Лекція "Загальні поняття про електроустановки. Короткі відомості про електростанції"

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ ФАХОВИЙ КОЛЕДЖ ТРАНСПОРТНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Опис лекції

«ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ ПРО ЕЛЕКТРОУСТАНОВКИ. КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО  ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ»

з навчальної дисципліни

ЕЛЕКТРИЧНІ СТАНЦІЇ ТА ПІДСТАНЦІЇ

Розробив викладач:

Сухих С.Ю.  

м. Одеса

2022 р.

Лекція 1

 ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ ПРО ЕЛЕКТРОУСТАНОВКИ. КОРОТКІ ВІДОМОСТІ ПРО  ЕЛЕКТРОСТАНЦІЇ

План лекції

1.1 Загальні поняття про електроустановки

1.2 Категорії споживачів електроенергії.

1.3 Джерела електричної енергії

1.1 Загальні поняття про електроустановки

Комплекс взаємозалежного встаткування  та споруджень, призначений для виробництва або перетворення, передачі, розподілу або споживання електричної енергії – електроустановка (ЕУ).

Відповідно до  Правил улаштування електроустановок (ПУЕ) уведених в наказом Міністерством енергетики та вугільно промисловості України від 21 липня 2017 року № 476 ЕУ розділяють на низьковольтні напругою до 1 кВ та високовольтні – вище 1 кВ.

Електростанція – ЕУ призначена для виробництва електричної енергії, складається з будівельної частини, обладнання для перетворення різних видів енергії в електричну або теплову, допоміжного обладнання та електричних розподільчих пристроїв.

Розподільчий пристрій (РП) - ЕУ, що служить для прийому та розподілу електроенергії та має комутаційні апарати, збірні та з‘єднувальні  шини, допоміжні пристрої, пристрої релейного захисту та автоматики (РЗА) , телемеханіки (ТМ), зв'язку, та вимірювань

Електрична мережа - сукупність електроустановок для передачі та розподілу електричної енергії, що складається з підстанцій, РП, струмопроводів, повітряних та кабельних ліній електропередачі та приймачів (споживачів) електричної енергії, розміщених на певній території (району, населеного пункту)

Районні мережі -  мережі, що зв'язують електростанції із районними підстанціями, виконуються напругою 35 кВ та вище

Розподільні мережі – мережі, призначені для живлення трансформаторних підстанцій та окремих споживачів, виконуються напругою нижче 35 кВ

Лінія електропередачі (ЛЕП) – електрична лінія, що виходить за межі електростанції або підстанції та призначена для передачі електричної енергії

Повітряна лінія електропередачі (ПЛ) – пристрій для передачі та розподілу електроенергії з проводів, що розташовані на відкритому повітрі та прикріплений за допомогою ізоляторів та арматури до опор або кронштейнам, стійках на будівлях та інженерних спорудах (мостах, шляхопроводах).

Кабельна лінія електропередачі (КЛ) – лінія для передачі електроенергії або окремих її імпульсів, що складається з одного або кількох паралельних кабелів зі з‘єднувальними, стопорними та кінцевими муфтами та кріпильними деталями

Приймач електричної енергії (електроприймач) – пристрій, у якому відбувається перетворення електричної енергії в інший вид енергії для її використання.(електричні двигуни, освітлювальні прилади з різними лампами електротехнологічне устаткування , зварювальні машини й апарати, електричні печі, електропобутові прилади електромедичні прилади й апарати).

Споживач електричної енергії – підприємство, організація, установа, територіально відособлений цех, будівельний майданчик, квартира, у яких приймачі електричної енергії приєднані до електричної мережі та використають електричну енергію.

1.2 Категорії споживачів електроенергії.

Ступінь надійності електропостачання споживачів визначається категорією його електроприймачів. ПУЕ розділяють електроприймачі на три категорії.

Електроприймачі І категорії – споживачі, перерва електропостачання яких може викликати небезпеку для життя людей, пошкодження дорогоцінного обладнання, розлад складного технологічного процесу, порушення функціонування особливо важливих елементів комунального господарства.

Зі складу споживачів І категорії виділена особлива група споживачів, безперебійна робота яких необхідна для безаварійної роботи виробництва з метою запобігання загрози життю людей, вибухів, пожежі та пошкодження дорогоцінного обладнання.

Споживачі І категорії повинні забезпечуватись електроенергією від двох незалежних взаєморезервуючих джерел живлення. Перерва їх електропостачання при  аварії  на  одному  з  джерел  живлення  може  бути допущена тільки на час автоматичного переключення живлення на інше джерело.

Для електропостачання особливої групи споживачі в І категорії передбачається додаткове живлення від третього незалежного джерела живлення.

Незалежне джерело живлення – джерело живлення, на якому зберігається напруга в межах, регламентованих для після аварійного режиму, при зникненні його на інших джерелах живлення цих споживачів.

Електроприймачі ІІ категорії – споживачі, перерва електропостачання яких може викликати масовий недовипуск продукції, масовий простій робітників, механізмів, порушення нормальної діяльності значної кількості міських та сільських мешканців.

Споживачі ІІ категорії забезпечуються електроенергією від двох незалежних джерел живлення. Для споживачів ІІ категорії при порушенні електропостачання від одного з джерел живлення припустимі порушення електропостачання на час, необхідний для вмикання резервного живлення діями чергового персоналу чи виїзною оперативною бригадою.

Електроприймачі ІІІ категорії – споживачі, які не ввійшли до І та ІІ категорії. Для електропостачання споживачів ІІІ категорії досить одного джерела живлення, при умові, що перерва електропостачання необхідна для ремонту чи заміни пошкодженого елемента системи електропостачання, не перевищує однієї доби.

1.3 Джерела електричної енергії

Джерелом електричної енергії для живлення різних струмоприймачів у виробництві й побуті є електричні генератори, встановлені на електростанціях.

Типи електростанцій визначаються джерелами енергії, що використовуються для їх роботи.

Всі електростанції класифікують за наступними ознаками:

А) За районом обслуговування:

• районні (для електропостачання електроенергією великого економічного району);
• місцеві (для забезпечення електроенергією 1 або декілька споживачів);
• пересувні (при ремонтно-відновлювальних роботах, для тимчасового електропостачання споживачів до їх підключення до постійного джерела живлення);
• сонячні.

Б) За видом енергії, що переробляється:

•                     атомні (використовують енергію ядерних реакцій);
•                     теплові (енергія гарячої води);
•                     гідравлічні (потік падаючої води);
•                     вітрові (енергія вітру).

В) За родом первинного двигуна:

• газотурбінні (спеціальне газоподібне та рідке палив);
• паротурбінні;
• з МГД  генераторами (теплова енергія перетворюється відразу в електричну, без перетворення в механічну);
• дизельні (використовують в якості стаціонарних резервних джерел електроенергії та пересувних).

Г) За типом турбін

•                     конденсаційні (працюють на пару);
•                     теплоелектроцентралі (на пару та гарячій воді);
•                     геотермальні (на підземних термальних водах 1700 С^О на глибині 200-500 м);
•                     гідроакумулюючі (працює в насосному режимі, перекачуючи воду по трубопроводам з нижнього водосховища у верхнє, запасаючи воду, швидко розвиває потужність та віддає її в енергосистему).

Д) За конструкцією гідро пристроїв

•                     гребельні (напір води до 30м створюється греблею, яка перегороджує русло ріки, ГЕС розміщують в основі греблі);
•                     приплотинні (при напорі води більше30-40м, будівлю розташовують нижче греблі);
•                     дериваційні (на гірських ріках, необхідний напір води створюється шляхом використання значних природних ухилів рік);
•                     приливні (морські приливи та відливи).

Основний вид електростанцій в Україні – великі районні електростанції, які постачають електричну енергію населеним пунктам і підприємствам, віддаленим на сотні кілометрів.

Теплові електричні станції (ТЕС) – це паротурбінні електростанції, які по типу турбіни поділяються на конденсаційні (КЕС) та теплоелектроцентралі (ТЕЦ).

Теплові конденсаційні електричні станції перетворюють енергію органічного палива спочатку на теплоту, механічну енергію, а потім електричну енергію. Механічну енергію впорядкованого обертання валу одержують за допомогою теплових двигунів, що перетворюють енергію неврегульованого руху молекул пари або газу.

Процес виробництва електроенергії на КЕС здійснюється таким чином: зі складу палива вугілля подається у спеціальні пристрої де воно перетворюється в пил. Вугільний пил потім згоряє в топці котла, створюючи смолоскип з високою температурою. Пар з котла під високим тиском та з великою температурою подається у турбіну та призводить до руху її вал, який муфтою з'єднаний з валом ротора генератора. З генератора електроенергія надходить на підвищувальну підстанцію, де напруга збільшується за допомогою трансформатора, та по високовольтним лініям передається споживачам та в енергосистему.

КЕС будують поблизу місць видобування палива, транспортування якого на значні відстані є економічно невигідним. Важливою умовою, яка визначає місце будівництва потужної КЕС, є наявність джерела водопостачання.

Теплоелектроцентралі (ТЕЦ) – паротурбінні теплофікаційні електростанції, які призначені для забезпечення споживачів електричною та тепловою енергією у вигляді пари та гарячої води. Теплофікаційні турбіни мають кілька ступенів відбирання пари для теплофікації. Частина пари надходить безпосередньо на виробництво, а інша – у водонагрівач, через який вода теплової мережі подається в опалювальні системи та для побутових  потреб. Комбіноване виробництво на ТЕЦ теплової та електричної енергії дозволяє економити 15-20% палива в порівнянні з КЕС.

Гідравлічні електричні станції (ГЕС). Потужність потоку води, що протікає через певну перепону — створ, визначається витратою води, висотою між рівнем води у верхньому за течією басейні (верхньому б'єфі) і рівнем води в нижньому за течією басейні (нижньому б'єфі) в місці спорудження дамби. Різниця рівнів верхнього і нижнього басейнів називається напором. У двигунах ГЕС можна використати тільки частину потужності потоку води в створі через неминучі втрати потужності в гідротехнічних спорудах, турбінах і генераторах, що враховуються коефіцієнтом корисної дії. Напір збільшують на рівнинних річках за допомогою дамби, а в гірських місцевостях будують спеціальні обвідні канали, що називаються дериваційними. У гідравлічних турбінах перетворюється енергія води на механічну енергію обертання вала турбіни.

Атомні електростанції (АЕС). На АЕС енергія, що одержується внаслідок поділу ядер урану на осколки, перетворюється на теплову енергію пари або газу, потім на електричну енергію. Поділ ядер урану відбувається під час бомбардування їх нейтронами, внаслідок чого з'являються осколки ядер, неоднакові за масою, нейтрони та інші продукти поділу, які розлітаються в різні боки з величезними швидкостями і мають велику кінетичну енергію. Одержана під час поділу ядер енергія майже повністю перетворюється на теплоту. Установка, в якій відбувається керована ланцюгова реакція поділу, називається ядерним реактором. В АЕС теплота, що одержується за допомогою керованої ядерної реакції поділу.

Сонячна електроенергетика. Електроенергію за рахунок використання сонячної енергії можна отримати в теплосилових установках, в яких тепло від згорання палива замінюється потоком концентрованого сонячного випромінювання.

Робочим тілом в колекторах є вода або водно-спиртовий розчин у зимовий період. Ефективність використання падаючого на приймач випромінювання становить від 20 до 35%, вироблена електроенергія становить від 10% до 30% ефективного падаючого випромінювання.

Принцип дії сонячних електростанцій полягає в наступному : поля розміщені на рівні землі дзеркал-геліостатів, що «слідкують» за сонцем, відбивають сонячні промені на приймач-ресирвер, встановлений на досить великій вежі.

Ресивер — це сонячний котел, в якому виробляється водяна пара середніх параметрів, спрямована потім в стандартну парову турбіну.

Щоб можна було виробляти електричну енергію в нічний час та в періоди зменшення сонячної радіації, користуються звичайним паливним котлом, що дає змогу турбіні працювати в різних режимах.

Вітроенергетика. Вітрове колесо, розміщене в потоці повітря, може у кращому випадку теоретично перетворювати потужність на його валу 16/27 = 0,59 (критерій Бетца) потужності потоку повітря, що проходить через площу перерізу, охоплювану вітровим колесом. Наприклад: вітрове колесо з довжиною лопаті 10 м за швидкості вітру 10 м/с у найкращому випадку може мати потужність на валу 85 кВт.

Основними елементами вітроенергетичних установок є вітроприймальний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором передачі крутильного моменту утворює вітродвигун. Завдяки спеціальній конфігурації вітроприймального пристрою в повітряному потоці виникають несиметричні сили, що створюють крутильний момент.

Геотермальна енергія. Поверхня Землі складається із 12 окремих тектонічних плит, величезних платформ земної кори, які постійно дуже повільно рухаються.

Геотермальний резервуар є насправді масою породи, що розтріскалася в земній корі й насичена гарячою водою чи парою, при цьому перший тип є найбільш поширеним. Щоб добути воду чи пару на поверхню, в резервуарі бурять свердловини. Розміри резервуарів — від кількох тисяч кубічних метрів до кількох кубічних кілометрів. Якщо вода достатньо гаряча, вона підіймається на поверхню природним шляхом, при більш низькій температурі може знадобитися насос.

Експлуатація геотермальних джерел базується на попередньому геологічному дослідженні, щоб уникнути значного фінансового ризику за умови подальших капітальних витрат.

Отже, для того, щоб визначити, чи має певна місцевість потенціал постачання геотермальної теплоти для промислових та побутових потреб, потрібен попередній пошук, що є ризикованим, але необхідним. Ця особливість є однією з головних відмінностей геотермальної енергії від інших поновлюваних джерел енергії.

На станціях використовуються геотермальні води з температурою, вищою за 190°С. Вода, яка природним чином підіймається вгору по свердловині, подається в сепаратор, де частина її кипить та перетворюється на пару. Пара використовується для одержання електроенергії.

Магнітогідродинамічне перетворення енергії. До одного з центральних фізико-технічних завдань енергетики належить створення магнітогідродинамічних генераторів (МГД-генераторів), що безпосередньо перетворюють теплову енергію на електричну. Можливість практичної реалізації такого роду перетворення енергії в широких промислових масштабах з'являється завдяки успіхам в атомній фізиці, фізиці плазми, металургії і низці інших галузей.

Безпосереднє перетворення теплової енергії на електричну дозволяє суттєво підвищити ефективність використання паливних ресурсів.

Перший магнітогідродинамічний генератор струму був випробуваний ще 1832 року англійським фізиком М.Фарадеєм, який намагався виявити виникнення електрорушійної сили (ЕРС) між двома електродами, що були опущені в воду річки Темзи поблизу моста Ватерлоо в Лондоні. Згідно із відкритим Фарадеєм законом електромагнітної індукції, переміщення провідника (в даному випадку солонуватої води з річки) в магнітному полі Землі мало супроводжуватися виникненням ЕРС і електричного струму в провідниках, що з'єднували електроди. А згідно із законом електромагнітної індукції сила струму в провідниках пропорційна індукції магнітного поля Землі і швидкості течії води в річці. Вимірювальна техніка, якою володів Фарадей, не дозволила йому виявити ефект, на який він очікував, але у даному експерименті було застосовано всі принципові елементи сучасного МГД-генератора струму: провідникову речовину, що рухається каналом, поперечне магнітне поле та струмознімальні електроди.

Ефект електромагнітної індукції використовується і в звичайних джерелах струму — електромашинних генераторах, де поперек магнітного поля рухаються жорсткі провідники, розміщені на роторі, що обертається. На відміну від них, в МГД-генераторі жорсткі провідники замінено провідниковою рідиною або газом. Які переваги при цьому виникають? Ротор електромашинного генератора обертає парова турбіна або інший тепловий двигун, в якому теплова енергія перетворюється в механічну. МГД-генератор дозволяє безпосередньо перетворювати теплову енергію на електричну без проміжних складних пристроїв типу парової турбіни або двигуна внутрішнього згорання.

В цій схемі між металевими пластинами, розташованими в сильному магнітному полі, пропускається струмінь іонізованого газу, який має кінетичну енергію руху частинок. При цьому відповідно з законом електромагнітної індукції з'являється ЕРС, що створює протікання струму між електродами всередині каналу генератора і в зовнішньому колі. Потік іонізованого газу — плазма — гальмується під дією електродинамічних сил, що виникають при взаємодії струму, який тече в плазмі, та магнітного потоку. Можна провести аналогію між силами, що виникають, і силами гальмування, що діють з боку робочих лопатей парових і газових турбін на частинки пару або газу. Перетворення енергії і відбувається шляхом удосконалення роботи з подолання сил гальмування.

Донедавна було відомо три стана речовини: твердий, рідкий та газоподібний. Газ вважався електрично нейтральним, бо атоми і складені з них молекули є нейтральними. Заряд електронів в атомах повністю врівноважується зарядом ядра. При нагріванні газу в результаті інтенсивних співударів атомів відбувається вибивання зовнішніх електронів. Якщо відділити всі електрони від ядер, то речовина перебуватиме в четвертому стані, що називається плазмою. Хоча плазма має високу електропровідність, її значно збільшують додаванням деяких лугових металів, які легко іонізуються (калій, натрій тощо).

Якщо який-небудь газ нагріти до високої температури (приблизно 3000°С), збільшивши тим самим його внутрішню енергію і перетворивши його на електропровідну плазму, то при наступному розширенні плазми в робочих каналах МГД-генератора відбудеться пряме перетворення теплової енергії на електричну.

В камеру згорання для отримання високих температур подається паливо, повітря і присадки для збільшення іонізації плазми. Після проходження сопла (звуженої частини конструкції) відбувається розширення плазми, збільшення швидкості її руху і утворення ЕРС між електродами. Продукти згорання являють собою потік теплової енергії, їх можна бути використати для паросилового пристрою.

Для роботи МГД-генератора необхідно створювати сильне магнітне поле, яке можна отримати пропусканням величезних струмів по обмотках. Щоб виключити сильне нагрівання обмоток і втрати енергії в них, опір провідників має бути як найменшим. Для цього в ролі таких провідників доцільно використовувати надпровідні матеріали.

Перспективні МГД-генератори з ядерними реакторами, які використовуються для нагрівання газів і їх термічної іонізації.

Труднощі створення МГД-генератора з ядерним реактором полягають в тому, що сучасні елементи які виділяють тепло та вміщують уран і вкриті оксидом магнію, витримують температуру близько 600°С, а для іонізації газів необхідна температура близько 2000°С. Перші експериментальні конструкції МГД -генераторів мають поки що високу вартість. В майбутньому можна очікувати суттєвого зниження їхньої вартості, що дозволить успішно використати МГД-генератори для покриття піків навантаження в енергосистемах, тобто в режимах відносно недовгочасної роботи. В цих режимах ККД не має вирішального значення, і МГД-генератори можна використовувати і без паросилового пристрою.

Нині в світі споруджено потужні дослідно-промислові зразки МГД-перетворювачів енергії, на яких ведуться дослідження щодо удосконалення їх конструкцій і створення ефективних МГД-електростанцій, які зможуть конкурувати із звичайними електростанціями.

Для підвищення надійності електро- та теплопостачання споживачів електростанції об'єднуються на паралельну роботу в енергосистеми.

Контрольні завдання:

1.                   Охарактеризуйте джерела  електричної енергії
2.                   Проаналізуйте класифікацію електростанцій
3.                   Дайте визначення  : «електроустановка», «електростанція», «розподільчий пристрій», «незалежне джерело живлення», «електрична мережа», «КЛ», «ПЛ»,»ЛЕП»
4.                   Вкажіть особливості категорій електроприймачів
5.                   Порівняйте між собою різні типи електростанцій
6.                   Порівняйте нетрадиційні джерела отримання електроенергії