Глава 2 схемы электротеплоснабжения потребителей
2.1 Резисторы и электронагреватели из резистивных композиционных материалов в схемах электротеплоснабжения
Необходимо учитывать особенности электротеплоснабжения транспорта, промышленности, бытовых потребностей населения Сибири, Дальнего Востока и других отдалённых районов, включающие:
– высокие требования к бесперебойности электротеплоснабжения потребителей из-за суровых климатических условий и значительной протяжённости линий электропередачи;
– большие затраты на содержание производственной и социальной инфраструктуры.
Энергообеспечение отдалённых районов является примером того, что для повышения его качества целесообразно использовать нетрадиционные источники энергии. Однако, бесперебойное энергоснабжение предприятий и сельского населения только от некоторых возобновляемых источников затруднительно из-за непостоянства потоков энергии. Следует отметить при этом эффективность использования аккумуляторов энергии. Например, из накопителей энергии широко распространены электро–механические, молекулярные, индуктивные и электрохимические. В связи с недостатками аккумуляторных батарей, связанными с малыми энергетическими параметрами, расширяется разработка и использование близкого по параметрам класса приборов – двухслойных конденсаторов, ультраконденсаторов, известных по названию как ионисторы. Перспективным является применение нанопористого углерода (графена) в подобных конденсаторах и для изготовления композиционных резисторов. Ёмкость таких конденсаторов в несколько сот раз больше ёмкости распространённых конденсаторов (танталовых, плёночных, керамических, электролитических). Используют сборки суперконденсаторных модулей как основного источника энергии мобильных и стационарных объектов. Поэтому более эффективно использовать комбинированные схемы электротеплоснабжения, одна из которых изображена на рисунке 2.1.
Подчеркнём, что в большинстве вышеприведённых энергетических устройств в качестве активной нагрузки применяются различного типа резисторы, например, металлические и резисторы из композиционных материалов на основе силикатных, полимерных или фосфатных связок.
Эксплуатация электроэнергетических систем, в том числе с использованием ВНИЭ, должна также учитывать электромагнитную совместимость технических средств, подверженных действию электромагнитных помех. При работе местных электрических сетей напряжением от 0,4 до 35 кВ на линейную изоляцию линий электропередачи (ЛЭП), электрооборудование электрических станций и подстанций, электрическую изоляцию силовой и бытовой аппаратуры воздействуют различного рода электрические перенапряжения.
В последние десятилетия происходит непрерывное интенсивное старение эксплуатируемого энергооборудования. Поэтому возрастает актуальность изучения электромагнитной обстановки (ЭМО), определения различного вида электромагнитных помех, обеспечения электромагнитной совместимости технических средств в действующих электрических сетях.
Начало XXI века ознаменовалось появлением первых признаков энергетического кризиса, связанного с неуклонно приближающимся моментом исчезновения запасов основных энергоносителей. Это, например, проявляется в безудержном росте цен на сырую нефть, наблюдающимся в 2003–2005 гг. и в 2010–2011 гг. Поэтому энергетики мира обратились
Рисунок 2.1 – Блок-схема комбинированного электротеплоснабжения потребителей
вновь к ядерной энергии. Изменение соотношения стоимости углеводородного сырья и ядерного топлива при сравнении технико-экономических показателей позволяют ориентироваться на применение плавучих атомных электростанций (ПАЭС) мощностью от 50 до 100 МВт, что наиболее актуально для энергообеспечения нефтегазодобывающих и перерабатывающих комплексов.
Идея использования плавучих атомных реакторов для гражданского населения возникла в США при обеспечении энергией Панамского канала (1966 – 1976) гг. и американской исследовательской базы в Антарктике (1962 –1972) гг.
Согласно Российскому проекту, плавучая атомная станция малой мощности (АТЭС ММ) состоит из гладкопалубного несамоходного судна с двумя реакторными установками КЛТ-40С ледокольного типа, разработанными ОАО «ОКБМ им. Африкантова». Длина судна – 144 м, ширина – 30 м и водоизмещение – 21,5 тыс. т.
Плавучая станция может использоваться для получения электрической и тепловой энергии, а также для опреснения морской воды. В сутки она может выдать от 40 до 240 тыс. т пресной воды. Установленная электрическая мощность каждого реактора – 35 МВт, тепловая мощность – 140 Гкал/ч. Срок эксплуатации станции составит минимум 36 лет: три цикла по 12 лет, между которыми необходимо осуществлять перегрузку активных зон реакторных установок. На рисунке 2.2 представлена фотография ПАЭС, стоящая на якоре у ОАО ПО «Севмаш».
По выполненным проектным работам, проведённым ФГУП Концерн «Росэнергоатом», в состав комплекса атомной теплоэлектростанции малой мощности (АТЭС ММ) входят: плавучий энергоблок (ПЭБ) с двумя реакторными установками КЛТ-40С, гидротехнические сооружения, береговая площадка, на которой располагаются вспомогательные здания и сооружения станции (таблица 2.1).
Рисунок 2.2 – Головной образец плавучей атомной станции, стоящей на якоре в ОАО ПО «Севмаш» (г. Северодвинск)
Таблица 2.1 – Основные характеристики атомной теплоэлектростанции малой мощности
| Наименование | Параметры |
| Максимальная электрическая мощность в конденсационном режиме, МВт | 2x38,5 |
| Номинальный теплофикационный режим: электрическая мощность. МВт тепловая мощность, Гкал/ч | 2x35 2x25 |
| Максимальная мощность для теплофикации. Гкал/ч | 2x73 |
| Собственное электропотребление. МВт | 4–6 |
| Собственное теплопотребление. МВт | 3.2 |
| Площадь береговой территории, га | 0.8–1.5 |
| Площадь акватории, га | 3–6 |
Большой плюс плавучей АЭС состоит в том, что её можно зарядить топливом на заводе и отбуксировать к месту эксплуатации, оставив на несколько лет. Когда топливо будет полностью отработано, станцию просто буксируют обратно на завод для перезарядки, а на её место ставят другую. Это один из вариантов применения данной технологии. Он намного безопаснее для экологии, чем сжигание угля, мазута, нефти или газа.
На месте установки ПАТЭС возводятся причальные гидротехнические сооружения и береговые устройства для приёма и передачи электроэнергии и горячей воды (при необходимости).
Гидротехнические сооружения предназначены для надёжного раскрепления плавучего энергоблока (ПЭБ). В стоимость гидротехнических и береговых сооружений входят:
Сооружения оградительного мола – причала;
Строительство здания теплопункта;
Строительство закрытых очистных сооружений;
Здание закрытого распределительного устройства (ЗРУ – 10 кВ);
Открытая установка трёх трансформаторов 10/110 кВ;
АСУ ТП береговой площадки;
Физическая защита сооружений ПАТЭС;
Сооружение линий электропередачи (ЛЭП 110 кВ)
На борту одной ПАТЭС – две независимые ядерные энергетические установки с электрической мощностью по 35МВт. Росатом подписал соглашение о строительстве четырёх плавучих АТЭС с правительством Якутии.
Интерес к плавучим АЭС высказывают многие страны. Их, после того как пилотная станция пройдет проверку на прочность, готовы купить Китай, Япония, Индонезия и т.д. В России, по мнению учёных, ПАТЭС будут востребованы на Чукотке и Сахалине, а также в других регионах Крайнего Севера и Дальнего Востока.
Одновременно с развитием крупной энергетики возник интерес к малой гидроэнергетике, главным образом к использованию её в труднодоступных и малонаселённых районах, куда очень дороги ввоз топлива и устройство ответвлений от высоковольтных линий электропередачи.
В связи с этим в России разработаны основные направления малой гидроэнергетики на ближайшие 20 лет:
восстановление на современном техническом уровне раннее остановленных малых ГЭС;
строительство новых малых ГЭС, особенно в труднодоступных районах, где нет централизованного энергоснабжения;
использование малых ГЭС путём пристройки их к крупным гидросооружениям неэлектрического назначения.
Последний пункт перечисленных направлений может иметь значение для речного флота в рамках электроснабжения дебаркадеров, брандвахт, береговых знаков судовой обстановки др., поскольку в районах судоходных рек может отсутствовать возможность централизованного энергоснабжения.
Гидроэлектрические станции малой мощности подразделяются на мини-ГЭС с мощностью одного агрегата от 100 кВт до 10 МВт и микро-ГЭС, имеющие гидроагрегаты единичной мощностью до 100 кВт. Установленная мощность мини-ГЭС – до 30 МВт. По виду гидропостроек мини-ГЭС могут быть приплотинные (с совмещением плотины и здания ГЭС) и бесплотинные (с трубопроводом напорной деривации).
Программой гидроэнергетического строительства намечается сооружение и ввод в действие в северных и восточных регионах страны значительного количества крупных ГЭС и мини-ГЭС, что позволит ежегодно экономить десятки миллионов тонн условного топлива.
Таким образом, мини-ГЭС и плавучие атомные теплоэлектростанции малой мощности имеют большие перспективы для энергообеспечения проектируемых и существующих сельских населённых пунктов и освоения месторождений полезных ископаемых в труднодоступных и отдалённых регионах России.
2.1.1 Электромагнитная обстановка в электрических
сетях (0,4 – 35) кВ
Энергообеспечение удаленных районов Сибири является примером того, что для повышения его качества необходимо использование нетрадиционных источников энергии. В регионах страны от Урала до Тихого океана разработаны проекты энергоавтономных жилых и производственных помещений с использованием ВНИЭ. Оценку эффективности применения последних производят на основе технико-экономического анализа возможных вариантов энергообеспечения потребителей. Критериями оценки эффективности служат технические и социально-экологические показатели. На примере исследований, проведённых Томскими учёными, видны затраты на оборудование ВНИЭ и реальная стоимость производимой ими электроэнергии в ценах 2006 года (таблица 2.2).
Из таблицы видно, что большинство типов энергоустановок обеспечивает выработку электроэнергии по ценам вполне конкурентоспособным с электроэнергией, производимой дизельной электростанцией (ДЭС). Дороже только электроэнергия фотоэлектростанций и ветроэнергетических установок. С точки зрения универсальности применения и простоты эксплуатации преимущества имеют бесплотинные гидроэлектростанции и ветроэлектростанции.
При работе микро-ГЭС возможна коммутация нагрузок, мощность которых близка к номинальной мощности станции. В переходных режимах процессы пуска от микро-ГЭС асинхронных двигателей связаны с возникновением пусковых токов, достигающих семикратного превышения от номинального значения.
Таблица 2.2 – Экономические характеристики электростанций, использующих ВНИЭ в Томской области
| Тип установки | Приведённые годовые затраты на 1 кВт установленной мощности, тыс.руб | Себестоимость 1 кВт∙ч производимой энергии, руб | Примечание |
| Фотоэлектрические станции (ФЭС) | 90-120 | 74-94 | сезонное использование |
| Ветроэнергетические установки (ВЭУ) | 60-150 | 30-70 | На высоте флюгера 10 м |
| МикроГЭС | 1,3-2,0 | 0,6-0,9 | сезонное использование |
| Геотермальные станции (геоТЭС) | 10-30 | 0,5-3,0 | |
| Газогенераторные станции | 15-20 | 0,9-2,1 |
Поэтому при соизмеримости мощностей привода, источника питания и нагрузки возникают электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие одновременно и оказывающие взаимное влияние друг на друга (рисунок 2.3). Имитационное моделирование позволяет выявлять закономерности физических процессов в динамических режимах автономной системы электроснабжения. Эксплуатация электроэнергетических систем с ВНИЭ должна также учитывать электромагнитную совместимость технических средств, подверженных действию электромагнитных помех.
В течение эксплуатации местных электрических сетей класса от 0,4 до 35 кВ на линейную изоляцию линий электропередачи (ЛЭП), электрооборудование электрических станций и подстанций, электрическую изоляцию силовой и бытовой аппаратуры воздействуют различного рода электрические перенапряжения.
Рисунок 2.5 – Структурная схема микро-ГЭС с цифровым регулятором частоты: ГТ – гидротурбина; СГ – синхронный генератор; Zна , Zнв, Zнс – полезная нагрузка; R б1 - R бN – набор балластных резисторов; ЦЧР – цифровой регулятор частоты
В связи с тем, что на современном этапе электроэнергетика в России и других странах СНГ развивается низкими темпами, приоритетным является не строительство новых объёктов, а реконструкция и модернизация существующих. Возрастает актуальность изучения электромагнитной обстановки (ЭМО), определения различного вида электромагнитных помех (ЭМП), обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств в действующих электрических сетях (рисунок 2.6). Увеличилось влияние нелинейной нагрузки предприятий АПК, тяжёлой промышленности и железнодорожного транспорта, работающих в нормальных режимах на электрическую сеть.
Рисунок 2.5 – Классификация электрических перенапряжений, воздействующих на линии электропередачи и аппаратуру потребителей
К нелинейной нагрузке принадлежат приёмники электрической энергии с нелинейными вебер- или вольт-амперными характеристиками. К этим электроприёмникам относятся в первую очередь вентильные преобразователи электротехнологических установок и железнодорожного транспорта, тиристорный электропривод, дуговые электрические печи и установки, газоразрядные лампы и т.п. Они потребляют из электрической сети ток, кривая которого оказывается периодической несинусоидальной функцией времени. В результате возникают нелинейные искажения формы кривой напряжения сети или, другими словами, несинусоидальные режимы, нарушающие качество электроэнергии.
Несинусоидальные режимы неблагоприятно сказываются на работе технических средств (оборудование, аппаратура, изделия или их составляющие части) – функционирование которых основано на законах электротехники, радиотехники и электроники; систем релейной защиты и автоматики; электрических систем.
Местные электрические сети 6 кВ являются составными частями электрических сетей 10 кВ и 35 кВ. Это сети с изолированной нейтралью, ток замыкания фазы на землю которых находится в пределах от 0,05 до 7 А. Местные электрические сети имеются на береговых водозаборных сооружениях, на электростанциях, работающих на твёрдых каменных углях и т.д. Основными потребителями электрической энергии в таких сетях являются электрические двигатели с напряжением от 0,4 до 6 кВ, которые применяются в качестве электроприводов насосов, дробилок, мельниц и т.п.
Технологические нарушения параметров сырья (влажность, твёрдость), попадание металлического лома и прочее, вызывают забивание насосов, дробилок, мельниц, что приводит к их остановке. Повторные запуски агрегатов происходят с практически заторможенными роторами электродвигателей. Пусковой ток при этом содержит большую индуктивную составляющую и энергия, накопленная в индуктивностях обмоток двигателей – максимальна. Такие режимы работы или коммутации приводят к возникновению в местной сети временных перенапряжений. Становится очевидным актуальность задачи разработки способов повышения уровней ЭМС технических средств в электрических сетях.
Рисунок 2.6– Механизм связи источника электромагнитных помех и технического средства-рецептора, реагирующего на электромагнитные сигналы
Электромагнитные явления, наблюдаемые в электрических сетях от 0,4 до 35 кВ, снижают качество функционирования технических средств и создают электромагнитные помехи. ЭМП оказывают отрицательное влияние на рецепторы, к которым в общем случае относят технические средства, реагирующие на электромагнитный сигнал или электромагнитную помеху. Эти помехи обуславливают значительные экономические ущербы, как у потребителей электрической энергии, так и у энергоснабжающих предприятий.
По способу распространения ЭМП подразделяются на кондуктивные (гальваническая связь), передающиеся от источника помех к рецептору по элементам электрической сети, и на ЭМП, которые передаются через электрическое поле (Е-поле), магнитное поле (Н-поле) и через излучение (Е/Н-поле), (рисунок 2.7).
Рисунок 2.7 – Электромагнитная совместимость технических средств в системах электроснабжения, подверженных воздействию электромагнитных полей
Необходимо отметить, что с точки зрения ЭМС существующие традиционные системы молниезащиты не в состоянии в полной мере обеспечить работу современной высокочувствительной электронной микропроцессорной техники. Это, впрочем, относится и к силовым сетям и нагрузкам до 1000 В.
Так называемая интегральная защита, используемая во входных цепях и схемах питания приборов гарантирует какую-то устойчивость по отношению к определённым помехосоздающим воздействиям, среди которых находятся также и перенапряжения. Однако при воздействиях, вызванных токами молнии, а в ряде случаев и при коммутационных перенапряжениях требуется дополнительная защита, установленная вне приборов. Такие защиты особенно нужны для объектов с обширной электроникой, например:
– вычислительные центры;
– административные здания крупных АПК;
– системы управления производственными процессами;
– телекоммуникационные здания (радио и ТВ-станции);
– различные энергетические объекты (электрические станции и подстанции).
Принципом защиты от вторичных воздействий молнии и коммутационных перенапряжений является создание эквипотенциальных систем при одновременной реализации зонной концепции защиты. Помехосоздающая электромагнитная среда, в которой располагается защищаемое оборудование, разделяется на «вложенные» друг в друга зоны. Зоны должны иметь различную степень защиты и характеризуются существенным изменением электромагнитных параметров на их границах. Уравнивание потенциалов на границах зон снижает риск появления импульсных электромагнитных помех.
Помимо уравнивания потенциалов, зонная концепция защиты предполагает установку на границах между зонами разрядников, задачей которых является защита питающих линий, электронного оборудования и информационных сетей от влияния импульсных перенапряжений. ГОСТ 50571.19-2000 разделяет оборудование (до 1000 В) на четыре категории по импульсному номинальному выдерживаемому напряжению. Основной задачей является разработка мер по ограничению перенапряжений до требуемых величин. Следует отметить, что, в принципе, никакие меры не могут гарантировать абсолютную защищённость от воздействий молнии. Применение защитных мер, однако, значительно понижает опасность нанесения ущерба. В идеале, на основании оценки риска ущерба от прямого удара молнии в здание, риска нанесения ущерба электронному оборудованию от перенапряжений, следует выбрать класс защиты, и только после этого выбирать защитные устройства (разрядники).
Отечественная промышленность пока не выпускает разрядники в требуемом ассортименте, способные защищать сети до 1000 В. Поэтому предварительные разработки и монтаж защитных систем проводят с разрядниками ведущих зарубежных фирм (например DEHN+SÖHN – Германия). Примерная схема защиты здания выглядит следующим образом:
1 Главный распределительный щит (на входе в здание) – разрядники DEHN blok/3 (Iмакс.имп. = 40 кА; Uзащиты ≤ 4 кВ).
2 Вторичный распределительный щит (на этаже в лаборатории) – разрядники DEHN guard TNC 230/400 (Iмакс.имп. = 75 кА; Uзащиты ≤ 1,5 кВ).
3 Щиток около потребителя – разрядники DEHN rail 230 FML (Iмакс.имп. = 5 кА; Uзащиты ≤ 1,25 кВ).
Существует пример защиты сетей собственных нужд трансформаторных подстанций 110 / 6 кВ. Разрядники устанавливаются непосредственно в панелях щита собственных нужд, т.к. небольшие габаритные размеры разрядников позволяют сделать это. Разрядники устанавливаются также в панелях или щитах потребителей: панель РПН трансформатора, зарядно-подзарядный агрегат, шкаф освещения ОРУ-110 кВ, питание ВЧ-связи и т.д.
В настоящее время проблема устойчивости работы электромагнитных систем из чисто технического уровня перешла на уровень законодательный. Так, например, в декабре 1999 года Государственной Думой принят федеральный закон «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств». Кроме того, существует ряд нормативных документов серии ГОСТ Р 50571.
Системы автономного электроснабжения создаются для применения:
в районах, удаленных от магистральных линий централизованного энергоснабжения;
для обеспечения безусловного непрерывного электроснабжения таких коммунальных объектов, как больницы, родильные дома (прежде всего их операционные отделения);
в случаях аварийного или регламентного отключения объектов от системы централизованного энергоснабжения.
В последнее время внедрение автономных систем электроснабжения бывает связано с чисто экономическими интересами потребителя, стремящегося быть в наименьшей зависимости от централизованного энергоснабжения, которое, как правило, находится в руках монополий. При этом автономное электроснабжение, рассматривается как ведущее в деле обеспечения потребителя электроэнергией, а системе централизованного электроснабжения отводится вспомогательная роль, например, для покрытия непредвиденных пиков нагрузки или для восприятия избыточного потока электроэнергии, вырабатываемой автономной системой, когда невыгодно переводить её в режим пониженной мощности (при снижении мощности резко снижается КПД генераторного оборудования и приводных двигателей).
Рассмотрим устройство системы автономного электроснабжения на примере коммунального здания, принцип построения которого из-за близости этого здания по размерам к среднему жилому дому, может быть распространён и на объекты жилищного назначения.
Речь идёт об энергоавтономном экспериментальном здании в г. Барнауле.
Здание представляет собой цилиндр диаметром 16 м, усечённый в южном направлении (рисунок 2.8). Максимальная высота здания около 23 м.
Здание имеет подвальное помещение, три служебных этажа и три технических этажа с выходом на кровлю.
Разработчиками обеспечена полная автономия сооружения, как по электроснабжению, так и по теплоснабжению. Следует отметить две главные особенности здания:
использование возобновляемых источников энергии: ветра и солнца;
применение усиленной тепловой изоляции стен, оконных блоков, дверных проёмов и т.д.
Структурная схема энергетики здания приведена на рисунке 2.9, а на рисунке 2.10 – структурная схема электроснабжения.
Преобразование потоков энергии солнца и ветра производится фотоэлектрической станцией и ветроагрегатом.
Фотоэлектрическая станция состоит из отдельных модулей типа SM100 фирмы Сименс, имеет мощность 7 кВт при суммарной площади 75 м2. Станция имеет блоки защиты от повреждений при КЗ на землю и от перенапряжений.
Ветроагрегат, имеющий также мощность (7–8,5) кВт, состоит из трёхлопастного ветроколёса и синхронного трёхфазного генератора с внешним ротором, с возбуждением от постоянных магнитов. В комплект ветроагрегата входит понижающий трансформатор и выпрямитель-генератор VCS-10, который выпрямляет и корректирует напряжение генератора до значений, пригодных для зарядки батарей аккумуляторов. Оба потока энергии управляются коммутаторами 1 и 2 и центрами управления ЦУ1(=) и ЦУ2(=) нагрузкой постоянного тока.
К центрам управления подключены два инвертора типа SW 4548E, преобразующие постоянное напряжение в переменное однофазное 220 В и трёхфазное 220 / 380 В.
К образованной за выходами инверторов сети переменного тока, которая управляется центром управления нагрузкой переменного тока ЦУ1(~), ЦУ2(~), ЦУ3(~) и коммутаторами, присоединяется нагрузка освещения, питания бытовых приборов, а также приборы коммунальной службы здания (насосы, вентиляторы, нагреватели, компрессор теплового насоса, тепловая автоматика).
Для обеспечения бесперебойности электроснабжения предусмотрен резервный дизель-генератор, который включается в электросеть дома через вход одного из генераторов автоматически по команде, вырабатываемой инвертором, формируемый по состоянию параметров нагрузки системы, основных её генерирующих установок и аккумуляторных батарей.
Рассмотренная система автономного электроснабжения здания обеспечивает выработку электроэнергии в месяц (1500–1700) кВт часов в весенне-летний период и (2000–2500) кВт в осенне-зимний период. Максимальная суточная нагрузка составляет 6,5 кВт и приходится на время от 9 до 19 часов. Система полностью автономна, но она может быть подсоединена к сети централизованного электроснабжения, например, на тот же вход инвертора, к которому подключается вспомогательный дизель-генератор.
Особо следует отметить, что наряду с другими потребителями электроэнергии, к основным, относятся две группы электронагревателей, в качестве которых вместо применяемых резисторов из металлов и сплавов высокого сопротивления, эффективно использование резистивных композиционных материалов на основе силикатных и полимерных связок.
Свойства РКМ зависят от процесса производства требуемого изделия. Выбор компонентов сложных смесей и технология изготовления конструкции составляет взаимосвязанный процесс. Поэтому не потеряли актуальность исследования по изучению закономерностей электропроводности изделий из РКМ в слабых и сильных электрических полях, направленного регулирования основных параметров изделий различными технологическими приёмами.
2.1.2 Применение изделий из резистивных композиционных материалов
В книге приведены итоги исследований резистивных композиционных материалов (РКМ) и изделий из них. Приведены рекомендации по применению композиционных изделий в различных областях. Разнобразные области применения резисторов и электронагревателей из бетэла, рапита и экома. При этом следует отметить превалирующее значение их внедрения на транспорте и в электроэнергетических системах.
В США на жилищно-бытовой сектор, следующий за промышленным сектором, приходится около 40 % от потребления электрической энергии в стране, во Франции – более 35 %, а в России – не превышает 2 %. При этом основной расход электроэнергии приходится на отопление: США – 60, во Франции – 50 %, в Германии – 85 %. Во Франции используется электроотопление в 96 % строящихся жилых зданий, в Норвегии – 100 %.
Отопление промышленных и жилых зданий осуществляется комбинированием тепловых и электроотопительных приборов небольшой мощности, а также только электрообогревательными приборами и устройствами, характеризующимися поверхностно-распределённым тепловыделением и являющимися одним из видов резистивного нагрева при протекании электрического тока в токопроводящем элементе. В системах микроклимата применяют тепловыделяющие устройства малой мощности – «доводчики», служащие для местного обогрева зон с молодняком животных и птицы, которые имеют температурные условия, отличные от основных для помещений.
В России и за рубежом отмечается рост потребления электрической энергии жилищно-бытовым сектором, сельским хозяйством и промышленностью
В связи с развитием системы электроснабжения постоянно снимаются ограничения по применению электрических элементов, несмотря на относительно высокую стоимость электроэнергии по сравнению с твёрдым, жидким и газообразным топливом. Достоинством теплоэлектроснабжения являются: возможность выравнивания графика электрических нагрузок; автоматизация регулирования температуры установок индивидуального отопления; создание комфортных условий в бытовых и служебных помещениях; выполнение требований экологических служб
населённых пунктов. Электрические системы отопления зданий позволяют не только сберечь топливо, но и отличаются конструктивно компактностью нагревательных приборов и высоким уровнем индустриализации строительно-монтажных работ.
Рисунок 2.8 – Структурная энергетическая схема энергоавтономного здания
Рисунок 2.9 – Блок-схема системы энергоснабжения экспериментального автономного здания
Сопоставления экономичности отопления на жидком топливе и электроотопления, проведённые в Норвегии, показали, что если поддерживать одинаковую температуру в помещениях с различными системами отопления, то и в этом случае расход энергии при электроотоплении почти в 2 раза меньше, чем при центральном водяном отоплении с котлами на жидком топливе. Более низкий расход электроэнергии при электроотоплении обусловлен большей гибкостью этого способа отопления и возможностью эффективного регулирования теплоотдачи отопительных устройств в соответствии с фактической потребностью.
Как отмечалось ранее, к недостаткам возобновляемых энергоресурсов относится их малая концентрация на единицу поверхности суши или воды, вызывающая сравнительно большие удельные затраты на 1 кВт установленной мощности. Непостоянство во времени этих источников вызывает необходимость резервирования вырабатываемой ими энергии другими источниками. Использование возобновляемых энергоресурсов в перспективных районах Западной Сибири, Средней Азии, Дальнего Востока и Северо-Востока, Камчатской области, направляется главным образом на производство электроэнергии. Всё это делает экономически и социально оправданным широкое применение средств электрообогрева техники, промышленных и жилых зданий и т.д. Различного рода электронагревательные устройства (ЭНУ) необходимы для обогрева железнодорожных вагонов, судов, бытовок строителей, передвижных домиков, животноводческих ферм, теплиц и др. Целесообразно применять ЭНУ для создания комфортных условий обслуживающего персонала и прогрева самих строительно-дорожных машин.
Большая часть территории нашей страны расположена в зоне с длительным периодом отрицательных температур воздуха, что препятствует развитию и эксплуатации автомобильного и водного транспорта в течение длительного периода времени года. Большинство автомобилей и тракторов содержат на открытых площадках и в неотапливаемых гаражах, поэтому для запуска дизелей и бензиновых двигателей в зимнее время применяют электронагревательные устройства, подогревая загустевшее масло в картерах, блоки моторов и камеры сгорания для улучшения топливного смесеобразования.
Сезонность работы водного транспорта, например, на реках Восточной Сибири не превышает 180 суток, что вызывает необходимость организации продления навигации на внутренних водных путях. Это влечёт за собой работу портов и шлюзов в более суровых условиях эксплуатации. Так, увеличение интенсивности шлюзования сокращает время, в течение которого металлоконструкции могут находиться под водой, иначе они будут обледеневать. Возникают затруднения при обледенении металлических ворот нижней и верхней голов, попадания плавающего льда в шкафные части, обледенения и зависания плавучих рымов, образования ледяных вальцов на стенках шлюзов в зоне колебания уровня воды, примерзания уплотнений ворот к закладным частям и образования наледей вследствие фильтрации воды в уплотнениях.
Анализ отечественного и зарубежного опыта показал, что для борьбы с обледенением обледенений конструкций шлюзов и портов в осеннее-весенние периоды наиболее результативными и экономичными являются тепловые методы, например, электрообогрев различными типовыми ЭНУ.
Проведённый анализ показал, что электропроводный бетон по ряду параметров (теплоёмкости, негорючести, химостойкости и др.) имеет преимущества перед керамическими и полимерными композициями.
Сравнительные характеристики РКМ отечественного и зарубежного производства отражены в таблице 2.3.
Мощные электронагреватели и резисторы из РКМ в основном изготавливают в виде изделий пластинчатой или цилиндрической форм с широким диапазоном изменения диаметра и высоты. Промышленные изделия набирают в виде активной части – из столба последовательно соединённых шести-восьми галет, каждая из которых имеет диаметр 0,2 м и высоту 0,1 м.
Подбор комплектов галет для мощных электонагревателей производится по результатам контроля их удельного сопротивления в слабых и сильных электрических полях. Однако индивидуальный подбор комплектов затруднён в условиях крупносерийного производства. Более прогрессивным в этом случае является метод селективного комплектования. При такой сборке происходит сортировка деталей на селективные группы в пределах равных групповых отклонений. Подбирают комплекты галет по установленным расчётом правилам, обеспечивающим заданные отклонения исходного параметра комплекта.
Различные области применения композиционных резисторов и электронагревателей диктуют требования к увеличению допустимой энергии рассеяния и предельного градиента напряжения вдоль поверхности изделий, например, резисторов. Применение защитных покрытий обеспечивает не только повышение электрических характеристик, но и защиту рабочего элемента изделия от механического воздействия, воздействия атмосферных осадков и солнечной радиации. Если защитные покрытия решают лишь вопрос повышения разрядного напряжения, то для предохранения изделий от влаги и солнечной радиации применяется герметизация резистора в фарфоровый кожух. Есть более рациональный путь снижения стоимости изделий – применение специальных защитных покрытий для повышения разрядного напряжения и защиты от воздействия внешней среды.
Таблица 2.3 – Основные параметры резистивных композиционных материалов разных фирм производителей