Электроэнергия вырабатывается на электростанциях, которые расположены у источников первичной энергии и передаётся к потребителям, то есть производство,
передача и потребление электрической энергии – единый во времени процесс.
Система производства, передачи и распределения электроэнергии, которая имеет общее централизованное техническое управление, называется трёхфазной энергетической системой. В её состав входят: генераторы электростанций, распределительные устройства, трансформаторные подстанции, линии электропередачи и потребители электроэнергии. Передача электроэнергии осуществляется на большие расстояния (сотни километров), поэтому в линиях электропередачи
возникают значительные потери мощности в результате теплового действия тока, который в них протекает. В одном проводе линии электропередачи потери
мощности равны:
, (8.13)
где D Рл – потери мощности в одном проводе линии электропередачи, Вт;
rл – активное сопротивление одного провода линии электропередачи, Ом;
Iл – действующее значение силы тока,
протекающего в одном проводе линии электропередачи, А.
Активное сопротивление провода линии равно:
, (8.14)
где r – удельное сопротивление материала,
из которого изготовлен провод линии, Ом×мм 2/ м (Ом×м);
l – длина провода линии, м;
S – площадь поперечного сечения провода линии, мм 2(м 2).
Действующее значение силы тока, протекающего в одном проводе линии электропередачи (при cos j = 1), равна:
, (8.15)
где Р – активная мощность одной фазы эквивалентного потребителя, Вт;
U – действующее значение фазного напряжения
эквивалентного потребителя, В.
Подставив (8.14) и (8.15) в (8.13), получим:
. (8.16)
Из выражения (8.16) следует, что снизить потери мощности в проводах линии электропередачи можно тремя способами:
1) применением проводов, изготовленных из материала с низким удельным
сопротивлением (алюминий, медь), что приводит к удорожанию линии;
2) применением проводов большего сечения, что приводит к удорожанию линии;
3) увеличением напряжения – приводит к значительному снижению потерь мощности, так как они обратно пропорциональны квадрату напряжения.
Пример 8.6
Сельский населённый пункт получает питание по линии электропередачи напряжением 220 В. В результате модернизации линии электропередачи (при неизменности
материала и длины линии, а также передаваемой мощности) она стала передавать электроэнергию на напряжении 380 В.
Определить во сколько раз снизились потери активной мощности в линии.
Решение.
1. Определяем во сколько раз снизились потери активной мощности в линии
на основании (8.16):
.
Следовательно, чем больше расстояние, на которое передаётся электроэнергия, тем выше должно быть напряжение, на котором она передаётся. Поэтому
вблизи электростанций располагается повышающая высоковольтная трансформаторная подстанция, на которой напряжение может подниматься до110 кВ,220 кВ, 330 кВ,500 кВ,750 кВ, 1500 кВ. После этого электроэнергия передаётся по высоковольтной линии электропередачи на указанных напряжениях к питающим трансформаторным подстанциям, на которых напряжение понижается до 35 кВ,
после чего электроэнергия передаётся к районным трансформаторным подстанциям, где напряжение понижается до 10 кВ. От районных трансформаторных подстанций электроэнергия передаётся к потребительским трансформаторным подстанциям,
на которых напряжение понижается до 0,4 кВ, после чего электроэнергия по низковольтной линии электропередачи поступает к потребителям.
Однолинейная схема трёхфазной энергосистемы в составе: генератор – повышающая трансформаторная подстанция – высоковольтная линия электропередачи – районная трансформаторная подстанция – высоковольтная линия 10 кВ – потребительская трансформаторная подстанция – линия электропередачи 0,4 кВ – потребители электрической энергии (двигатель М, нагревательная установка НУ, осветительная установка ОУ), представлена на рис.8.10.
Для соединения внутренней проводки с наружной линией электропередачи используют воздушный ввод, представляющий собой ответветвление от линии электропередачи низкого напряжения. Выполняется голым проводом и подходит к стене, где закрепляется с помощью изоляторов. От воздушного ввода сквозь стену внутрь помещения прокладывается ввод из изолированного провода. Внутри помещения в месте ввода устанавливают распределительный щит, к которому подключают внутреннюю электропроводку. Этот щит содержит аппаратуру защиты, счётчики электроэнергии и другое.
Внутри помещений электрическую проводку выполняют изолированными проводами в закрытом виде (под штукатуркой, в специальных трубах и других).
Сечения проводов выбираются из условия допустимого нагрева рабочим током.
Вопросы для самоконтроля
1. Что понимается под трёхфазной энергетической системой?
2. Перечислите составные части трёхфазной энергетической системы.
3. Как определить потери мощности в линии электропередачи?
4. От чего зависят потери мощности в линии электропередачи?
5. Как снизить потери мощности в линии электропередачи?
6. Каково назначение повышающих трансформаторных подстанций?
7. Каково назначение понижающих трансформаторных подстанций?
8. Приведите пример однолинейной схемы трёхфазной энергосистемы в составе:
генератор – трансформатор 20/330 кВ – линия электропередачи 330 кВ –
трансформатор 330/35 кВ – линия электропередачи 35 кВ –
трансформатор 35/10 кВ – линия электропередачи 10 кВ –
трансформатор 10/0,4 кВ – линия 0,4 кВ –
потребитель электрической энергии,
опишите её работу.
9. Как снизить потери мощности в низковольтной линии электропередачи?
Типы электростанций
В соответствии с источниками первичной энергии электростанции классифицируются следующим образом:
1. Тепловые электростанции – энергия сжигаемого в котле топлива
(твёрдого, жидкого, газообразного) преобразуется в пар, который вращает турбину генератора, механическая энергия которой преобразуется в генераторе в электрическую энергию (к.п.д. составляет около 25 %). Теплоэлектроцентрали – совмещены процессы выработки тепловой и электрической энергии, используются для тепло и электроснабжения (к.п.д. достигает 70 %).
2. Атомные электростанции – энергия, которая выделяется при цепной реакции деления ядер урана в реакторе, преобразуется в пар и далее процесс происходит аналогично тепловым электростанциям.
3. Гидравлические электростанции – энергия потока воды преобразуется в механическую энергию вращения турбины генератора, которая в генераторе преобразуется в электрическую энергию (к.п.д. достигает 90 %). Для получения напора воды на равнинных реках создают плотины, на горных реках используют естественный уклон, в прибрежных к морю территориях используют приливы и отливы.
4. Дизельные электростанции – энергия дизельного топлива, сгорающего в цилиндрах двигателя, преобразуется в механическую энергию на его валу. В генераторе, который находится на том же валу, механическая энергия преобразуется в электрическую энергию (к.п.д. составляет около 35 %).
5. Ветровые электростанции – энергия ветрового потока преобразуется с помощью ветроколеса в механическую энергию вращения вала генератора, которая в генераторе преобразуется в электрическую энергию.
6. Солнечные электростанции – энергия, излучаемая Солнцем, преобразуется в фотоэлементах в электрическую энергию. На 1 км 2 поверхности Земли приходится средняя мощность излучения Солнца, равная 170 МВт.
Также в электрическую энергию преобразуют энергию термальных вод Земли, перерабатывают отходы жизнедеятельности животных в биогазовых установках. Некоторые другие виды энергии пока ещё не используются, например, энергии
молний, мощность которых единовременно составляет 1010 кВт.
Вопрос для самоконтроля
1. Перечислите типы электростанций, указав виды преобразуемой ими энергии.