Производство электроэнергии в России. Производство, передача и использование электроэнергии

К атегория: Электромонтажные работы

Производство электрической энергии

Электрическая энергия (электроэнергия) является наиболее совершенным видом энергии и используется во всех сферах и отраслях материального производства. К ее преимуществам относят - возможность передачи на большие расстояния и преобразование в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др).

Электрическая энергия вырабатывается на специальных предприятиях - электрических станциях, преобразующих в электрическую другие виды энергии: химическую, топлива, энергию воды, ветра, солнца, атомную.

Возможность передачи электроэнергии на большие расстояния позволяет строить электростанции вблизи мест нахождения топлива или на многоводных реках, что является более экономичным, чем подвоз в больших количествах топлива к электростанциям, расположенным вблизи потребителей электроэнергии.

В зависимости от вида используемой энергии различают электростанции тепловые, гидравлические, атомные. Электростанции, использующие энергию ветра и теплоту солнечных лучей, представляют собой пока маломощные источники электроэнергии, не имеющие промышленного значения.

На тепловых электростанциях используется тепловая энергия, получаемая при сжигании в топках котлов твердого топлива (уголь, торф, горючие сланцы), жидкого (мазут) и газообразного (природный газ, а на металлургических заводах - доменный и коксовый газ).

Тепловая энергия превращается в механическую энергию вращением турбины, которая в генераторе, соединенном с турбиной, преобразуется в электрическую. Генератор становится источником электроэнергии. Тепловые электростанции различают по виду первичного двигателя: паровая турбина, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, локомобиль, газовая турбина. Кроме того, паротурбинные электростанции подразделяют на конденсационные и теплофикационные. Конденсационные станции снабжают потребителей только электрической энергией. Отработанный пар проходит цикл охлаждения и, превращаясь в конденсат, вновь подается в котел.

Снабжение потребителей тепловой и электрической энергией осуществляется теплофикационными станциями, называемыми теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). На этих станциях тепловая энергия только частично преобразуется в электрическую, а в основном расходуется на снабжение промышленных предприятий и других потребителей, расположенных в непосредственной близости от электростанций, паром и горячей водой.

Гидроэлектростанции (ГЭС) сооружают на реках, являющихся неиссякаемым источником энергии для электростанций. Они текут с возвышенностей в низины и, следовательно, способны совершать механическую работу. На горных реках сооружают ГЭС, используя естественный напор воды. На равнинных реках напор создается искусственно сооружением плотин, вследствие разности уровней воды по обеим сторонам плотины. Первичными двигателями на ГЭС являются гидротурбины, в которых энергия потока воды преобразуется в механическую энергию.

Вода вращает рабочее колесо гидротурбины и генератор, при этом механическая энергия гидротурбины преобразуется в электрическую, вырабатываемую генератором. Сооружение ГЭС решает кроме задачи выработки электроэнергии также комплекс других задач народнохозяйственного значения - улучшение судоходства рек, орошение и обводнение засушливых земель, улучшение водоснабжения городов и промышленных предприятий.

Атомные электростанции (АЭС) относят к тепловым паротурбинным станциям, работающим не на органическом топливе, а использующим в качестве источника энергии теплоту, получаемую в процессе деления ядер атомов ядерного топлива (горючего), - урана или плутония. На АЭС роль котельных агрегатов выполняют атомные реакторы и парогенераторы.

Электроснабжение потребителей осуществляется преимущественно от электрических сетей, объединяющих ряд электростанций. Параллельная работа электрических станций на общую электрическую сеть обеспечивает рациональное распределение нагрузки между электростанциями, наиболее экономичную выработку электроэнергии, лучшее использование установленной мощности станций, повышение надежности электроснабжения потребителей и отпуска им электроэнергии с нормальными качественными показателями по частоте и напряжению.

Необходимость объединения вызвана неодинаковой нагрузкой электростанций. Спрос потребителей на электроэнергию резко изменяется не только в течение суток, но и в разные времена года. Зимой потребление электроэнергии на освещение возрастает. В сельском хозяйстве электроэнергия в больших количествах нужна летом на полевые работы и орошение.

Разница в степени загрузки станций особо ощутима при значительном отдалении районов потребления электроэнергии друг от друга в направлении с востока на запад, что объясняется разновременностью наступления часов утренних и вечерних максимумов нагрузки. Чтобы обеспечить надежность электроснабжения потребителей и полнее использовать мощность электростанций, работающих в разных режимах, их объединяют в энергетические или электрические системы с помощью электрических сетей высокого напряжения.

Совокупность электростанций, линий электропередачи и тепловых сетей, а также приемников электро- и тепло-энергии, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и потребления электрической и тепловой энергии, называют энергетической системой (энергосистемой). Электрическая система, состоящая из подстанций и линий электропередачи различных напряжений, - часть энергосистемы.

Энергосистемы отдельных районов в свою очередь соединены между собой для параллельной работы и образуют крупные системы, например единая энергетическая система (ЕЭС) европейской части СССР, объединенные системы Сибири, Казахстана, Средней Азии и др.

Теплоэлектроцентрали и заводские электростанции обычно связаны с электросетью ближайшей энергосистемы по линиям генераторного напряжения 6 и 10 кВ или линиям более высокого напряжения (35 кВ и выше) через трансформаторные подстанции. Передача энергии, выработанной мощными районными электростанциями, в электросеть для снабжения потребителей осуществляется по линиям высокого напряжения (110 кВ и выше).

- Производство электрической энергии

Электрическая энергия производится на различных масштабах электрических станциях, в основном, с помощью индукционных электромеханических генераторов.

Производство электроэнергии

Существует два основных типа электростанций:

1. Тепловые.

2. Гидравлические.

Это деление вызвано типом двигателя, который вращает ротор генератора. В тепловых электростанциях в качестве источника энергии используется топливо: уголь, газ, нефть, горючие сланцы, мазут. Ротор приводится во вращение паровыми газовыми турбинами.

Самыми экономичными являются тепловые паротурбинные электростанции (ТЭС). Их максимальный КПД достигает 70%. Это с учетом того, что отработанный пар используется на промышленных предприятиях.

На гидроэлектростанциях для вращения ротора используется потенциальная энергия воды. С помощью гидравлических турбин приводится во вращение ротор. Мощность станции будет зависеть от напора и массы воды, проходящей через турбину.

Использование электроэнергии

Электрическая энергия используется почти повсеместно. Конечно, большая часть производимой электроэнергии приходится на промышленность. Помимо этого, крупным потребителем будет являться транспорт.

Многие железнодорожные линии уже давно перешли на электрическую тягу. Освещение жилищ, улиц городов, производственные и бытовые нужды сел и деревень - все это тоже является крупным потребителем электроэнергии.

Огромная часть получаемой электроэнергии превращается в механическую энергию. Все механизмы, используемые в промышленности, приводятся в движение за счет электродвигателей. Потребителей электроэнергии достаточно, и находятся они повсюду.

А производится электроэнергия лишь в немногих местах. Возникает вопрос о передаче электроэнергии, причем на большие расстояния. При передаче на большие расстояния, происходит много потерь электроэнергии. Главным образом, это потери на нагрев электропроводов.

По закону Джоуля-Ленца энергия, расходуемая на нагрев, вычисляется по формуле:

Так как снизить сопротивление до приемлемого уровня практически невозможно, то приходится уменьшать силу тока. Для этого повышают напряжение. Обычно на станциях стоят повышающие генераторы, а в конце линий передач стоят понижающие трансформаторы. И уже с них энергия расходится по потребителям.

Потребность в электрической энергии постоянно увеличивается. Для того чтобы соответствовать запросам на увеличение потребления есть два пути:

1. Строительство новых электростанций

2. Использование передовых технологий.

Эффективное использование электроэнергии

Первый способ требует затрат большого числа строительных и денежных ресурсов. На строительство одной электростанции тратится несколько лет. К тому же, например, тепловые электростанции потребляют много невозобновляемых природных ресурсов, и наносят вред окружающей природной среде.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Переменный ток- это электрический ток, сила которого каким-либо образом меняется со временем.

Трансформатор- это устройство для повышения или понижения переменного напряжения.

1. Производство:

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива.

На тепловых электростанциях химическая энергия топлива преобразуется сначала в механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут.

2. Передача:

Трансформатор -устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижать напряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощью трансформаторов. Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке.

3. Потребление:

Электронизация и автоматизация производства - важнейшие последствия "второй промышленной" или "микроэлектронной" революции в экономике развитых стран. С микроэлектроникой непосредственно связано и развитие комплексной автоматизации, качественно новый этап которой начался после изобретения в 1971 году микропроцессора - микроэлектронного логического устройства, встраиваемого в различные устройства для управления их работой. Очень бурно развивается наука в области средств связи и коммуникаций. Спутниковая связь используется уже не только как средство международной связи, но и в быту - спутниковые антенны не редкость и в городе.

Проблемы электросбережения. Россия имеет огромные перспективы по энергосбережению и одновременно является одной из самых расточительных в мире стран. Энергосбережение напрямую зависит от рационального использования существующих энергоресурсов. Огромные потери энергии характерны жилищно-коммунальному хозяйству. По подсчётам экспертов, около 70% теплопотерь происходит из-за халатного отношения потребителей. Часто в квартирах установлены батареи без регулировки мощности, вследствие чего они работают на всю и жильцам приходится открывать окна для снижения температуры в помещении. Для реализации потенциала энергосбережения в ЖКХ предполагается ввести повсеместное внедрение приборов учета, перейти к обязательным стандартам энергоэффективности для новых и реконструируемых зданий, модернизировать системы теплоснабжения зданий и сооружений, внедрить энергосберегающие системы освещения, внедрение энергосберегающих приборов и технологий на котельных, очистных сооружениях, предприятиях водоканала, предоставление бюджетным организациям прав распоряжения средствами, сэкономленными в результате реализации проектов по энергосбережению на срок до 5 лет и другое.

Техника безопасности в обращении с электрическим током. Опасным для человека считается ток от 25 В. В данной ситуации нужно четко отличать напряжение и силу тока. Убивает именно последняя. Для примера: голубые искорки статических разрядов имеют напряжение 7000 В, но ничтожную силу, тогда как напряжение розетки в 220 В, но с силой тока 10-16 А может стать причиной смерти. Более того, прохождение тока с силой 30-50 мА через сердечную мышцу уже может вызвать фибрилляцию (трепетание) сердечной мышцы и рефлекторную остановку сердца. Чем это закончится, вполне понятно. Если ток не заденет сердце (а пути электричества в человеческом организме весьма причудливы), то его воздействие может вызвать паралич дыхательных мышц, что тоже ничего хорошего не сулит.

Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Электромагнитное поле - особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.

Скорость электромагнитных волн. Длина волны есть частное от деления скорости на частоту.

Принципы радиосвязи. Принципы радиосвязи заключаются в следующем. Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

Генерирование электрической энергии Электрический ток вырабатывается в генераторах-устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. Там механическая энергия превращается в электрическую. Электрический ток вырабатывается в генераторах-устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. Там механическая энергия превращается в электрическую. Генератор состоит из Генератор состоит из постоянного магнита, создающего магнитное поле, и обмотки, в которой индуцируется переменная ЭДС. постоянного магнита, создающего магнитное поле, и обмотки, в которой индуцируется переменная ЭДС.

Трансформаторы ТРАНСФОРМАТОР– аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. В простейшем случае трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки с проволочными обмотками. Та из обмоток, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а та, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Производство электрической энергии Производится электроэнергия на больших и малых электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов. Существует несколько типов электростанций: тепловые, гидроэлектрические и атомные электростанции. АЭС ГЭСТепловые электростанции

Использование электроэнергии Главным потребителем электроэнергии является промышленность, на долю которой приходится около 70% производимой электроэнергии. Крупным потребителем является также транспорт. Все большее количество железнодорожных линий переводиться на электрическую тягу. Почти все деревни и села получают электроэнергию от государственных электростанций для производственных и бытовых нужд. Около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используются для технологических целей (электросварка, электрический нагрев и плавление металлов, электролиз и т. п.).

Передача электроэнергии Передача энергии связана с заметными потерями: электрический ток нагревает провода линий электропередачи. При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Они увеличивают напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшают силу тока. Для непосредственного использования электроэнергии на концах линии ставят понижающие трансформаторы. Повышающий трансформатор Понижающий трансформатор Понижающий трансформатор Понижающий трансформатор К потребителю Генератор 11 кВ 110 кВ 35 кВ 6 кВ Линия передачи Линия передачи Линия передачи 35 кВ 6 кВ 220 В

Эффективное использование электроэнергии Потребность в электроэнергии постоянно увеличивается. Удовлетворить эту потребность можно двумя способами. Самый естественный и единственный на первый взгляд способ – строительство новых мощных электростанций. Но ТЭС потребляют не возобновляемые природные ресурсы, а также наносят большой ущерб экологическому равновесию на нашей планете. Передовые технологии позволяют удовлетворить потребности в электроэнергии другим способом. Приоритет должен быть отдан увеличению эффективности использования электроэнергии, а не росту мощности электростанций.

Передача электроэнергии - процесс, который заключается в поставке электроэнергии потребителям. Электричество производится на удаленных источниках производства (электростанциях) огромными генераторами, использующими уголь, природный газ, воду, атомный распад или ветер.

Ток передается через трансформаторы, которые повышают его напряжение. Именно высокое напряжение экономически выгодно при передаче энергии на большие расстояния. Высоковольтные линии электропередач простираются по всей стране. По ним электрический ток достигает подстанций у больших городов, где понижают его напряжение и отправляют его на небольшие (распределительные) линии электропередач. Электрический ток путешествует по распределительным линиям в каждом районе города и попадает в трансформаторные будки. Трансформаторы уменьшают напряжение до определенного стандартного значения, которое безопасно и необходимо для работы бытовых устройств. Ток попадает в дом по проводам и проходит через счетчик, показывающий количество расходуемой энергии.

Трансформатор - статическое устройство, которое преобразует переменный электрический ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, не изменяя его частоту. Он может работать только на переменном токе.

Основные конструкционные части трансформатора

Устройство состоит из трех основных частей:

1. Первичная обмотка трансформатора. Число витков N 1 .
2. Сердечник замкнутой формы из магнитомягкого материала (например, сталь).
3. Вторичная обмотка. Число витков N 2 .

На схемах трансформатор изображают таким образом:

Принцип работы

Работа силового трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея.

Между двумя раздельными обмотками (первичной и вторичной), которые связаны общим магнитным потоком, проявляется взаимная индукция. Взаимная индукция - процесс, с помощью которого первичная обмотка индуцирует напряжение во вторичной обмотке, расположенной в непосредственной близости от нее.

На первичную обмотку поступает переменный ток, который производит магнитный поток, при подключении к источнику питания. Магнитный поток проходит через сердечник и так как он меняется в течение времени, то возбуждает во вторичной обмотке ЭДС индукции. Напряжение тока на второй обмотке может быть ниже, чем на первой, тогда трансформатор называется понижающим. У повышающего трансформатора на вторичной обмотке напряжение тока выше. Частота тока остается неизменной. Эффективное понижение или повышение напряжения не может увеличить электрическую мощность, поэтому на выходе трансформатора сила тока соответственно пропорционально повышается или понижается.

Для амплитудных значений напряжения на обмотках можно записать следующее выражение:

k - коэффициент трансформации.

Для повышающего трансформатора k>1, а для понижающего - k<1.

Во время работы реального устройства всегда существуют потери энергии:

• происходит нагревание обмоток;
• затрачивается работа на намагничивание сердечника;
• в сердечнике возникают токи Фуко (они оказывают тепловое действие на массивный сердечник).

Для уменьшения потерь при нагревании, трансформаторные сердечники делают не из цельного куска металла, а из тонких пластин, между которыми располагается диэлектрик.