Электрическое освещение и источники света

Занятие по рабочей программе №22

Дисциплина: «Электротехника и электроника»

Раздел 3. ПРОИЗВОДСТВО, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПОТРЕБЛЕНИЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Тема 3.1. Электрическое освещение и источники света.

1. Электроэнергетические системы.

2. Электрические станции: типы станций, доля выработки на них электроэнергии, структурные электрические схемы станций.

3. Электрические сети, распределение электрической энергии.

4. Электроснабжение предприятий и населённых пунктов.

5. Подстанции и распределительные устройства.

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Электрическое освещение и источники света.

1. Электроэнергетические системы.

2. Электрические станции: типы станций, доля выработки на них электроэнергии, структурные электрические схемы станций.

3. Электрические сети, распределение электрической энергии.

4. Электроснабжение предприятий и населённых пунктов.

5. Подстанции и распределительные устройства.

ПЛАН

1. Общие сведения.

2. Электроэнергетические системы и их эффективность.

3. Электрические станции.

4. Электрические сети, распределение электрической энергии.

5. Электроснабжение промышленных предприятий и населенных пунктов.

1. Изложение и изучение нового материала.

Электроэнергетические системы - это совокупность всех звеньев цепочки получения, преобразования, распределения и использования всех видов энергии.

Электрические сети - это элементы электроэнергетической системы, предназначенные для передачи и распределения электрической энергии. Они состоят из линий электропередачи, подстанций, распределительных и переключательных пунктов.

К энергетическим сооружениям систем электроснабжения относятся, прежде всего, крупные электростанции, работающие на общую сеть. В городах такими электростанциями часто являются ТЭЦ. В черте города могут находиться также линии электропередачи напряжением 110 кВ и выше, по которым передается электроэнергия в отдельные (преимущественно промышленные) районы города и энергия от городской ТЭЦ в общую сеть.

Для прокладки трасс линий электропередачи напряжением 110 кВ и выше нужны полосы соответствующей ширины. Под высоковольтные подстанции энергосистемы (напряжением 110 кВ и выше) отводятся территории площадью не менее 1 га. ТЭЦ размещают преимущественно в промышленных районах городов с соблюдением санитарно-защитных зон и с учетом расположения потребителей тепла, источников воды и т.д. К территории электростанций прокладывают подъездные пути от общей сети железных дорог, увязывая их с подъездными путями других промышленных предприятий.

В целях уменьшения протяженности сетей напряжением 6... 10 кВ и снижения затрат на их устройство в городах рекомендуется применять глубокие вводы линий электропередачи напряжением 35 КВ и выше. Согласно нормам, в жилых территориях эти вводы, как правило, выполняют в виде кабельных линий. На этих же территориях (за исключением малоэтажной застройки в небольших городах и сельской местности) кабельными выполняют линии передач напряжением 6... 10 кВ и ниже.

Электроснабжение городов, как правило, должно осуществляться не менее чем от двух независимых источников электроэнергии.

В системе электроснабжения объектов можно выделить три вида электроустановок:

1) по производству электроэнергии — электрические станции;

2) по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии — электрические сети и подстанции;

3) по потреблению электроэнергии в производственных и бытовых нуждах — приемники электроэнергии.

Электрической станцией называется предприятие, на котором вырабатывается электрическая энергия. На этих станциях различные виды энергии (энергия топлива, падающей воды, ветра, атомная и др.) с помощью электрических машин, называемых генераторами, преобразуются в электрическую энергию.

В зависимости от используемого вида первичной энергии все существующие электрические станции разделяют на следующие основные группы: тепловые, гидравлические, атомные, ветряные, солнечные и др.

Приемником электроэнергии (электроприемником, токоприемником) называется электрическая часть производственной установки, получающая электроэнергию от источника и преобразующая ее в механическую, тепловую, световую энергию, в энергию электростатического и электромагнитного поля. По технологическому назначению приемники электроэнергии классифицируются в зависимости от вида энергии, в который данный приемник преобразует электрическую энергию: электродвигатели приводов машин и механизмов; электротермические установки; электрохимические установки; установки электроосвещения; установки электростатического и электромагнитного поля, электрофильтры; устройства искровой обработки, контроля и испытания изделий (рентгеновские аппараты, установки ультразвука и т.д.). Электроприемники характеризуются номинальными параметрами: напряжением, током, мощностью и др.

Совокупность электроприемников производственных установок цеха, корпуса, предприятия, присоединенных с помощью электрических сетей к общему пункту электропитания, называется электропотребителем.

Совокупность электрических станции, линий электропередачи, подстанций, тепловых сетей и приемников, объединенных одним и непрерывным процессом выработки, преобразования, распределения тепловой и электрической энергии, называется энергетической системой. Единая энергетическая система (ЕЭС) объединяет энергетические системы отдельных районов, соединяя их линиями электропередачи.

Часть энергетической системы, состоящая из генераторов, распределительных устройств, повышающих и понижающих подстанций, линий электрической сети и приемников электроэнергии, называют электроэнергетической системой.

Электрической сетью называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электроэнергии, состоящая из подстанций и распределительных устройств, которые соединены линиями электропередачи, и работающая на определенной территории.

Электрическая сеть объекта электроснабжения, называемая системой электроснабжения объекта, является продолжением электрической системы. Система электроснабжения объекта объединяет понижающие и преобразовательные подстанции, распределительные пункты, электроприемники и ЛЭП.

Прием, преобразование и распределение электроэнергии происходят на подстанции — электроустановке, состоящей из трансформаторов или иных преобразователей электроэнергии, распределительных устройств, устройств управления, защиты, измерения и вспомогательных устройств.

Распределение поступающей электроэнергии без ее преобразования или трансформации выполняется на распределительных подстанциях (РП).

Электрические сети подразделяются по следующим признакам:

1. Напряжение сети. Сети могут быть напряжением до 1 кВ — низковольтными, или низкого напряжения (НИ), и выше 1 кВ — высоковольтными, или высокого напряжения (ВН).

2. Род тока. Сети могут быть постоянного и переменного тока. Электрические сети выполняются в основном по системе трехфазного переменного тока, что является наиболее целесообразным, поскольку при этом электроэнергия может трансформироваться. При большом числе однофазных приемников от трехфазных сетей делают однофазные ответвления. Принятая частота переменного тока в ЕЭС России равна 50 Гц.

3. Назначение. По характеру потребителей и в зависимости от назначения территории, на которой они находятся, различают сети в городах, сети промышленных предприятий, сети электрического транспорта, сети в сельской местности. Кроме того, имеются районные сети, служащие для соединения крупных электрических станций и подстанций на напряжении выше 35 кВ; сети межсистемных связей, предназначенные для соединения крупных электроэнергетических систем на напряжении 330, 450 и 500 кВ. Примерная схема относительно простой электроэнергетической системы приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема электрической системы

Вместе с тем, применяют понятия «питающие сети» и «распределительные сети».

4. Конструктивное выполнение сетей. Линии могут быть воздушными, кабельными и токопроводами. Подстанции могут быть открытыми и закрытыми.

Здесь электрическая энергия, вырабатываемая на двух электростанциях различных типов — тепловой электростанции (ТЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) — подводится к потребителям, удаленным друг от друга, для того чтобы передать электроэнергию на расстояние, ее предварительно преобразовывают, повышая напряжения трансформаторами. У мест потребления электроэнергии напряжение понижают до нужной величины. Из схемы можно понять, что электроэнергия передается по воздушным линиям.

Для питания электроэнергией (ЭЭ) потребителей (приемников), расположенных в городах, поселках и деревнях, на объектах промышленного, сельскохозяйственного и военного назначения необходимы мощные источники ЭЭ — электростанции (ЭС), а также электрические сети, предназначенные для передачи ЭЭ от источников до потребителей (рис.2).

Энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций, электрических сетей и тепловых сетей (сетей подачи потребителям горячей воды, полученной при работе электростанций), соединенных между собой и участвующих в процессе производства, преобразования и распределения электрической и тепловой энергии под общим управлением.

Рис. 2. Участок ЭЭС

Электрическая часть энергосистемы вместе с питающимися от нее приемниками ЭЭ называется электроэнергетической системой (ЭЭС). Участок её схематически представлен на рис. 3.

ЭЭС по сравнению с отдельными электростанциями со своими сетями обладает целым рядом преимуществ:

• значительным повышением надежности электроснабжения потребителей;

• облегчением работы при ремонте и авариях; лучшим использованием мощностей агрегатов отдельных электростанций и повышением их экономичности;

• увеличением мощностей агрегатов ЭС. Преимущества ЭЭС оказались столь велики, что во второй половине XX в. лишь несколько процентов ЭЭ, генерируемой в России, вырабатывались вне ЭЭС на отдельных ЭС.

Рис. 3. Участок ЭЭС в схематическом виде:

Т - трансформатор; М - потребители ЭЭ (электромоторы); ®  - осветительная нагрузка

ЭЭС состоят из трех групп элементов − основных силовых, измерительных и средств управления.

Основные силовые элементы ЭЭС:

• генерирующие ЭЭ агрегаты ЭС;

• элементы преобразования токов и напряжений − трансформаторы, выпрямители и т.д.;

• элементы, передающие ЭЭ на большие расстояния, − линии электропередачи (ЛЭП);

• элементы, изменяющие схему ЭЭС, в частности, отключающие ее поврежденные участки, — коммутационная аппаратура (выключатели, разъединители).

Измерительные элементы ЭЭС − трансформаторы тока и напряжения, предназначенные для подключения измерительных приборов, средств управления и регулирования.

Средства управления ЭЭС − автоматика, регуляторы, релейная и микропроцессорная защита, связь, обеспечивающие управление схемой и работой ЭЭС.

Функционирование ЭЭС в каждый момент времени характеризуется режимом, под которым понимается состав включенных основных элементов ЭЭС и их загрузка. Режим, в свою очередь, определяется параметрами режима: величинами напряжений, токов, мощностей, частоты, определяющими процесс производства, передачи, распределения и потребления ЭЭ. Если эти параметры неизменны на некотором отрезке времени, то режим ЭЭС называют установившимся, если они изменяются, то − переходным. Управление режимами ЭЭС осуществляется автоматическими регуляторами и устройствами противоаварийной автоматики, но главное − персоналом специально созданных служб − диспетчерских управлений. Диспетчерское управление − вид оперативного подчинения, когда операции с оборудованием ЭЭС производятся только по распоряжению диспетчера (старшего дежурного персонала), в управлении которого это оборудование находится. Диспетчер осуществляет руководство: распределением мощностей между отдельными ЭС ЭЭС; регулированием частоты, напряжений и потоков мощностей; вводом в работу и выводом из нее отдельного оборудования; ликвидацией аварий на ЭС и в электрических сетях и т.д.

Особенности ЭЭС России и их организация. В гигантской по размерам стране топливно-энергетические ресурсы сосредоточены в основном в ее азиатской части, а основные потребители — в Центре, на Юге, Западе, Урале. Отсюда необходимость переброски ЭЭ на большие расстояния и согласованности режимов работы многих ЭС. Эти особенности привели к строительству мощных ЛЭП высокого напряжения, объединению отдельных ЭЭС и созданию Центрального диспетчерского управления (ЦДУ). В РФ существует шесть объединенных, совместно работающих энергосистем (ОЭС): объединенные энергосистемы Центра, Северо-запада, Средней Волги, Северного Кавказа, Урала и Сибири, которые образуют единую энергетическую систему (ЕЭС) России. Единая энергетическая система России связана с ОЭС и ЭЭС республик бывшего СССР − Беларуси, Украины, Казахстана, Прибалтики, Закавказья, а также с ЕЭС Польши, Финляндии, Турции, Монголии, Норвегии. Последние крупные системные аварии в Северной Америке (август − сентябрь 2003 г.), когда без ЭЭ остались Нью-Йорк, Детройт, Монреаль и другие мегаполисы, и в Европе (Италия) еще раз подтвердили необходимость объединения ресурсов ЭЭС отдельных стран в целях повышения надежности электроснабжения. Управление режимами работы такой сложной системы, как ЕЭС России, трехступенчатое ЦДУ ЕЭС; объединенные диспетчерские управления (ОДУ) ОЭС, центральные диспетчерские службы (НДС) отдельных ЭЭС. Организация столь сложного и надежного управления ЭЭС − предмет особой гордости энергетиков России, практически не знавшей таких крупных системных аварий, как вышеотмеченные.

Следует остановиться на трех специфических особенностях ЭЭС как элементов энергетического производства:

• производство, передача, распределение и потребление ЭЭ в ЭЭС осуществляются практически в один и тот же момент времени (энергия нигде не аккумулируется);

• электромагнитные процессы в ЭЭС происходят с большой скоростью: включения, отключения, КЗ и т.д. совершаются в течение секунд и даже их долей;

• ЭЭС теснейшим образом связана с обеспечением жизнедеятельности городов и поселков, функционированием производства и транспорта, что требует особой надежности ее работы и ответственности всех принимаемых при этой работе решений.

3. Электрические станции

Типы станций, доля выработки на них электроэнергии, используемые энергоресурсы. Источниками ЭЭ в ЭЭС служат ЭС трех типов: тепловые ЭС (ТЭС), атомные ЭС (АЭС) и гидравлические ЭС (ГЭС). На этих станциях происходит преобразование энергии органических топлив (ТЭС), ядерных топлив (АЭС) или напора воды (ГЭС) в ЭЭ.

Большая часть ЭЭ вырабатывается на ТЭС. В России эта часть достигает 70%, в мире − 90%. ТЭС используют энергию в основном нефти, газа, угля. Большинство ТЭС России, особенно в ее европейской части, используют природный газ, а в качестве резервного топлива − мазут. Подобные ТЭС называют газомазутными. В азиатской части страны на ТЭС используют уголь, который предварительно размалывается в специальных мельницах до пылевидного состояния. Такие ТЭС называют пылеугольными. На АЭС в России вырабатывается до 15% ЭЭ (во Франции − более 70%, в Германии и Японии − около 30%, в США − более 20%). Ядерное горючее получают из природного урана (из 1000 кг природного урана получают 100 кг обогащенного урана). Из обогащенного урана изготовляют тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), которые используются в качестве топлива на АЭС. Почти все АЭС в России расположены в европейской её части, где мало органических топлив (здесь АЭС дают 30% ЭЭ).

На ГЭС в качестве энергоресурса используется не топливо, а возобновляемый ресурс − механическую энергию воды. Для получения мощного потока воды возводятся специальные сооружения − плотины, которые дают перепад уровней воды и обеспечивают необходимый напор воды для вращения колеса турбины. Гидравлическая турбина соединена валом с ротором электрогенератора, вырабатывающего ЭЭ. Обычно стараются с максимальной эффективностью использовать богатые гидроресурсами места, устанавливая целые каскады ГЭС − Волжский, Камский, Ангарский, Енисейский.

Принцип действия электростанций, особенности конструкций их энергоагрегатов, структурные электрические схемы станций. В основе принципа действия всех трех типов ЭС лежит преобразование первичной энергии (органических и ядерных топлив, механической энергии воды) в ЭЭ. Общим должен быть результат − все эти различные по используемому энергоресурсу ЭС должны вырабатывать напряжение определенного уровня (действующего значения) при частоте 50 Гц. Подобное преобразование энергии на каждой электростанции осуществляется с использованием специальных агрегатов − электрических генераторов. Причем в качестве такого генератора всегда выбирается СГ, с помощью которого только и возможно обеспечить полную синхронность частот напряжений, генерируемых сотнями таких генераторов в ЭЭС. Но конструкции таких генераторов для различных типов станций отличаются друг от друга.

На ТЭС и АЭС органические и ядерные топлива сжигаются в специальных котлах. Выделяемая теплота греет воду, которая перемещается внутри труб. В результате образуется пар, перемещающийся к паровой турбине. За турбиной с помощью специального аппарата − конденсатора − поддерживается очень низкое давление и из-за перепада давлений на входе и выходе пар движется в турбине с очень большой скоростью, вращая ее вал. Вал турбины связан с ротором электрогенератора, вращение которого и позволяет СГ вырабатывать ЭЭ. При этом ротор СГ выполняется в неявнополюсном исполнении, а сам СГ называют турбогенератором. Коэффициент полезного действия ТЭС может достигать 40%, КПД АЭС несколько ниже, но оценить его сложно из-за неполного сгорания ядерного топлива.

На ГЭС используются синхронные машины, называемые гидрогенераторами, с явно-полюсными роторами. Гидрогенераторы имеют частоту вращения роторов в десятки раз меньшую, чем турбогенераторы. Поскольку масса машины возрастает с уменьшением частоты ее вращения, то массы гидрогенераторов в несколько раз превышают массы турбогенераторов аналогичной мощности. Диаметры роторов турбогенераторов не превышают 1,1... 1,25 м при длине роторов до 8 м. Роторы гидрогенераторов достигают 15...20 м в диаметре при длине до 5 м, что затрудняет установку их в горизонтальном (как у турбогенераторов) положении.

На ЭС ЭЭ вырабатывается на так называемом генераторном напряжении, уровень которого несколько ниже уровня напряжения для эффективной его передачи на большие расстояния. Поэтому в состав ЭС помимо генераторов входят трансформаторы, повышающие это напряжение, автоматические выключатели, позволяющие отключать и подключать эти генераторы и трансформаторы в сеть, а также устройства, служащие для распределения ЭЭ.

Выбор структурных электрических схем ЭС зависит от числа и мощности генераторов, типов используемых трансформаторов, требуемых уровней выдаваемого станцией напряжения и т.д. На рис.4 показан пример структурной схемы для станции с тремя энергоблоками, каждый из которых состоит из генератора, трансформатора, автоматического выключателя (изображается в виде прямоугольника). Отдельными стрелками показан отбор мощностей на генераторном напряжении для собственных нужд ЭС (освещения, работы вентиляторов, насосов и т.д.).

Рис. 4. Структурная схема ЭС с тремя энергоблоками

Назначение станций. Исторически первым по назначению типом станции была районная ЭС − ТЭС или ГЭС, служащая для снабжения ЭЭ промышленных районов или городов. Объединение подобных ЭС вместе с их сетями привело к появлению ЭЭС. В ЭЭС ГЭС служат только для выработки ЭЭ. ТЭС по назначению подразделяются на два класса − конденсационные станции (КЭС), которые также служат только для выработки ЭЭ, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), служащие для комбинированной выработки теплоты и ЭЭ. Конденсационные ЭС проектируются с агрегатами мощностью от 100 до 1200 МВт, имеющими напряжение генераторов 10,5...36,75 кВ. Установленная мощность типовых электростанций соответствует 2400...6400 МВт. Теплоэлектроцентрали выгодно размещать рядом с потребителями теплоты (городами, поселками, предприятиями), отпуская им пар для обогрева зданий и технологических целей.

С пуском в 1954 г. в России первой в мире АЭС наступил новый этап электрификации, на котором все большая доля выработки ЭЭ приходится на АЭС. Атомные ЭС также подразделяются на конденсаторные (КАЭС) и теплофикационные (АТЭС), но преимущественно используются КАЭС. АЭС обладают слабой маневренностью, а в ЭЭС часто возникает необходимость изменения объемов выработки ЭЭ, регулирования частоты и т.д. Потребителям ЭЭ требуются разные ее объемы в разное время суток и в разное время года. Высокой маневренностью обладают гидравлические ЭС, но не во всех ЭЭС есть достаточные мощности ГЭС, а на последних − необходимые для маневрирования запасы воды. В последние годы для маневров с вырабатываемыми мощностями стали применять специальные газотурбинные агрегаты на ГЭС.

Вся сложность передачи электрической энергии заключается в невозможности накапливать электричество в промышленных масштабах. Поэтому вся электроэнергия, которая производится, должна в то же время передаваться непосредственно к потребителю и использоваться для работы электрооборудования.

При передаче электрической энергии на расстояния используются линии электропередач, выполняемые воздушной или кабельной прокладкой. В зависимости от геометрической формы, сечения жил и типа материала линия электропередач обладает определенной величиной омического сопротивления. При передаче электроэнергии по такой линии, часть ее будет расходоваться на нагрев самих жил – это основная проблема. Получается так, что часть энергии перейдет в тепловую, то есть бесполезно истратиться и рассеется в окружающую среду.

Электрические сети ЭЭС обеспечивают возможность ЭС выдавать мощности, передавать их на расстояния, преобразовывать параметры ЭЭ и распределять ее по некоторой территории, вплоть до конечных потребителей. Классификацию электрических сетей можно провести по уровням напряжений, размерам территорий, назначению, конфигурации, конструктивному исполнению и т.д.

Уровни напряжения сетей. Электрические сети ЭЭС на протяжении от ЭС до потребителей имеют несколько ступеней трансформации напряжений. Дело в том, что генераторы ЭЭ проектируются на одни уровни напряжений, приемники — на другие. Передачу ЭЭ на определенные расстояния наиболее выгодно (по потерям) осуществлять с использованием иных, чем у генераторов и приемников, уровней напряжения. Все это и определяет необходимость многоуровневых напряжений в электрических сетях, которая достигается с помощью трансформаторов. Всего в России используются 16 уровней линейных напряжений, из которых четыре ниже 1 кВ (40, 220, 380 и 660 В) и 12 − выше 1 кВ (3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ). Напряжения до 1 кВ называют низкими напряжениями (НН), от 3 до 35 кВ − средними напряжениями (СН), от 110 до 220 кВ − высокими напряжениями (ВН), от 330 до 750 кВ — сверхвысокими напряжениями (СВН), а напряжение 1150 кВ − ультравысоким напряжением. Выбор уровня напряжения определяется назначением сети.

Местные, районные и региональные сети. По размерам территорий сети подразделяют на местные (U_HOM  35 кВ), районные (U_HOM = 110...220 кВ) и региональные (U_Hm 330 кВ). Региональные сети связывают отдельные районы и небольшие энергосистемы в региональные объединенные энергосистемы (ОЭС) — для этой цели обычно используются сети напряжением 330 кВ, а также связывают ОЭС между собой.