Виробництво електричної енергії

Джерела електроенергії - це пристрої, в яких теплова, хімічна, механічна, ядерна та інші види енергії перетворюються на електричну. До них можна зарахувати електростанції з електричними генераторами, гальванічні елементи, акумулятори, сонячні батареї тощо.

Приймачі електроенергії - це пристрої, у яких електроенергія перетворюється на інші види енергії: механічну, теплову, хімічну, акустичну тощо. Джерела і приймачі електроенергії з’єднують пристроями для передавання та перетворення параметрів струму та напруги, до яких належать: лінії електропередавання, трансформа­тори, випрямлячі (перетворюють змінний струм на постійний), інвертори (перетворюють постійний струм на змінний), перетво­рювачі частоти електричного струму тощо.

Основним постачальником електричної енергії для потреб народного господарства є електричні станції — підприємства, де здійснюється перетворення різних видів енергії на електричну. Серед видів енергії, що перетворюються на електричних станціях, є хімічна енергія органічних палив, кінетична і потенціальна енергія мас води, енергія вітру та сонячного випромінювання, атомна енергія тощо. Усі види енергоносіїв, енергія яких перетворюється на електроенергію, називають енергоресурсами. Енергоресурси поділя­ють на традиційні (серед яких вугілля, природний газ, нафта, інші горючі корисні копалини, енергія мас води, атомна енергія) і нетради­ційні (геотермальна енергія, енергія вітру, енергія малих річок, сонячна енергія, енергія припливів та відпливів океану, енергія біомас тощо).

Сукупність електричних станцій, ліній електропередавання, підстан­цій та установок електроспоживачів утворює електроенергетичну систему.

На сьогоднішньому рівні розвитку техніки основні обсяги електро­енергії виробляються такими традиційними електричними станціями:

• тепловими (ТЕС), до яких належать паротурбінні (конден­саційні - КЕС та теплофікаційні - ТЕЦ (електроцентралі)) і газотурбінні (ГТЕС);

• гідравлічними (ГЕС) та гідроакумулюючими (ГАЕС);

• атомними станціями (АС).

Велику надію покладають на використання нетрадиційних джерел енергії, до яких можна зарахувати такі, що безпосередньо перетворюють тепло, хімічну і ядерну енергію на електричну: магніто­гідродинамічні установки, реактори-розмножувачі на швидких нейтро­нах, реактори термоядерного синтезу, термоелектричні генератори, термоемісійні генератори, електрохімічні генератори тощо.

З метою обмеження використання запасів органічних палив останнім часом поширюється використання поновлюваних енергоресурсів: енергія підземних гарячих джерел води, енергія припливів і відпливів світового океану, енергія Сонця, енергія вітру, енергія газу, генерованого у біоенергетичних установках тощо.

Станом на кінець XX - початок XXI століття в Україні працюють 44 потужні теплові електричні станції (ТЕС), 7 потужних гідравлічних електростанцій (ГЕС) та 5 атомних станцій (АЕС). Сумарна потужність та обсяги виробництва електроенергії цими станціями наведені у табл.

Теплові електричні станції. Технологічний процес на станції з вугільним паливом від­бувається за такою схемою: паливо, що надходить у вагонах, розвантажується і подається на вугільні млини; отриманий у млинах вугільний пил подається у котельний агрегат (котел), де вуглець окислюється киснем повітря (спалюється); отримана під час спалю­вання теплота нагріває і перетворює воду, що проходить по кип’я­тильних трубах у котлі, на пару; пара з температурою 400-650 °С і тиском від 3 до 30 МПа подається у турбіну, обертає її робоче колесо, а разом з ним і ротор генератора. У генераторі механічна енергія перетворюється на електричну, яка передається до електро- приймачів; з парової турбіни пара надходить у конденсатор, де охолоджується і конденсується, а далі помпою конденсату (ПК) та живильною помпою (ЖП) повторно подається у котел; розчинені у воді гази видаляються у деаераторі; продукти спалювання (пере­важно вуглекислий газ та зола) видаляються в атмосферу за допомогою вентилятора, а залишки у вигляді шлаку механічним чи гідравлічним способом видаляють з котла у спеціальні відвали. З метою повнішого використання енергії палива теплом димових газів

попередньо підігрівають воду, що подається у котел, та повітря, що бере участь у спалюванні палива (це відбувається у спеціальних пристроях - економайзерах).

На ТЕЦ на відміну від КЕС частину пари відбирають з турбіни і подають у системи опалювання або для інших технологічних потреб. Так ТЕЦ реалізує споживачам теплову і електричну енергію.

Гідроелектростанції. На ГЕС механічна енергія руху води перетворюється на електричну. Залежно від умов місцевості, де споруджується ГЕС, їх поділяють на гребельні, дериваційні та руслові. На гребельних станціях упоперек русла ріки споруджують греблю (рис. 1.2), за допомогою якої рівень води перед нею підвищується й утворює необхідний напір (різницю рівнів води до і після греблі).

У машинному відділенні ГЕС встановлені генератори, голов­ний пульт керування, гідравлічні турбіни та інше обладнання. Для пропуску зайвої води у греблі влаштовують спеціальні шлюзи. Вода з верхнього рівня надходить на лопаті гідравлічної турбіни, обер­таючи її робоче колесо. Тут кінетична енергія води перетворюється

на MexaK14HV енепгію nfiprrmRnrn nvxv icon pm Tvnfiivm Гїппя тпп

Ротор генератора з’єднаний з валом турбіни. У генераторі механічна енергія перетворюється на електричну, яка передається у електричну систему. Потужність турбіни вручну чи автоматично регулюють поворотом лопаток напрямного і робочого коліс.

На час ремонту доступ води у спіральну камеру перекривають засувками (це спеціальні щити - шандори, які піднімають чи опускають за допомогою кранових механізмів).

Потужність потоку води Р_п, що проходить через певну перепону - створ, залежить від витрати води Q_b(m /с), напору Н (м), густини води р (кг/м³) та коефіцієнта корисної дії г\ гідравлічних споруд, турбіни і генератора:

Р_п=9,81 p Qb-Н г] 1О'³ (кВт).

Гідроакумулювальна електростанція має оборотний гідро­агрегат, який може працювати у режимі генератора або у режимі двигуна, що обертає помпу. У час мінімального навантаження у системі помпою перекачують воду з нижньої водойми у верхню, нагромаджуючи (акумулюючи) її там. Таким способом створюється необхідний напір для роботи станції у часи найбільшого наванта­ження у системі.

Дериваційні ГЕС споруджують на річках переважно у гірській місцевості. У них вода з русла води (з верхнього рівня) подається до турбін спеціальними водоводами. Різниця рівнів між забиранням і скиданням використаної води становить необхідний напір для турбінної установки. Іноді на верхньому рівні ріки споруджують водосховища для створення необхідного запасу води. Такі станції за потужністю можна зарахувати до малих ГЕС.

Існують також мікроГЕС, потужність агрегатів яких не перевищує 50 кВт. Для їх роботи, як правило, не потрібна гребля, — їх занурюють у русло ріки і для обертання турбіни використовують кінетичну енергію водного потоку.

Атомні електростанції - це промислові підприємства, де атомну енергію перетворюють на електричну. Основною частиною атомної станції є атомний реактор (рис. 1.3).

У реактор завантажують ядерне паливо, що складається з урану-238, збагаченого до 5 % ураном-235. Під час розщеплення стрижні з карбідом бору. На час роботи реактора стрижні з карбідом бору підняті (вийняті з активної зони реактора). Опускаючи ці стрижні, ядерну реакцію можна сповільнювати або цілком припинити. Для захисту від випромінювання реактор поміщають у багатошарову захисну споруду з бетонними (товщина близько 3 м), водяними (товщина до 1 м) і чавунними (товщина до 0,25 м) стінками. Уранові стрижні замінюють новими після зменшення вмісту урану-235 до 4 %. Частина урану перетворюється у плутоній-239, який також застосо­вують як ядерне паливо.

Для безпечного догляду за паровою турбіною та генератором на атомних станціях застосовують двоконтурну теплову схему

Нагріта у атомному реакторі вода з високим тиском і темпе­ратурою подається у парогенератор, по трубах якого проходить вода другого контуру. Після парогенератора пара, не заражена радіо­активністю, подається у парову турбіну. Подальший цикл пере­творення енергії подібний до циклу на КЕС.

Коротке замикання 

Коротке замикання (КЗ) виникає в результаті неправильного з'єднання в електричному колі в результаті неправильних дій людини, дії природних факторів (в тому числі погоди, старіння матеріалів, корозії) або порушенняізоляції частин обладнання, що проводять струм і зовнішніх механічних пошкоджень в електричних дротах, монтажних дротах, обмотках двигунів і апаратів.

Причини. Ізоляція елементів, що проводять струм може пошкоджуватися під дією високої температури або полум'я (вогню), інфрачервоного випромінювання, переходу напруги зпервинної обмотки силового трансформатора на вторинну, при підвищених режимах навантаження (нагрів до високих температур, і як наслідок при охолодженні конденсується вода) тощо.

Параметри короткого замикання. Протікання по провіднику тривалого допустимого струму силою (І) пов’язано з виділенням тепла Q ( Дж), і кількісно визначається законом Джоуля-Ленца:

• I — сила тривалого припустимого струму, А;

• R — активний опір, Ом;

•  — час, с.

Час проходження струму короткого замикання не перевищує декількох секунд або навіть долі секунди і залежить від дії апаратів захисту (плавких запобіжників,автоматичних вимикачів тощо).

Дії короткого замикання. При проходженні струму короткого замикання сила якого перевищує допустимий струм, температура нагріву дроту різко підвищується і може досягнути небезпечних значень.

Сила струму короткого замикання може бути від одиниць до сотень кілоампер. Струми короткого замикання викликають термічну і електродинамічну дію і супроводжуються різким зниженням напруги в електромережі. Струми короткого замикання можуть перегріти частини, що проводять струм і розплавити дроти (температура до 20 000°С). В результаті виникає частковий або повний розлад електропостачання споживачів

Запобіжники

Запобі́жник  — пристрій для захисту електричних проводів і приладів від надмірного струму.

Якщо струм стає надмірним, дріт (або пластина) запобіжника розплавляється і розриває електричне коло. Механічні, гідравлічні, електричні. Запобіжники широко застосовуються у техніці.

Плавкі запобіжники призначені для захисту електроприймачів, проводів та кабелів від струмів короткого замикання. Основний робочий елемент запобіжника - плавка вставка, виготовлена із сплавів легкоплавких металів, що закріплена в корпусі запобіжника.

Номінальним струмом запобіжника називається найменший струм, на який розраховані його струмопровідні частини (патрон, контактні стойки). Цей струм дорівнює найбільшому із струмів плавких вставок, що призначені до встановлення на даному запобіжнику. Номінальним струмом плавкої вставки називається найбільший струм, при якому заводом–виробником гарантується робота плавкої вставки невизначений час без розплавлення. Номінальні струми вказуються заводом на корпусі запобіжника.

Плавкі вставки витримують струми на 30-50% більші номінальних струмів протягом 1 год і більше. При струмах, що перевищують номінальний струм на 60-100%, плавкі вставки плавляться за час менший 1 год. Найбільш розповсюджені запобіжники застосовуються для захисту електроустановок напругою до 1кВ: ПР-2 - запобіжник розбірний, НПН, ПН2- насипні запобіжники нерозбірні.

Основні типи запобіжників мають номінальні струми від 15 до 1000А, тобто вони задовольняють майже всі існуючі електроустановки (не рахуючи спеціальних) промислових підприємств.

По конструктивному виконанню запобіжники поділяються на дві групи: з наповнювачем, наприклад, ПН2, НПН2, ПП170 ПП18), які наповнені дрібнозернистим кварцевим піском і без наповнювача (наприклад ПР2).

Плавкі запобіжники поділяють на інерційні - з великою тепловою інерцією, тобто здатністю витримувати значні короткочасні перевантаження і безінерційні - з малою тепловою інерцією, тобто з обмеженою здатністю до перевантажень.

При розміщенні запобіжників в електричних мережах потрібно вибирати їх так, щоб забезпечити вибірковість (селективність) захисту, тобто при короткому замиканні на ділянці мережі повинна перегорати плавка вставка запобіжника тільки ділянки, що захищається, а на інші подається напруга в нормальному режимі. Це досягається тим, що номінальний струм кожної плавкої вставки, якщо слідувати в напрямку від споживача до джерела живлення, повинна бути більша попередньої на два ступеня стандартної плавкої вставки, при умові, що це не приведе до збільшення перерізу проводів.

Плавкі запобіжники мають переваги:

1. Прості в конструкції.

2. Недорогі.

Недоліки:

1. Не можуть захищати лінію від перевантажень, тому що не допускають довготривале перевантаження до моменту плавлення.

2. Не завжди забезпечують захист в зв’язку із-за окислення контактів, послаблення натиску і т.п.

3. При короткому замиканні в трифазній лінії можливе перегорання одного із запобіжників, в цьому випадку двигун включений на дві фази, що приводить до перегріву двигуна та виходу його з ладу.

Трансформатори

Трансформатор — пристрій для перетворення параметрів (амплітуд і фаз) напруг і струмів

Трансформатор — перетворювати) — статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивно зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або кількох систем (напруг) змінного струму в одну або декілька інших систем (напруг) змінного струму без зміни частоти системи (напруги) змінного струму.

Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. Передача електроенергіївідбувається з меншими втратами при високій напрузі й малій силі струму. Тому, зазвичай лінії електропередач є високовольтними. Водночас побутові й промислові машини вимагають великої сили струму й малої напруги, тому перед споживанням електроенергія перетворюється в низьковольтну. Трансформатори знайшли застосування також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

Коефіцієнт корисної дії сучасних трансформаторів, особливо підвищеної потужності, вельми високий і досягає значень 0,95…0996.

Будова й принцип дії. Найпростіший трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обмоток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. В ідеальному випадку

,

де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обмотки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обмотки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму.

Таким чином, перетворення напруги й сили струму в трансформаторів визначається кількістю витків у первинній та вторинній обмотках. Напруга пропорційна кількості витків, тоді як сила струму обернено пропорційна їй.

Витрати енергії. У реальних трансформаторах енергія не передається від первинного кола до вторинного без втрат. Існує низка фізичних причин, що їх зумовлюють.

Однією з причин втрат є активний опір обмоток. При протіканні струму через трансформатор, він нагрівається і віддає тепло оточенню. При високій частоті опір збільшується завдяки скін-ефекту та ефекту близькості, які зменшують площу перерізу провідника, через який протікає струм.

Ще одна причина втрат — перемагнічування осердя завдяки гістерезису. Ці втрати для конкретної речовини осердя пропорційні частоті й залежать від пікового потоку магнітного поля через осердя.

Інша причина втрат — струми Фуко. Змінне магнітне поле в осерді породжує змінне вихрове електричне поле, яке викликає додаткові вихрові струми, що теж призводять до нагрівання. Для зменшення струмів Фуко осердя виготовляють із тонких пластинок, оскільки втрати, пов'язані зі струмами Фуко, обернено квадратично залежать від товщини матеріалу.

Частина енергії втрачається на механічні коливання. Феромагнітний матеріал осердя розширюється і стискається у змінному магнітному полі завдяки явищумагнітострикції. Цим пояснюється гудіння трансформатора, що супроводжує його роботу. Додатково, первинна й вторинна обмотка притягаються й відштовхуються у змінному магнітному полі, змушуючи також коливатися і корпус трансформатора.

Магнітний потік, що виходить за межі осердя, сам по собі не призводить до втрати енергії, але він може призводити до появи вихрових струмів Фуко в металевих деталях корпусу й кріплення, що теж зумовлює невеликі втрати енергії.

Загалом, великі трансформатори мають коефіцієнт корисної дії, до 98%^[13]. Трансформатори з надпровідних матеріалів можуть збільшити цей коефіцієнт до 99,85%^[14].

Втрати у трансформаторах залежать від навантаження. Втрати без навантаження зумовлені в основному опором обмоток, тоді як причиною втрат при повному навантаженні зазвичай є гістерезис та вихрові струми. Втрати при відсутності навантаження можуть бути значними, тому навіть, якщо до вторинної обмотки нічого не підключено, трансформатори повинні задовольняти умовам економної роботи. Конструювання трансформаторів із малими втратами вимагає великого осердя, високоякісної електричної сталі, товстіших провідників, що збільшує початкові затрати, але окупається при експлуатації