Тема 3. Основное электротехническое оборудование электрических сетей

Время самостоятельной работы – 4 часа.

3.1. Общие положения

Изучение основного электротехнического оборудования целесообразно начать с рассмотрения общей структуры электроэнергетической системы (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схематическое изображение электроэнергетической системы. Внизу – диаграмма распределения выработки энергии между станциями разного типа и между различного рода потребителями.

1 – линии электропередачи основной сети энергосистемы; 2 – линии электропередачи распределительной сети

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях. Основная доля электрической энергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС – тепловая электростанция, ТЭЦ - тепловая электроцентраль, ГРЭС – государственная районная электростанция), где энергия сжигаемого газа, угля или мазута используется для преобразования воды в пар, который приводит в действие турбину, вращающую генератор электрической энергии. На атомных электростанциях (АЭС) для преобразования воды в пар используется энергия расщепляемого урана. На гидравлических электростанциях (ГЭС), турбину вращает поток воды.

Учитывая требования экологии и энергосбережения, энергетики всего мира активно ведут разработки и внедрения новых способов выработки электрической энергии. Появляются электрические станции, использующие энергию солнца, ветра, морской волны и прилива. Такие электростанции относятся к группе так называемых нетрадиционных источников энергии.

Для выработки электроэнергии на мощных электростанциях необходимы соответствующие энергоресурсы, поэтому они располагаются на больших реках или вблизи мест удобного доступа к энергоресурсам (газ, уголь). Городские и промышленные электростанции меньшей мощности располагаются в непосредственной близости от потребителей. Как правило, это ТЭЦ, которые, как уже говорилось, помимо электроэнергии вырабатывают тепло, которое используется в промышленности и для обогрева зданий.

Электрическая энергия, вырабатываемая на станциях, передается через линии электропередачи и трансформаторные подстанции в города и на промышленные предприятия. Далее электроэнергия через распределительные сети поступает к электроприемникам потребителей, где преобразуется в другие виды энергии (тепловую, световую, механическую).

Рассмотрим подробнее весь путь электрической энергии от станции к электроприемнику.

3.2. Электрические станции

В начале в качестве примера рассмотрим принцип работы ТЭС. Как уже отмечалось, на тепловых электростанциях первичным энергоносителем (топливом) может служить газ, уголь, мазут. На рис. 3.2. схематично показаны все элементы конденсационной электростанции, работающей на угле.

Рис. 3.2. Схема тепловой электростанции, использующей в качестве топлива уголь.

Из бункера 1 уголь поступает в дробильную установку (мельницу) 2, где он перемалывается до пылеобразного состояния. Далее уголь вместе с воздухом из воздуходувки 3^/ поступает в парогенератор (котел) 3. Теплота, получаемая при сжигании топлива, используется для преобразования воды в пар в трубопроводах 4, расположенных в парогенераторе. По системе паропроводов пар поступает в турбину 7. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора 8, вырабатывающего электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в тепловой конденсатор 10, в котором пар конденсируется и превращается в воду. Питательным насосом 13 вода подается по змеевику 5 опять в парогенератор, после чего цикл повторяется. Необходимо подчеркнуть, что вода, прежде чем использоваться в цикле вода-пар-вода, проходит специальную очистку.

Охлаждение пара в тепловом конденсаторе производится с помощью воды, поступающей в него под действием циркуляционного насоса 12. Нагретая паром в трубках конденсатора вода затем охлаждается в градирне 11. Продукты сгорания топлива (дымовые газы) проходят через очистительное сооружение (фильтр) и выбрасываются в атмосферу через трубу 6. Электрическая энергия, вырабатываемая генератором, отпускается в сеть 9.

Основное отличие атомных электростанций от тепловых заключается в том, что вместо парогенератора применяется атомный реактор, в котором энергия расщепляемого урана используется для производства пара.

Рис. 3.3. Поперечный разрез гидроэлектростанции.

ГВБ, ГНБ – горизонты (уровни) верхнего и нижнего бьефа.

На гидроэлектростанциях для вращения турбины используется энергия воды. Основные элементы ГЭС показаны на рис. 3.3. Вода из верхнего по течению реки бассейна (его называют верхним бьефом) проходит через заградительные решетки 10 в глубинный водоприемник 9 и поступает в турбинный водовод 8. Мощный поток воды поступает в спиральную камеру 5, где создается нужное давление на лопатки турбины 7, которая вращает ротор генератора 4. После турбины через отсасывающую трубу 6 вода попадает в нижний бассейн реки (нижний бьеф). Из машинного зала 3 электрическая энергия через трансформатор поступает в линию электропередачи 1. Затвор 2 служит для перекрытия водопровода в случае необходимости ремонтных работ на турбине.

Принцип действия генераторов на тепловых, атомных и гидравлических электростанциях одинаковый. Рассмотрим вначале простейшую схему, представленную на рисунке 3.4.

а)	б)

Рис. 3.4. Принцип получения переменного тока в генераторах (а) и диаграмма изменения электродвижущей силы на выводах генератора (б).

Переменный ток может быть получен в генераторе, состоящем из одного вращающегося двухполюсного магнита 1 и одного витка проволоки (обмотки) 2 (рис. 3.4.,а). На реальном генераторе на вращающейся части (роторе) установлены электромагниты, а неподвижные витки проволоки (обмотки) закреплены на неподвижной части (статоре). Ранее уже неоднократно упоминалось открытие электромагнитной индукции Майклом Фарадеем. Именно это открытие и позволило создать генератор электрического тока. Дело в том, что магнит создает магнитное поле, которое во время движения магнита пересекает витки проволоки, в которых в результате индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), необходимая для упорядоченного движения электронов (рис. 3.4,б). Необходимо отметить, что в данном случае показан только принцип, в действительности обмотки имеют большее число витков и соединяются специальным образом. В нашей стране, полный оборот ротор двухполюсного турбогенератора совершает за 0,02 секунды, что соответствует скорости вращения 3000 об/мин. При этом стандартная частота генерируемого переменного тока составляет 3000/60=50 Гц. В некоторых странах номинальная частота 60 Гц, т.е. ротор вращается быстрее.

Если на генераторе установлена одна обмотка, он называется однофазным, если две – двухфазным, если три – трехфазным. На электростанциях, питающих электрические сети общего пользования, установлены трехфазные генераторы. Обмотки внутри таких генераторов располагаются так, как показано на рисунке 3.5.

Рис. 3.5. Осциллограмма напряжений на выводах трехфазного генератора.

Как видно из рисунка, обмотки внутри трехфазного генератора сдвинуты относительно друг друга. Этот сдвиг равен 120°. В результате напряжения на выводах фаз генератора сдвинуты относительно друг друга на 120°.

На однолинейных электрических схемах (схемы, на которых все элементы сети изображаются в виде условных графических обозначений), генераторы станций обозначаются символом:

Рис. 3.6. Условное обозначение генератора

От генератора электрическая энергия поступает в электрическую сеть. Обычно в электроэнергетических системах генератор соединяется с сетью через повышающий трансформатор.