотинного и деривационного типов.
• Атомные электростанции (АЭС) отличаются от обычной паротурбинной станции тем, что на АЭС в качестве источника энергии используется процесс деления ядер урана, плутония, тория и др.(Рис. 1).

Рисунок 1 — Электростанции: а-тепловая (ТЭС); б-плотинная ГЭС; в-атомная

Нетрадиционные энергоисточники станут основными к 2050 году, так утверждают ученые, а традиционные потеряют свою потребность.

• Энергия солнца (Рис. 2) широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.
• Ветроэлектростанция (ВЭС) (Рис. 2) преобразует энергию ветра в электрическую энергию.
• Приливные электростанции основаны на использовании (Рис. 2.) энергии прилива.
• Нетрадиционные геотермальные источники энергии (Рис. 2) основаны на использовании тепла земных турбин (глубинные горячие источники).
• Биохимическая электростанция (Рис. 2). Новые перспективные источники энергии – биомасса.

Рисунок 2 — Нетрадиционные источники энергии: а –солнечные батареи; бветроэлектростанция; вприливная электростанция; ггеотермальная электростанция; д-биохимическая электростанция на биомассах

Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) выделяют три категории, различающиеся степенью надежности и защиты электроприемников.

Первая категория подразумевает непрерывную подачу электричества к объектам и не допускает перерыва в электроснабжении. Перебои в поставке тока может привести к очень серьезным последствиям, а именно:

• угрозе жизни и здоровья людей;
• значительным финансовым потерям;
• поломке дорогостоящего оборудования, нарушению
• функционирования объектов ЖКХ;
• сбою в технологических процессах и т.п.

Электроприемники первой категории широко используются в промышленности (химической, металлургической), шахтах, лечебнопрофилактических учреждениях и реанимационных, котельных, в противопожарных устройствах, лифтах и т.п.

Вторая категория электроприемников включает в себя устройства, отключение которых может привести к следующим последствиям:

• нарушению производственного цикла и недоотпуску продукции;
• простою оборудования, транспорта и различных механизмов;
• нарушению жизнедеятельности целых районов и большого количества людей.

Ко второй категории электроснабжения электроприемников относятся жилые многоквартирные здания, общежития, детские и медицинские учреждения, спортивные сооружения, магазины, предприятия общественного питания, школы, музеи, бани и т.д.

Третья категория надежности включает в себя установки, которые нельзя определить в первые две группы. Это могут быть жилые малоквартирные дома, небольшие производственные площадки и вспомогательные цеха. Питание осуществляется от одного источника, при этом перебои поставки энергии могут достигать до 24 часов (72 часа за год).

Принципы производства электрической энергии

Источником электрической энергии на станциях являются машинные генераторы (Рис. 3).

Рисунок 3 — Генератор с обозначением его основных элементов

В них происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Принцип работы генератора переменного тока основан на законе электромагнитной индукции (рисунок 4).

Рисунок 4 — Принцип работы генератора переменного тока: F-cила, вращающая рамку, I-ток, протекающий в рамке, S-площадь рамки

В зависимости от рода первичных двигателей электрические станции разделяют на тепловые, гидравлические и ветросиловые.

Несмотря на различие конструкции электростанции и способа преобразования в электрическую энергию, принцип действия у всех почти одинаковый. На рисунках в приложении 1. представлены схемы принципа работы часто встречающихся электростанций.

Большинство электростанций объединены в энергетические системы. При быстронарастающей нагрузке могут потребоваться быстрозапускающиеся паротурбинные агрегаты, а также дизельные агрегаты.

Кратковременные перерывы в электроснабжении могут возникнуть при восстановлении питания устройствами автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР). Поэтому для электроприемников, не допускающих вообще перерывов питания, применяют высоконадежные автономные местные источники.

В качестве местных источников реактивной мощности применяют:

• синхронные генераторы заводских ТЭЦ и других регулярно работающих заводских электростанций и генераторных установок;
• синхронные двигатели с cosφ 0,9;
• конденсаторные батареи.

Источниками питания для цеховых электроприемников являются цеховые трансформаторные подстанции (ЦТП). Число трансформаторов на ЦТП выбирают один или два.

Основные составные части электрической сети

Электроэнергетической сетью (Рис. 5) называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Рисунок 5 — Электрическая сеть, и электроустановки для передачи и распределения электрической энергии

Все встречающиеся на практике схемы представляют собой сочетания отдельных элементов — фидеров, магистралей и ответвлений.

Электрические сети, в свою очередь, подразделяются на магистральные электрические сети и распределительные электрические сети.

К магистральным сетям относятся все высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), к распределительным – ЛЭП мощностью ниже 110 кВ. Виды электрических сетей представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 — Виды электрических сетей

Сети связаны между собой трансформаторными и распределительными подстанциями. Для обеспечения установленных требований, энергосистемы оборудуют специальными диспетчерскими пунктами, оснащёнными средствами контроля, управления, связи и специальными схемами расположения электростанций, линий передач и понижающих подстанций.

Электрические сети делятся по:

• напряжению;
• степени подвижности;
• назначению;
• роду тока и числу проводов;
• схеме электрических соединений:

а) разомкнутые (нерезервированные). Схемы разомкнутых сетей представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 — Схемы разомкнутых сетей: а — радиальные (нагрузка только на конце линии); б — магистральные (нагрузка присоединена к линии в разных местах)

б) замкнутые (резервированные) (Рис. 8).

Рисунок 8 — Схемы замкнутых сетей: а — сеть с двухсторонним питанием; б — кольцевая сеть; в — двойная магистральная линия; г сложнозамкнутая сеть (для питания ответственных потребителей по двум и более направлениям)

Магистральные схемы электроснабжения применяются в следующих случаях:

• а) когда нагрузка имеет сосредоточенный характер, но отдельные узлы ее оказываются расположенными в одном и том же направлении по отношению к подстанции и на сравнительно незначительных расстояниях друг от друга, причем абсолютные величины нагрузок отдельных узлов недостаточны для рационального применения радиальной схемы;
• б) когда нагрузка имеет распределенный характер с той или иной степенью равномерности.

По конструкции: электропроводки (силовые и осветительные), токопроводы — для передачи электроэнергии в больших количествах на небольшие расстояния, воздушные линии — для передачи электроэнергии на большие расстояния, кабельные линии — для передачи электроэнергии на далекие расстояния в случаях, когда сооружение ВЛ невозможно.

Наибольшее распространение для местных распределительных сетей получили радиальные, магистральные, смешанные (радиальномагистральные) и петлевые схемы.

При радиальной схеме электроснабжения каждая линия является как бы лучом, соединяющим узел сети (подстанцию, распределительный пункт) с единственным потребителем.

При магистральной схеме электроснабжения одна линия — магистраль — обслуживает, как указано, несколько распределительных пунктов или приемников, присоединенных к ней в различных ее точках.

Смешанные схемы распределительных местных сетей применяются при различном расположении потребителей относительно ЦП и сочетаются принципы построения как радиальной, так и магистральных схем.

К электрическим сетям предъявляются следующие требования: надежность, живучесть и экономичность.

Надежность — основное техническое требование, под которым понимается свойство сети выполнять свое назначение в пределах заданного времени и условий работы, обеспечивая электроприемники электроэнергией в необходимом количестве и надлежащего качества.

Живучесть электрической сети — это свойство выполнять свое назначение в условиях разрушающих воздействий в том числе и в боевой обстановке при воздействиях средств поражения противника.

Экономичность — это минимум затрат на сооружение и эксплуатацию сети при условии выполнения требований надежности и живучести.

Принципы передачи и распределение электрической энергии

Электроэнергетической системой называется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электрической энергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии (Рис. 9).

Трансформаторные подстанции позволяют преобразовать напряжение из высокого в низкое.

При передаче электроэнергии, чем выше напряжение в сети, тем ниже уровень технических потерь электроэнергии. Однако потребители не могут использовать электроэнергию с высоким напряжением. Распределительные подстанции служат для приема и распределения электроэнергии, в основном, в городских электрических сетях, крупных промышленных и нефтедобывающих предприятиях.

Рисунок 9 — Передача и распределение электрической энергии

Принцип передачи и распределения электрической энергии заключаются в выполнении следующих основных приоритетов:

• максимальное приближение источников высокого напряжения к потребителям;
• сокращение ступеней трансформации;
• повышение напряжения электропитающих сетей;
• использование минимального количества электрооборудования;
• раздельная работа линий и трансформаторов;
• резервирование питания для отдельных категорий потребителей;
• секционирование всех звеньев распределения энергии с применением устройств АВР при преобладании потребителей I и II категорий.

Однако существует ряд особенностей при транспорте электроэнергии В реальности при передаче электроэнергии от электростанций в магистральные сети зачастую используются трансформаторные подстанции (Рис. 10).

Рисунок 10 — Транспортировка электроэнергии