ВОПРОСЫ
для зачета по дисциплине: «Электрические сети и энергоснабжение».
2. Тепловые конденсационные электростанции.
На тепловых электростанциях электрическую энергию получают благодаря сжиганию в топках котлов или самих двигателях твердого, жидкого или газообразного топлива.
Различают угольные, сланцевые, торфяные, дизельные, работающие на жидком топливе, а также электростанции, где в топках котлов сжигают мазут или газ.
На КЭС химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется в котле в энергию водяного пара, приводящего во вращение турбоагрегат (паровую турбину, соединенную с генератором). На крупных КЭС применяют агрегаты мощностью 200,400,600,800 МВт и более.
На долю КЭС приходится до 60% выработки электроэнергии.
Мощность современных КЭС такова, что каждая из них может обеспечить электроэнергией крупный район страны.. Отсюда еще одно название электростанций этого типа – государственная районная электрическая станция (ГРЭС).
Особенности КЭС следующие:
- строятся по возможности ближе к месторождениям топлива- подавляющую часть выработанной электроэнергии отдают в электрические сети повышенных напряжений (110-750 кВ);
- работают по свободному (т.е. не ограниченному тепловыми потребителя-ми) графику выработки электроэнергии; мощность может меняться от расчетного максимума до так называемого технологического минимума;
- низкоманевренны: разворот турбин и набор нагрузки из холодного состояния требуют примерно от 3 до 10 часов;
- имеют относительно низкий КПД, примерно 30-40%;
- развита сеть высокого напряжения и не развита сеть распределительного устройства низкого напряжения;
- блочный принцип построения электростанции.
|
1. Классификация электрических сетей и их особенность.
Назначение распределительных сетей – доставка ЭЭ потребителям 6–10 кВ, распределение ЭЭ между ПС 6–110/0,38–35 кВ района электропотребления, сбор мощности, производимой небольшими станциями. Конфигурация схемы сети зависит от взаимного расположения ЦП, приёмных ПС и от требований обеспечения надёжности электроснабжения. Главная особенность распределительных сетей НН – их массовость.
Передача ЭЭ от источников к потребителям и распределение её между ними осуществляют преимущественно тупенями электрических сетей посредством двух-трех и более трансформаций. Элементы, формирующие системы передачи ЭЭ: совокупность лектропередач выдачи мощности ГЭС и линий межсистемной передачи 330 кВ и элементы, образующие систему распределения ЭЭ: сложнозамкнутая сеть СН 110 кВ и разветвлённые разомкнутые сети НН 0,38–35 кВ. |
Радиально-магистральная резервированная конфигурация схемы сети
Сложно-замкнутая конфигурация сети двух номинальных напряжений
3. Теплоэлектроцентрали.
ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРА́ЛЬ (ТЭЦ), тепловая электростанция, вырабатывающая электроэнергию и теплоту (в виде пара и горячей воды, в т. ч. и для обеспечения горячего водоснабжения и отопления жилых и пром. объектов). Осн. источником теплоты на ТЭЦ является сжигаемое органич. топливо (на паротурбинной, газотурбинной и парогазотурбинной ТЭЦ) либо ядерное топливо (на атомных ТЭЦ). Наиболее распространены паротурбинные ТЭЦ, оборудованные преим. теплофикационными турбинами (см. Паровая турбина). Различают ТЭЦ пром. типа (для снабжения теплотой предприятий) и отопит. типа (для обогрева и снабжения горячей водой жилых и обществ. зданий). Комбиниров. выработка электрич. и тепловой энергии (когенерация) на ТЭЦ позволяет значительно улучшить использование сжигаемого топлива, повысить кпд до 80% и снизить себестоимость энергии. ТЭЦ получили широкое распространение в районах и городах с высоким потреблением теплоты. Централизов. теплоснабжение потребителей осуществляется через систему теплофикации; радиус передачи теплоты (пара, горячей воды) ок. 15 км в крупных городах; загородные ТЭЦ передают горячую воду при более высокой начальной темп-ре на расстояние до 30 км. При средней плотности тепловой нагрузки мощность ТЭЦ обычно не превышает 300–500 МВт, в крупных городах до 1600 МВт.
Схема работы ТЭЦ достаточно проста. В топку одновременно поступают топливо и разогретый воздух — окислитель. Наиболее распространенное топливо на российских ТЭЦ – измельченный уголь. Тепло от сгорания угольной пыли превращает воду, поступающую в котел в пар, который затем под давлением подается на паровую турбину. Мощный поток пара заставляет ее вращаться, приводя в движение ротор генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую.
 Обозначения на схеме ТЭС:
1. Топливное хозяйство;
2. подготовка топлива;
3. котел;
4. промежуточный пароперегреватель;
5. часть высокого давления паровой турбины (ЧВД или ЦВД);
6. часть низкого давления паровой турбины (ЧНД или ЦНД);
7. электрический генератор;
8. трансформатор собственных нужд;
9. трансформатор связи;
10. главное распределительное устройство;
11. конденсатор;
12. конденсатный насос;
13. циркуляционный насос;
14. источник водоснабжения (например, река);
15. подогреватель низкого давления (ПНД);
16. водоподготовительная установка (ВПУ);
17. потребитель тепловой энергии;
18. насос обратного конденсата;
19. деаэратор;
20. питательный насос;
21. подогреватель высокого давления (ПВД);
22. шлакозолоудаление;
23. золоотвал;
24. дымосос (ДС);
25. дымовая труба;
26. дутьевой вентилятов (ДВ);
27. золоуловитель.
|
4. Газотурбинные и парогазовые установки.
Газотурбинная установка (ГТУ) представляет собой тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется сначала в теплоту, а затем в механическую энергию на вращающемся валу.
Простейшая ГТУ состоит из компрессора, в котором сжимается атмосферный воздух, камеры сгорания, где в среде этого воздуха сжигается топливо, и турбины, в которой расширяются продукты сгорания. Так как средняя температура газов при расширении существенно выше, чем воздуха при сжатии, мощность, развиваемая турбиной, оказывается больше мощности, необходимой для вращения компрессора. Их разность представляет собой полезную мощность ГТУ.
Газотурбинные установки работают на газовом топливе, которое существенно дешевле мазута. Единичная мощность современных ГТУ достигает 250 МВт, что приближается к мощности паротурбинных установок. К преимуществам ГТУ по сравнению с паротурбинными установками относятся:
1. незначительная потребность в охлаждающей воде;
2. меньшая масса и меньшие капитальные затраты на единицу мощности;
3. возможность быстрого пуска и форсирования нагрузки.
 — ПГУ с парогенератором утилизационного типа; б — ПГУ со сбросом газов в топку котла (НПГ); в — ПГУ на парогазовой смеси; 1 — воздух из атмосферы; 2 — топливо; 3 — отработавшие в турбине газы; 4 — уходящие газы; 5 — вода из сети на охлаждение; 6 — отвод охлаждающей воды; 7 — свежий пар; 8 — питательная вода; 9 – промежуточный перегрев пара; 10 — регенеративные отбросы пара; 11 — пар, поступающий после турбины в камеру сгорания. К — компрессор; Т — турбина; ПТ — паровая турбина; ГВ, ГН — газоводяные подогреватели высокого и низкого давления; ПВД, ПНД — регенеративные подогреватели питательной воды высокого и низкого давления; НПГ, УПГ — низконапорный, утилизационный парогенераторы; КС — камера сгорания.
Объединяя паротурбинную и газотурбинную установки общим технологическим циклом, получают парогазовую установку (ПГУ), КПД который существенно выше, чем КПД отдельно взятых паротурбинной и газотурбинной установок.
КПД парогазовой электростанции на 17-20 % больше, чем обычной паротурбинной электростанции. В варианте простейшей ГТУ с утилизацией тепла уходящих газов коэффициент использования тепла топлива достигает 82-85%.
|
| 5. Гидравлические электростанции. Гидроэлектростанция – это сложный комплекс, состоящий из разных сооружений и специального оборудования. Возводятся гидроэлектростанции на реках, где есть постоянный приток воды для наполнения плотины и водохранилища. Подобные сооружения (плотины), создаваемые при постройке гидроэлектростанции, необходимы для концентрации постоянного потока воды, который при помощи специального оборудования для ГЭС преобразовывается в электрическую энергию. Возведенные гидротехнические сооружения обеспечивают стабильный напор воды, который поступает на лопасти турбины. Напор приводит турбину в движение, в результате чего она вращает генераторы. Последние и вырабатывают электроэнергию, которую затем по линиям высоковольтных передач доставляют потребителю. Основная сложность подобного сооружения – обеспечение постоянного напора воды, что достигается путем возведения плотины. Мощности Есть разные гидроэлектростанции, которые можно поделить по вырабатываемой мощности: Очень мощные – с выработкой более 25 МВт. Средние – с выработкой до 25 МВт. Малые – с выработкой до 5 МВт. Мощность ГЭС зависит от в первую очередь от потока воды и КПД самого генератора, который на ней применяется. Но даже самая эффективная установка не сможет производить большие объемы электроэнергии при слабом напоре воды. Также стоит учитывать, что мощность гидроэлектростанции не является постоянной. В силу естественных природных причин уровень воды в дамбе может увеличиваться или уменьшаться. Все это оказывает влияние на объемы производимой электроэнергии. Индикаторов мощности любой ГЭС несколько: расход воды и гидростатический напор. Последний показатель определяется разницей высот между начальной и конечной точкой свободного падения воды. При создании проекта станции на одном из этих показателей основывают всю конструкцию. Плюсы Гидростанции гибки в управлении. С помощью их турбин можно регулировать мощность станции от минимальной до предельной. При этом отличие от тепловых и некоторых других станций они способны быстро набирать рабочую мощность с минимальных показателей. Функционирование ГЭС не сопровождается вредными загрязнениями воздуха. К положительным факторам можно и отнести влияние их водохранилищ на формирование более умеренных климатических показателей в соответствующем регионе. Строительство плотин и образование улучшают судоходство, влияют на увеличение рыбных запасов в них, способствуют рыбоводству. Минусы в первую очередь экологические, которые вызываются их появлением. Прежде всего, это затопление больших массивов сельскохозяйственных угодий, в том числе плодородных земель. Оставшаяся пойменная почва теряет влагу. Исчезают многие виды растительности. В результате в моря и океаны меньше попадает ценных биогенных веществ. Ограниченные или останавливаемые пропуски воды на плотинах вынуждают видоизменяться уникальным экологических системам в руслах и поймах рек. В результате реки мелеют и загрязняются, сокращается численность рыб, исчезают их некоторые виды. Плотины порой препятствуют нересту проходных рыб, заставляя местные рыбхозяйства приспосабливаться к новым условиям. Некоторые беспозвоночные и другие водные животные исчезают с одновременным появлением обилия мошек. Многие перелетные птицы лишаются привычных мест гнездования. |
| 6. Атомные электростанции. Принцип работы АЭС Принцип работы атомной электростанции основан на действии ядерного (иногда называемого атомным) реактора – специальной объёмной конструкции, в которой происходит реакция расщепления атомов с выделением энергии. Существуют различные виды ядерных реакторов: 1. PHWR (также имеет название «pressurised heavy water reactor» — «тяжеловодный ядерный реактор»), используемый преимущественно на территории Канады и в городах Индии. В его основе используется вода, формула которой — D2O. Она выполняет функцию как теплоносителя, так и замедлителя нейтронов. Коэффициент полезного действия близится к 29%; 2. ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). В настоящее время ВВЭР эксплуатируют только в СНГ, в частности, модель ВВЭР-100. Реактор имеет КПД равный 33%; 3. GCR, AGR (графитоводный). Жидкость, содержащаяся в таком реакторе, выступает в роли теплоносителя. В данной конструкции замедлитель нейтронов — графит, отсюда и название. КПД составляет около 40%. По принципу устройства реакторы также делят на: · PWR (pressurised water reactor) – устроен так, что вода, находящаяся под определенным давлением, замедляет реакции и подает тепло; · BWR (сконструирован таким образом, что пар и вода находятся в главной части устройства, не имея водяного контура); · РБМК (канальный реактор, имеющий особенно большую мощность); · БН (система работает за счет быстрого обмена нейтронами). Типичная атомная электростанция состоит из блоков, внутри каждого из которых размещены различные технические приспособления. Самый значимый из таких блоков – комплекс с реакторным залом, обеспечивающий работоспособность всей АЭС. Он состоит из следующих устройств: · реактора; · бассейна (именно в нем хранят ядерное топливо); · машины, перегружающие топливо; · БЩУ (щит управления в блоках, с помощью него за процессом деления ядра могут наблюдать операторы). Принцип работы АЭС На всех без исключения АЭС существует 3 этапа преобразования электрической энергии: · ядерная с переходом в тепловую; · тепловая, переходящая в механическую; · механическая, преобразовывающаяся в электрическую. Защитные механизмы АЭС Все атомные электростанции в обязательном порядке оснащаются комплексными системами безопасности, например: · локализующие – ограничивают распространение вредоносных веществ в случае аварии, повлекшей выброс радиации; · обеспечивающие – подают определённое количество энергии для стабильной работы систем; · управляющие – служат для того, чтобы все защитные системы функционировали нормально. Основные проблемы ядерной энергетики С развитием ядерной энергетики связана одна существенная экологическая проблема. Это так называемое тепловое загрязнение окружающей среды. Так, по мнению многих экспертов, АЭС выделяют больше тепла, нежели такие же по мощности тепловые электростанции. Особо опасно тепловое загрязнение вод, которое нарушает природные условия жизни биологических организмов и приводит к гибели многих видов рыб. Другая острая проблема, связанная с атомной энергетикой, касается ядерной безопасности в целом. Впервые человечество всерьез задумалось об этой проблеме после Чернобыльской катастрофы 1986 года. Принцип работы Чернобыльской АЭС мало чем отличался от такового других атомных электростанций. Однако это не спасло её от крупной и серьезной аварии, повлекшей за собой очень серьезные последствия для всей Восточной Европы. Преимущества атомной энергетики Тем не менее сторонники развития ядерной энергетики называют и явные преимущества работы атомных электростанций. Так, в частности, Всемирная ядерная ассоциация недавно опубликовала свой отчет с весьма интересными данными. Согласно ему, количество человеческих жертв, сопровождающих производство одного гигаватта электроэнергии на АЭС, в 43 раза меньше, чем на традиционных тепловых электростанциях. Есть и другие, не менее важные, преимущества. А именно: дешевизна производства электроэнергии; экологическая чистота атомной энергетики (за исключением лишь теплового загрязнения вод); отсутствие строгой географической привязки атомных электростанций к крупным источникам топлива. |
| 7. Солнечные электростанции. Солнечные электростанции, сокращенно СЭС – специальные сооружение, которые преобразуют энергию солнца в электричество. Преобразователи различаются по строению и принципу работы. Преобразование солнечной энергии происходит с помощью оптических элементов, которые отражают лучи и концентрируют их на специальный приемник, наполненный водой или маслом. При повышении температуры жидкость нагревается, выделяя пар или повышая температуру маслянистого теплоносителя. Воздушные массы запускают генератор, который вырабатывает электроэнергию. В противном случае коэффициент полезного действия станций сводился бы к минимуму. Вогнутая конструкция зеркал с отражающим покрытием обеспечивает максимальный сбор солнечной энергии. Для бесперебойной работы некоторые конструкции оснащены мощными аккумуляторами, так как в ночное время станции не вырабатывают энергию. Главным преимуществом данных конструкций является сохранение экологического покоя окружающей среды и постоянно возобновляемый источник солнечной энергии. Солнечные станции предназначены для тепловых, бытовых, промышленных нужд. Виды и принцип работы: СЭС электростанция Современные СЭС конструктивно отличаются друг от друга, хотя технологический процесс выработки энергии одинаков. Виды СЭС: · Башенные конструкции; · Тарельчатые электростанции; · СЭС на параболоцилиндрических концентраторах; · Солнечные станции с фотоэлементами или солнечные генераторы; · Вакуумные электростанции. Единственным минусом являются большие площади занимаемой конструкцией и не возможность выработки энергии в ночное время. Принцип работы тарельчатых станций аналогичен башенной СЭС. Разница заключается в конструкции. В данном варианте используют отдельные модули из зеркал, включающие отражатель и приемник с жидкостью. Приемник соединен с генератором пара, который вырабатывает электричество. Одного модуля будет достаточно для небольшого частного дома. В промышленных масштабах используют сотни приборов. Как работает солнечная электростанция Теплоэлектростанция на параболоцилиндрических концентраторах работает по иному принципу. На железную опору установлены параболоцилиндрические зеркала, сконцентрированные на максимальный прием солнечных лучей. В их фокусе расположена светопоглощающая трубка, в которой циркулирует масляный носитель, поступающий в теплообменник с водой. Жидкость быстро нагревается, превращаясь в пар, который вращает турбогенератор. Вакуумные СЭС используют энергию потоков воздуха, за счет разных температур. Конструкция состоит: · Из высокой башни; · Встроенной турбиной с электрогенератором; · Участком земли, накрытым зеркалами. Плюсы солнечных электростанций: · Солнечная энергия постоянно возобновляется; · СЭС не причиняет вред окружающей среде; · Независимость от центральной подачи электричества; · Полная автономность системы; · Длительный срок эксплуатации; · Бесплатный энергетический ресурс. |
| 8. Ветровые электростанции. Основой конструкции для выработки электроэнергии из ветра является установленный на мачте генератор. УСТРОЙСТВО ВЕТРОГЕНЕРАТОРА Конструкция ветряной электростанции включает в себя следующие элементы: Генератор; Мачта; Лопасти; Анемометр; Аккумуляторные батареи; Устройство АВР (автоматическое включение резерва); Трансформатор. КАК РАБОТАЕТ ВЕТРЯНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ? Принцип работы ветряной электростанции основан преобразовании энергии ветра во вращательное движение турбины. Это происходит при помощи лопастей (ротора). Ветер следует контуру лопасти, приводя их во вращение. Современные ветровые электрические станции имеют три лопасти. Их длина может достигать 56 метров. Скорость вращения в пределах 12-24 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения используют редукторы. Мощность современных ветрогенераторов может достигать 750кВт. Конструкция ветроэлектростанции может работать при скорости ветра 4 метра в секунду. При достижении скорости ветра 25 метров в секунду ветровые электростанции принцип работы, которых основан на использовании энергии ветра автоматически выключаются. Бесконтрольное вращение лопастей при сильном ветре является одной из причин аварий и разрушения ветряка. Трансформатор преобразовывает напряжение до величин необходимых для транспортировки электроэнергии к потребителю по проводам линии электропередачи. Обычно трансформаторы устанавливают у основания мачты УСТАНОВКА ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ Одним из необходимых условий для полноценной работы устройства является выбор подходящего места для его размещения. В идеале это должна быть возвышенность с высокой скоростью ветра при низкой турбулентности. Несмотря на то, что ветрогенераторы являются перспективным способом выработки электроэнергии, существует множество проблем, связанных с их эксплуатацией. В частности, в странах Европы, где активно внедряется ветроэнергетика многие люди жалуются на дискомфорт, вызываемый близким соседством с ветряками. |
9. Номинальные напряжения и схемы разомкнутых распределительных сетей.
Номинальным напряжением Uн источников и приемников электроэнергии (генераторов, трансформаторов) называется такое напряжение, на которое они рассчитаны в условиях нормальной работы.
Номинальные напряжения электрических сетей и присоединяемых к ним источников и приемников электрической энергии устанавливаются ГОСТом.
Шкала номинальных напряжений для сетей переменного тока частотой 50 Гц междуфазное напряжение должно быть 12, 24, 36, 42, 127, 220, 380 В; 3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ, для сетей постоянного тока -12, 24, 36, 48, 60, 110, 220, 440, 660, 3000 В.
Для электрических сетей трехфазного переменного тока напряжением до 1 кВ и присоединенным к ним источников и приемников электроэнергии ГОСТ 721-78 устанавливает следующие значения номинальных напряжений:
Сети и приемники - 380/220 В; 660/380 В
Источники - 400/230 В; 690/400 В.
Номинальное напряжение генераторов с целью компенсации потери напряжения в питаемой ими сети принимается на 5% больше номинального напряжения этой сети (см. табл. 1).
Таблица 1.1. Номинальные напряжения трехфазного тока, кВ
|
СХЕМА ПЕТЛЕВОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Рис 8-5. Схема петлевой распределительной сети высокого напряжения.
Петлевая распределительная сеть, представленная на рис. 8-5, работает разомкнуто (перемычка а—б в конце сети нормально разомкнута); каждая магистральная линия питается от ИП независимо. Если повреждается какой-либо участок одной из линий, то от релейной защиты отключается выключатель, установленный в начале линии, и питание всех потребителей, присоединенных к этой линии, нарушается. После нахождения места аварии поврежденный участок отключают разъединителями и, замкнув перемычку а—б, восстанавливают питание подстанций. В самом тяжелом случае, когда повреждение произошло на первом участке от ИП, вся нагрузка сети переходит на питание по одной линии; чтобы линия могла выдержать такую увеличенную нагрузку, необходимо делать поверочный расчет сети на нагрев по аварийному режиму, допуская при этом потерю напряжения, разрешаемую для аварийного режима.
Размыкание петли для нормального режима необходимо делать на подстанции, совпадающей с точкой токораздела, так как при этом потери электроэнергии будут наименьшими.
Количество трансформаторных подстанций, присоединяемых к одной петле сетей напряжением 6—10 кВ, не должно быть более 10—12 (т. е. 5—6 подстанций на линию).
Повышению надежности электроснабжения потребителей способствует применение автоматизированных разомкнутых схем сетей с резервированием на стороне ВН или НН. Таковы, в частности, двухлучевая и многолучевая схемы, нашедшие практическое применение в сетях Москвы и других городов России.
Наружные сети могут выполнятся голыми проводами, подвешенными на опорах (воздушные линии), а также специальными кабелями проложенными в блоках (подземные линии), траншеях, коллекторах.
Внутренние сети прокладывают внутри зданий с помощью изолированных проводов (провод с изоляцией), кабелей, шин (токопроводов).
ее гибкость.
Рис. 1.1. Конструкции токопроводящих жил:
а – однопроволочные; б – многопроволочные
а б
По форме токопроводящие жилы подразделяют на круглые, секторные и сегментные (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Формы токопроводящих жил: а – круглые; б – секторные;
в – сегментные; E 1, E 2 – напряженность электрического поля на жиле и ребре сектора
а б в
Кабель с секторными жилами имеет меньший диаметр, чем кабель с круглыми жилами при том же сечении токопроводящих жил. Однако на ребрах сектора напряженность электрического поля E 2 выше, чем на поверхности круглой жилы E 1, поэтому сектор можно применить