Уроки 35-36. Виробництво, розподіл та споживання електроенергії.

 Принципова схема розподілу  електроенергії і передачі до споживача. 

Енергетична система (енергосистема) є сукупністю електростанцій, ліній електропередачі, підстанцій і теплових мереж, зв'язаних в одне ціле спільністю режиму і безперервністю процесу виробництва і розподілу електричної і теплової енергії. Частиною енергетичної системи є електрична система, що складається з генераторів, розподільних пристроїв, електричних мереж і електроприймачів. Електрична мережа - це сукупність підстанції, кабельних і повітряних ліній електропередачі. Електроустановки - це спеціальні електротехнічні пристрої, в яких проводиться, перетворюється, розподіляється і споживається електроенергія і, які діляться залежно від робочої напруги на електроустановки напругою до 1000 В і електроустановки напругою вище 1000В. Розподільним пристроєм (РП) є електроустановка, що слугує для прийому і розподілу електроенергії без перетворення і трансформації (на одній напрузі) і містить комутаційні апарати, пристрої захисту, автоматики і телемеханіки, вимірювальні прилади, збірні шини і допоміжне устаткування. Розподільні пристрої поділяються на відкриті (розташовані на відкритому повітрі) і закриті (у будівлі). У міських умовах в більшості випадків застосовуються закриті розподільні пристрої. Підстанція - це електроустановка, що слугує для перетворення і розподілу електричної енергії і складається з РП, силових трансформаторів або інших перетворювачів електроенергії і допоміжних пристроїв. 

Електричну енергію виробляють на електростанціях машини-генератори змінного і постійного струму. На теплових електростанціях генератори приводяться в дію паровими або газовими турбінами, на гідростанціях - гідротурбінами. Теплові електростанції розташовують поблизу джерел палива (вугілля, торф). Гідравлічні електростанції будують на річках, використовуючи натиск води. У містах розміщують теплоелектроцентралі (ТЕЦ), призначення яких, вироблення електричної енергії і постачання тепловою енергією прилеглих районів міста. Сучасні атомні електростанції (АЕС) по суті є тепловими, в яких котел замінений ядерним реактором і парогенератором. До електростанцій невеликої потужності відносяться дизельні електростанції, генератори яких приводяться в дію дизелями. Такі електростанції вмонтовують в невеликих міських селищах, в сільській місцевості, а також виконують пересувними (ПЕС) для потреб будівництва. Генератори електростанції виробляють електроенергію напругою 6, 10 або 15 кВ. При такій напрузі передавати електроенергію на велику відстань (більше 4-6 км) недоцільно, оскільки падіння напруги і втрати електроенергії в лініях перевищать допустимі норми. Справа в тому, що, проходячи по лініях електропередачі, струм нагріває їх. Відповідно до закону Джоуля — Ленца, енергія, що витрачається на нагрівання проводів лінії, визначається формулою: Q=I2Rt, де R — опір лінії.При великій довжині лінії передача енергії може стати взагалі економічно невигідною.Для зменшення втрат можна, звичайно, йти по шляху зменшення опору R лінії за допомогою збільшення площі поперечного перерізу проводів. Але для зменшення R, приміром, у 100 разів потрібно збільшити масу проводу також у 100 разів. Зрозуміло, що не можна допустити такої великої витрати дорогого кольорового металу, не говорячи вже про труднощі закріплення важких проводів на високих щоглах і т.п. Тому втрати енергії в лінії знижують іншим шляхом: зменшенням струму в лінії. Наприклад, зменшення струму в 10 разів зменшує кількість тепла, що виділився в провідниках, у 100 разів, тобто досягається той же ефект, що і від сторазового обваження проводу. 

Тому що потужність струму пропорційна добутку сили струму на напругу, то для збереження переданої потужності потрібно підвищити напругу в лінії передачі. Причому, чим довша лінія передачі, тим вигідніше використовувати більш високу напругу.

На електричних понижувальних підстанціях за межами міста напруга понижується до 110-35 кВ. На електричних понижувальних підстанціях, розташованих в межі міста, напруга знижується до 6-10 кВ. Понижувальна підстанція зазвичай складається з двох частин: відкритої частини напругою 110-35 кВ і закритої частини, в якій є розподільний пристрій напругою 6-10 кВ.Від трансформаторних підстанцій безпосередньо до споживачів відходять повітряні лінії або розподільні кабелі напругою до 1000 В. Ці кабелі прокладені до ввідних розподільних пристроїв (вводів) або розподільних щитів, що знаходяться в будівлях споживачів. Від вводів або розподільних щитів в будинках прокладені магістралі (стояки), від яких у свою чергу відходять відпаювання по квартирах. Центром живлення (ЦП) є розподільний пристрій генераторної напруги електростанції або розподільний пристрій вторинної напруги понижувальної підстанції енергосистеми, що має пристрій для регулювання напруги, до якої приєднані електричні мережі даного району. Міська електрична мережа - це електрична мережа, розташована на території даного міста і сукупність живлячих ліній від центрів живлення, розподільних пунктів і трансформаторних підстанцій, розподільних ліній напругою 6-10 кВ і до 1000 В і ввідних пристроїв у споживачів. Живлячі кабельні лінії можуть бути прокладені від центру живлення не тільки в розподільний пункт, де немає трансформаторів, але і в головні понижувальні підстанції заводів, де електроенергія розподіляється по розподільних кабельних лініях і перетворюється за допомогою силових трансформаторів в електроенергію напругою до 1000 В. В цьому випадку на головній понижувальній підстанції заводу встановлюють силові трансформатори і розподільний щит напругою до 1000 В від якого електроенергія по кабельних лініях передається безпосередньо в цехи і далі до електроприймачів. 

Залежно від виду використовуваних енергоносіїв сучасні електричні станції діляться на теплові, атомні, гідравлічні, вітряні, сонячні, геотермічні і ін. Найширше поширені теплові (ТЕС) і гідравлічні (ГЕС) станції.

Схема КЕС на вугіллі: 1 - градирня; 2 - циркуляційний насос; 3 - лінія електропередачі; 4 - підвищувальний трансформатор; 5 - турбогенератор; 6 - циліндр низького тиску парової турбіни; 7 - конденсаторний насос; 8 - поверхневий конденсатор; 9 - циліндр середнього тиску парової турбіни; 10 - стопорний клапан; 11 - циліндр високого тиску парової турбіни; 12 - деаератор; 13 - регенеративний підігрівач; 14 - транспортер паливоподачі; 15 - бункер вугілля; 16 - млин вугілля; 17 - барабан котлів; 18 - система шлаковидалення; 19 - пароперегрівач; 20 - дуттєвий вентилятор; 21 - проміжний пароперегрівач; 22 - повітрязабірник; 23 - економайзер; 24 - регенеративний повітряпідігрівач; 25 - фільтр; 26 - димосос; 27 - димар. 

Схема технологічного процесу теплової конденсаційної електростанції (КЕС) показана на малюнку Вона, зокрема, дає уявлення про власні потреби теплових   електростанцій,   що працюють   на   вугільному   пилу.Кускове вугілля через стрічкові транспортери і вугільні склади поступає в бункер, зважується на вагах для подальшого визначення питомих витрат умовного палива (на вироблений кіловат), а потім потрапляє в млин (куди підводиться гаряче повітря), де розмелюється і остаточно підсушується. Звідси вугільний пил виноситься в сепаратор, в якому звільняється від недостатньо розмолотих крупних частинок вугілля. Пилеповітряна суміш з сепаратора поступає в циклон, де відбувається відділення пилу від газів.Отримане таким чином пилоподібнепаливо подається живильниками пилу (шнеками)в пальники котельного агрегату, розпилюється і згорає в топці. У топку казана подаєтьсяпідігріте повітря.Випавші шлакивидаляються багернимнасосом, а зола, що знаходитьсяу відпрацьованихгазах в зваженомустані, уловлюєтьсяі віддаляється золоуловлювачем.   Для   створення тяги в топці і викиду відпрацьованих газів служать димосос і димар. 

ТЕЦ конструктивно влаштована як конденсаційна електростанція (КЕС). Головна відмінність ТЕЦ від КЕС полягає в можливості відібрати частину теплової енергії пари, після того, як він виробить електричну енергію. Залежно від вигляду парової турбіни, існують різні відбори пари, які дозволяють забирати з неї пару з різними параметрами. Турбіни ТЕЦ дозволяють регулювати кількість відібраної пари. Відібрана пара конденсується в мережевих підігрівачах і передає свою енергію мережевій воді, яка прямує на пікові водонагрівальні котельні і теплові пункти. На ТЕЦ є можливість перекривати теплові відбори пари, в цьому випадку ТЕЦ стає звичайною КЕС. Це дає можливість працювати ТЕЦ по двох графіках навантаження:тепловому - електричне навантаження сильно залежить від теплового навантаження (теплове навантаження - пріоритет)електричному - електричне навантаження не залежить від теплового, або теплове навантаження зовсім відсутнє, наприклад, в літній період (пріоритет - електричне навантаження). 

Атомні електростанції (АЕС) —електростанція, в якійатомна (ядерна) енергіяперетворюється в електричну. Генератором енергії на АЕС єатомний реактор. Тепло, яке виділяється в реакторі в результаті ланцюгової реакції ділення ядер деяких важких елементів, потім так само, як і на звичайнихтеплових електростанціях (ТЕС), перетвориться в електроенергію. На відміну від теплоелектростанцій, що працюють на органічному паливі, АЕС працює на ядерному пальному (в основному233 U, 235 U,239 Pu). Пристрій, в якому відбувається процес ділення ядер з виділенням теплоти, називають атомним реактором. На АЕС застосовують декілька видів реакторів: водоводяні енергетичні ВВЕР-440, ВВЕР-1000, РБМК-1500, а також на швидких нейтронах. 

Схема атомної електростанції показана на малюнку. 

1 - реактор, 2-проміжний теплообмінник, 3 - парогенератор, 4 - парова турбіна, 5 - турбогенератор, 6 - конденсатор, 7, 9 - живильний і реакторний насоси, 8 - насос проміжного теплоносія; І, ІІ, ІІІ, IV - приміщення ядерного реактора, проміжного теплообмінника, парогенератора і турбогенератора

Для регулювання швидкості процесу виділення теплоти (його уповільнення) в атомних реакторах застосовують графітові стрижні. Теплота, що виділяється при отриманні ядерної енергії, передається в реакторі 1 охолоджуючому теплоносію (наприклад, звичайній воді, діоксиду вуглецю, гелію), який за допомогою реакторного насоса 9 пропускається через спеціальний теплообмінник 2, а потім за допомогою насоса 8 перекачується в парогенератор 3. Тут вода перетворюється на пару, що поступає в турбіну 4. На одному валу з турбіною знаходиться  генератор  (турбогенератор 5), від  якого електроенергія подається в електричну мережу. Реактор 1 і проміжний теплообмінник 2 є джерелами радіоактивного випромінювання, небезпечного для життя.

Серед нових джерел енергії заслуговують уваги ресурси глибинного тепла землі. Циркулюючі на великих глибинах нагріті до 100°С і вище термальні води можуть бути виведені на поверхню землі при надглибокому бурінні.Крім того, в даний час ведуть підготовчі роботи по використанню енергії приливів.З метою підвищення КПД електричних станцій створюють магнітогідродинамічні генератори (МГД-генератори), в яких здійснюється пряме перетворення теплової енергії в електричну; при русі в магнітному полі провідного (газоподібного) середовища в ній індукується постійний електричний струм, який перетворюється в трифазний змінний і передається звичайним способом споживачеві.Досить значного поширення набувають сонячні та вітрові енергоустановки, які останнім часом використовуються не тільки в промисловості, а й для окремих споживачів.Для прийому електроенергії, що виробляється електростанціями, її перетворення і електропостачання споживачів,  передачі електроенергії  з  одного енергорайону в інший служать електричні мережі і їх підстанції. Залежно від характеру споживачів, їх розміщення та потужності електростанції в даному районі, конфігурації, довжини і напруги електричних мереж, атмосферних і інших умов електричні підстанції мають різне призначення, і різноманітне устаткування.Підстанції розрізняють: підвищувальні (для передачі з електростанцій в мережу електроенергії вищої напруги); понижуючі (для енергопостачання споживачів); транзитні (для передачі енергії в суміжні ділянки мережі та інші енергосистеми); перетворювальні (для перетворення змінного струму генераторів і передачі по повітряних або кабельних лініях електричної потужності на постійному струмі); тягові (для електроживлення мереж електротяги); районні (що належать енергосистемі) або споживчі.       Підстанції виконуються на всю стандартизовану напругу (від 6 до 750 кВ) і можуть бути відкритими і закритими (у містах, в місцях з незадовільними умовами навколишнього середовища), з синхронними компенсаторами і без них.  Коротка характеристика деяких підстанцій приведена нижче:- підстанції змінного струму з вищою напругою 330, 500, 750 кВ і більше, розвиненою схемою електричних з'єднань, оснащені синхронними компенсаторами 50-100 тис. кВ*А і вище, з водневим і рідинним охолоджуванням, збудженням тиристора, значним трансформаторним (автотрансформаторним) господарством, великим числом повітряних вимикачів і іншої високовольтної апаратури, розміщуються на великих площах і вимагають присутності постійного чергового персоналу високої кваліфікації і широко розвиненій дистанційній і телемеханічній інформації, що дозволяє диспетчерові і місцевому персоналу нормально вести експлуатацію; через ці підстанції, що мають транзитне значення, проходять міжсистемні зв'язки, створюючи об'єднані і Єдину енергосистеми;- підстанції постійного струму з вищою напругою 800 кВ, великою кількістю складного, такого, що вимагає безперервного нагляду за роботою, випрямного і інверторного устаткування, поки нечисленні;- закриті підстанції глибокого введення з вищою напругою 110-220 кВ, складною схемою електричних з'єднань, будівництво яких здійснюється в густонаселених районах крупних міст, де зосереджені значні комунально-побутові і промислові навантаження (їм можуть бути виділені тільки обмежені площі), вимагають присутності постійного чергового персоналу і вживання необхідних заходів по огорожі населення від шуму, що створюється працюючими трансформаторами і іншим устаткуванням;- підстанції 35, 110, частково 220 кВ із спрощеною схемою електричних з'єднань, комплектними розподільними пристроями 6-10 кВ (КРУ і КРУН), часто без вимикачів на вищій стороні, з апаратурою управління, захисту, сигналізації і автоматики, що працює на оперативному змінному і випрямленому струмі і не вимагає спеціального щитового приміщення, не потребують постійного чергового персоналу і обслуговуються виїзними бригадами або черговими вдома (для полегшення їх обслуговування і здійснення диспетчерського контролю підстанції оснащують відповідними пристроями зв'язку і телемеханіки) ;- підстанції 6-10 кВ міського, районного і сільського призначення обслуговуються по графіку виїзними бригадами.