Передача и распределение электрической энергии

Технологические схемы и экологические показатели производства электроэнергии на тепловых и атомных электростанциях, теплоцентралях и ветровых электростанциях. Современные тенденции развития электроэнергетики.

Электроэнергетика — отрасль энергетики, включающая в себя производство, передачу и сбыт электроэнергии. Электроэнергетика является наиболее важной отраслью энергетики, что объясняется такими преимуществами электроэнергии перед энергией других видов, как относительная лёгкость передачи на большие расстояния, распределения между потребителями, а также преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.). Отличительной чертой электрической энергии является практическая одновременность её генерирования и потребления, так как электрический ток распространяется по сетям со скоростью, близкой к скорости света.

Исторический экскурс: электрическая энергия долгое время была лишь объектом экспериментов и не имела практического применения. Первые попытки полезного использования электричества были предприняты во второй половине XIX века, основными направлениями использования были недавно изобретённый телеграф, гальванотехника, военная. Источниками электричества поначалу служили гальванические элементы. Существенным прорывом в массовом распространении электроэнергии стало изобретение электромашинных источников электрической энергии — генераторов. По сравнению с гальваническими элементами, генераторы обладали большей мощностью и ресурсом полезного использования, были существенно дешевле и позволяли произвольно задавать параметры вырабатываемого тока. Именно с появлением генераторов стали появляться первые электрические станции и сети — электроэнергетика становилась отдельной отраслью промышленности. Первой в истории линией электропередачи (в современном понимании) стала линия Лауфен — Франкфурт, заработавшая в 1891 году. Протяжённость линии составляла 170 км, напряжение 28,3 кВ, передаваемая мощность 220 кВт. Важным этапом стало изобретение электрического трамвая: трамвайные системы являлись крупными потребителями электрической энергии и стимулировали наращивание мощностей электрических станций. Во многих городах первые электрические станции строились вместе с трамвайными системами.

Начало XX века было отмечено так называемой «войной токов» — противостоянием промышленных производителей постоянного и переменного токов. Постоянный и переменный ток имели как достоинства, так и недостатки в использовании. Решающим фактором стала возможность передачи на большие расстояния — передача переменного тока реализовывалась проще и дешевле, что обусловило его победу в этой «войне»: в настоящее время переменный ток используется почти повсеместно. Тем не менее, в настоящее время имеются перспективы широкого использования постоянного тока для дальней передачи большой мощности.

Передача и распределение электрической энергии

Передача электрической энергии от электрических станций до потребителей осуществляется по электрическим сетям. С технической точки зрения, электрическая сеть представляет собой совокупность линий электропередачи (ЛЭП) и трансформаторов, находящихся на подстанциях.

Линии электропередачи представляют собой металлический проводник, по которому проходит электрический ток. Электроснабжение в подавляющем большинстве случаев — трёхфазное, поэтому линия электропередачи, как правило, состоит из трёх фаз, каждая из которых может включать в себя несколько проводов. Конструктивно линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные.

o Воздушные ЛЭП подвешены над поверхностью земли на безопасной высоте на специальных сооружениях, называемых опорами. Основным достоинством воздушных линий электропередачи является их относительная дешевизна по сравнению с кабельными. Также гораздо лучше ремонтопригодность (особенно в сравнении с бесколлекторными КЛ): не требуется проводить земляные работы для замены провода, ничем не затруднён визуальный осмотр состояния линии. Однако у воздушных ЛЭП имеется ряд недостатков: широкая полоса отчуждения - в окрестности ЛЭП запрещено ставить какие-либо сооружения и сажать деревья; незащищённость от внешнего воздействия, например, падения деревьев на линию и воровства проводов. По причине уязвимости, на одной воздушной линии часто оборудуют две цепи: основную и резервную. Эстетическая непривлекательность; это одна из причин практически повсеместного перехода на кабельный способ электропередачи в городской черте.

Для воздушных линий переменного тока принята следующая шкала классов напряжений: переменное – 0.4, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 400, 500, 750, 1150 кВ; постоянное – 400, 800 кВ

o Кабельные линии (КЛ) проводятся под землёй. Электрические кабели имеют различную конструкцию, однако можно выявить общие элементы. Сердцевиной кабеля являются три токопроводящие жилы (по числу фаз). Кабели имеют как внешнюю, так и междужильную изоляцию. Обычно в качестве изолятора выступает трансформаторное масло в жидком виде, или промасленная бумага. Токопроводящая сердцевина кабеля, как правило, защищается стальной бронёй. С внешней стороны кабель покрывается битумом. Главным достоинством кабельных линий электропередачи (по сравнению с воздушными) является отсутствие широкой полосы отчуждения. К недостаткам кабельных линий электропередачи можно отнести высокую стоимость строительства и последующей эксплуатации. Кабельные линии менее доступны для визуального наблюдения их.

Линии переменного тока.

Большая часть энергии передаётся по линиям электропередач переменного тока.

ЛЭП переменного тока обладают весьма важным преимуществом: в любом месте линии понижающий трансформатор, присоединенный к линии, передает энергию потребителям.

Недостатки линий переменного тока: наличие индуктивного сопротивления линии, которое связано с явлением электромагнитной индукции. Индуктивное сопротивление значительно ухудшает передачу электроэнергии в линии, т. к. приводит к уменьшению напряжения на пути от источника к потребителю. Индуктивность линии вызывает сдвиг по фазе между колебаниями тока и напряжения. Для уменьшения индуктивного сопротивления применяют различные методы: а) например, включают в линию батареи конденсаторы; б) расщепление одного провода на несколько, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления линии.

Б) Электроэнергия может передаваться и по линиям электропередач постоянного тока.

ЛЭП постоянного тока обладает преимуществами по сравнению с линиями переменного тока. Прежде всего, при прохождении постоянного тока нет индуктивного сопротивления. Кроме того, меньшая металлоемкость проводов (используется два провода вместо трех в линиях трехфазного тока); меньше потерь на коронный разряд, отсюда и меньшие радиопомехи. Наконец, главное — использование постоянного тока в линиях электропередач позволяет необычайно повысить устойчивость энергосистемы, которая в случае переменного тока требует строгой синхронности, постоянства частоты всех генераторов, входящих в общую систему. Для постоянного тока такой проблемы нет.

Атомная электростанция (АЭС)

Атомная электростанция (АЭС) - комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путём использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции.

Атомные электростанции классифицируются в соответствии с установленными на них реакторами:

· Реакторы на тепловых нейтронах, использующие специальные замедлители для увеличения вероятности поглощения нейтрона ядрами атомов топлива

ü Реакторы на лёгкой воде

ü Реакторы на тяжёлой воде

• Реакторы на быстрых нейтронах
• Субкритические реакторы, использующие внешние источники нейтронов
• Термоядерные реакторы

Атомные станции по виду отпускаемой энергии можно разделить на:

• Атомные электростанции (АЭС), предназначенные для выработки только электроэнергии
• Атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), вырабатывающие как электроэнергию, так и тепловую энергию

На рисунке показана схема работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным энергетическим реактором. Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель поступает в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища. Или более простыми словами в реакторе распадается ядерное топливо, при его распаде происходит выделение тепловой энергии, которая кипятит воду, в свою очередь, появившийся пар крутит турбину, а та вращает электрогенератор, который уже и вырабатывает электричество.

Компенсатор давления представляет собой довольно сложную и громоздкую конструкцию, которая служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, возникающих за счёт теплового расширения теплоносителя. Давление в 1-м контуре может доходить до 160 атмосфер (ВВЭР-1000).

Помимо воды, в различных реакторах в качестве теплоносителя может применяться также расплавленный натрий или газ. Использование натрия позволяет упростить конструкцию оболочки активной зоны реактора (в отличие от водяного контура, давление в натриевом контуре не превышает атмосферное), избавиться от компенсатора давления, но создаёт свои трудности, связанные с повышенной химической активностью этого металла.

Общее количество контуров может меняться для различных реакторов, схема на рисунке приведена для реакторов типа ВВЭР (Водо-Водяной Энергетический Реактор). Реакторы типа РБМК (Реактор Большой Мощности Канального типа) использует один водяной контур, а реакторы БН (реактор на Быстрых Нейтронах) — два натриевых и один водяной контуры.

В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища, вода может охлаждаться в специальных охладительных башнях (градирнях), которые благодаря своим размерам обычно являются самой заметной частью атомной электростанции.

Достоинства атомных станций:

Небольшой объём используемого топлива и возможность его повторного использования после переработки;

• Высокая мощность: 1000—1600 МВт на энергоблок;
• Низкая себестоимость энергии, особенно тепловой.
• Возможность размещения в регионах, расположенных вдали от крупных водноэнергетических ресурсов, крупных месторождений угля, в местах, где ограничены возможности для использования солнечной или ветряной электроэнергетики.
• При работе АЭС в атмосферу выбрасывается некоторое количество ионизированного газа, однако обычная тепловая электростанция вместе с дымом выводит еще большее количество радиационных выбросов, из-за естественного содержания радиоактивных элементов в каменном угле.

Недостатки атомных станций:

· Облучённое топливо опасно, требует сложных и дорогих мер по переработке и хранению;

· Нежелателен режим работы с переменной мощностью для реакторов, работающих на тепловых нейтронах;

· Большие капитальные вложения, как удельные, на 1 МВт установленной мощности для блоков мощностью менее 700—800 МВт, так и общие, необходимые для постройки станции, её инфраструктуры, а также в случае возможной ликвидации.

Ветровые электростанции

Ветрогенератор(ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие, как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

1. Фундамент

2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления

3. Башня

4. Лестница

5. Поворотный механизм

6. Гондола

7. Электрический генератор

8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)

9. Тормозная система

10. Трансмиссия

11. Лопасти

12. Система изменения угла атаки лопасти

13. Колпак ротора.

Принцип действия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают, как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается в электрический ток.

Каковы недостатки ветровых энергетических установок?

Прежде всего, их работа неблагоприятно влияет на работу телевизионной сети. Вот какой любопытный пример можно привести в этой связи. Несколько лет тому назад от жителей Оркнейских островов (Великобритания) стали поступать необычные жалобы. Оказалось, что при работе ветровой станции, построенной на одном их холмов, возникают такие сильные помехи в работе телевизионной сети, что на экранах телевизоров пропадает изображение. Выход нашли в строительстве рядом с ветровой установкой мощного телевизионного ретранслятора, который позволил усиливать телевизионные сигналы. По имеющимся данным, ветровая энергетическая установка мощностью 0,1 МВт может вызвать искажение телевизионных сигналов на расстоянии до 0,5 км.

Другая неожиданная особенность ветровых установок проявилась в том, что они оказались источником достаточно интенсивного инфразвукового шума, неблагоприятно действующего на человеческий организм, вызывающего постоянное угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство и жизненный дискомфорт. Как показал опыт эксплуатации большого числа ветровых установок в США, этот шум не выдерживают ни животные, ни птицы, покидая район размещения станции, т.е. территории самой ветровой станции и примыкающие к ней становятся непригодными для жизни людей, животных и птиц.

Однако главный недостаток этого вида энергии наряду с изменчивостью скорости ветра - это низкая интенсивность, что требует значительной территории для размещения ветровой установки. Из проведенных специалистами расчетов следует, что оптимальным для ветрового колеса является диаметр 100 м. При таких геометрических размерах и плотности энергии на единицу площади ветрового колеса 500 Вт/м² (скорость ветра 9,2 м/с) из ветрового потока можно получить электрическую мощность, близкую к 1 МВт. На площади 1 км² можно разместить 2-3 установки указанной мощности с учетом того, что они должны находиться одна от, другой на расстоянии, равном трем их высотам, чтобы не мешать друг другу, и не снижать эффективности своей работы.

Примем для оценки, что на площади 1 км² размещено 3 установки, т.е. с 1 км² можно снять 3 МВт электрической мощности. Это означает, что для размещения ветровой станции электрической мощностью 1000 МВт нужна площадь, равная 330 км². Если сравнивать ветровые и тепловые электростанции по энерговыработке в течение года, то полученное значение следует увеличить не менее чем в 2-3 раза. Для сравнения укажем, что площадь Курской АЭС мощностью 4000 МВт вместе с вспомогательными сооружениями, водоемом-охладителем и жилым поселком составляет 30 км2, т.е. на 1000 МВт электрической мощности приходится 7,5 км2. Другими словами, размер территории ветровой станции в расчете на 1000 МВт на 2 порядка превышает площадь, занимаемую современной АЭС.

Несмотря на это, отдельные ученые считают, что следует развивать крупномасштабную ветроэнергетику. Перед войной у нас в стране только в колхозах и совхозах работало более 8000 ветровых установок. В 1930г. на базе отдела ветродвигателей ЦАГИ был создан Центральный ветроэнергетический институт, в 1938 г. было организовано конструкторское бюро по ветровым энергетическим установкам. В предвоенные годы и после войны было разработано и выпущено довольно большое число (примерно 10 тыс.шт.) разнообразных ветровых установок. Интенсивная работа по использованию энергии ветра ведется в ряде зарубежных стран.

Итак, можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую), но при этом низкая плотность энергии, приходящейся на единицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона, требующие резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о технической осуществимости и целесообразности сооружения и эксплуатации ветровых энергетических установок небольшой мощности для удаленных поселков и отгонных пастбищ, а также в аграрном секторе.

Тепловые электростанции

Наиболее распространены тепловые электрические станции (ТЭС), использующие тепловую энергию, выделяемую при сжигании органического топлива (твердого, жидкого и газообразного).

На тепловых электростанциях вырабатывается около 76% электроэнергии, производимой на нашей планете. Это обусловлено наличием органического топлива почти во всех районах нашей планеты; возможностью транспорта органического топлива с места добычи на электростанцию, размещаемую близ потребителей энергии; техническим прогрессом на тепловых электростанциях, обеспечивающим сооружение ТЭС большой мощностью; возможностью использования отработавшего тепла рабочего тела и отпуска потребителям, кроме электрической, также и тепловой энергии (с паром или горячей водой) и т.п.

На схеме представлена классификация тепловых электрических станций на органическом топливе.

Тепловой электрической станцией называется комплекс оборудования и устройств, преобразующих энергию топлива в электрическую и (в общем случае) тепловую энергию.

Тепловые электростанции характеризуются большим разнообразием и их можно классифицировать по различным признакам.

По назначению и виду отпускаемой энергии электростанции разделяются на районные и промышленные.

Районные электростанции – это самостоятельные электростанции общего пользования, которые обслуживают все виды потребителей района (промышленные предприятия, транспорт, население и т.д.). Районные конденсационные электростанции, вырабатывающие в основном электроэнергию, часто сохраняют за собой историческое название – ГРЭС (государственные районные электростанции). Районные электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию (в виде пара или горячей воды), называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Как правило, ГРЭС и районные ТЭЦ имеют мощность более 1 млн. кВт.

Промышленные электростанции – это электростанции, обслуживающие тепловой и электрической энергией конкретные производственные предприятия или их комплекс, например завод по производству химической продукции. Часто промышленные электростанции работают на общую электрическую сеть, но не подчиняются диспетчеру энергосистемы.

По виду используемого топлива тепловые электростанции разделяются на электростанции, работающие на органическом топливе и ядерном горючем.

За конденсационными электростанциями, работающими на органическом топливе, во времена, когда еще не было атомных электростанций (АЭС), исторически сложилось название тепловых (ТЭС – тепловая электрическая станция). Именно в таком смысле ниже будет употребляться этот термин, хотя и ТЭЦ, и АЭС, и газотурбинные электростанции (ГТЭС), и парогазовые электростанции (ПГЭС) также являются тепловыми электростанциями, работающими на принципе преобразования тепловой энергии в электрическую.

В качестве органического топлива для ТЭС используют газообразное, жидкое и твердое топливо. Большинство ТЭС России, особенно в европейской части, в качестве основного топлива потребляют природный газ, а в качестве резервного топлива – мазут, используя последний ввиду его высокой стоимости только в крайних случаях; такие ТЭС называют газомазутными.

По типу теплосиловых установок, используемых на ТЭС для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения роторов турбоагрегатов, различают паротурбинные, газотурбинные и парогазовые электростанции.

Основой паротурбинных электростанций являются паротурбинные установки (ПТУ), которые для преобразования тепловой энергии в механическую используют самую сложную, самую мощную и чрезвычайно совершенную энергетическую машину – паровую турбину. ПТУ – основной элемент ТЭС, ТЭЦ и АЭС.

ПТУ, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными электростанциями. ПТУ, оснащённые теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Газотурбинные тепловые электростанции (ГТЭС) оснащаются газотурбинными установками (ГТУ), работающими на газообразном или, в крайнем случае, жидком (дизельном) топливе. В настоящее время в России функционирует одна ГТЭС (ГРЭС-3 им. Классона, г. Электрогорск Московской обл.) мощностью 600 МВт и одна ГТУ-ТЭЦ (в г. Электросталь Московской обл.).

Схема тепловой электростанции (на угле)

Тепловые электростанции работают по такому принципу: топливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри расположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та, в свою очередь, — вал электрического генератора. Затем отработавший пар конденсируется; вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котел.

Преимущества ТЭС:
1. Используемое топливо достаточно дешево.
2. Требуют меньших капиталовложений по сравнению с другими электростанциями.
3. Могут быть построены в любом месте независимо от наличия топлива. Топливо может транспортироваться к месту расположения электростанции железнодорожным или автомобильным транспортом.
4. Занимают меньшую площадь по сравнению с гидроэлектростанциями.
5. Стоимость выработки электроэнергии меньше, чем у дизельных электростанций.

Недостатки:
1. Загрязняют атмосферу, выбрасывая в воздух большое количество дыма и копоти.
2. Более высокие эксплуатационные расходы по сравнению с гидроэлектростанциями.

ВОПРОСЫ:

1. Дайте определение отрасли электроэнергетика.

2. Какими преимуществами обладает электроэнергия по сравнению с энергией других видов?

3. С изобретением, какого прибора связывают появление первых электрических станции?

4. Что, с технической точки зрения, из себя представляет электрическая сеть?

5. Назовите типы линий электропередач с точки зрения их конструкторских особенностей. Перечислите их достоинства и недостатки.

6. Изобразите схему передачи энергии по линиям переменного тока. Достоинства и недостатки такого способа передачи.

7. Изобразите схему передачи энергии по линиям постоянного тока. Какого их преимущество по сравнению с линиями переменного тока?

8. Заполните таблицу:

Название электростанции	Какие превращения энергии происходят при производстве электроэнергии	Типы данной электростанции	Основные узлы данной электростанции	Принцип работы	Преимущества использования данной электростанции	Недостатки использования данной электростанции

9. Чем обусловлено широкое распространение тепловых электростанций