Доклад: Использование электроэнергии. Производство, передача и потребление электрической энергии. Трансформатор
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:
- Первичная обмотка трансформатора. Число витков N 1 .
- Сердечник замкнутой формы из магнитомягкого материала (например, сталь).
- 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.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
по физике
на тему: "Производство, передача и потребление электроэнергии"
Выполнила:
Ученица 11А
Ходакова Юлия
Преподаватель:
Дубинина Марина Николаевна
1. Производство электроэнергии
Электроэнергия производится на электрических станциях зачастую при помощи электромеханических индукционных генераторов. Существует 2 основных вида электростанций -- тепловые электростанции (ТЭС) и гидроэлектрические электростанции (ГЭС) -- различающиеся характером двигателей, которые вращают роторы генераторов.
Источником энергии на ТЭС является топливо: мазут, горючие сланцы, нефть, угольная пыль. Роторы электрогенераторов приводятся во вращение при помощи паровых и газовых турбин либо двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Как известно, КПД тепловых двигателей увеличивается с ростом начальной температуры рабочего тела. Поэтому пар, который поступает в турбину, доводят до порядка 550 °С при давлении около 25 МПа. КПД ТЭС достигает 40 %.
На тепловых электростанциях (ТЭЦ) большая часть энергии отработанного пара применяется на промышленных предприятиях и для бытовых нужд. КПД ТЭЦ может достигать 60-70 %.
На ГЭС для вращения роторов генераторов применяют потенциальную энергию воды. Роторы приводятся во вращение гидравлическими турбинами.
Мощность станции зависит от разности уровней воды, которые создаются плотиной (напора), и от массы воды, которая проходит через турбину за 1 секунду (расхода воды).
Часть электроэнергии, которая потребляется в России (примерно 10 %), производится на атомных электростанциях (АЭС).
2. Передача электроэнергии
В основном, этот процесс сопровождается существенными потерями, которые связаны с нагревом проводов линий электропередачи током. Согласно закону Джоуля-Ленца энергия, которая расходуется на нагрев проводов, является пропорциональной квадрату силы тока и сопротивлению линии, так что при большой длине линии передача электроэнергии может стать экономически невыгодной. Поэтому нужно уменьшать силу тока, что при заданной передаваемой мощности приводит к необходимости увеличения напряжения. Чем длиннее линия электропередачи, тем выгоднее применять большие напряжения (на некоторых напряжение достигает 500 кВ). Генераторы переменного тока выдают напряжения, которые не могут быть больше 20 кВ (что связано со свойствами используемых изоляционных материалов).
Поэтому на электростанциях ставят повышающие трансформаторы, которые увеличивают напряжение и во столько же раз уменьшают силу тока. Для подачи потребителям электроэнергии необходимого (низкого) напряжения на концах линии электропередачи ставят трансформаторы понижающие. Понижение напряжения обычно производится поэтапно.
3. 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:
электрический энергия атомный тепловой
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.
Использовать передовые технологии очень верное решение данной проблемы. К тому же необходимо избегать напрасных трат электроэнергии и свести неэффективное использование к минимуму.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Особенности тепловых и атомных электростанций, гидроэлектростанций. Передача и перераспределение электрической энергии, использование ее в промышленности, быту, транспорте. Осуществление повышение и понижение напряжения с помощью трансформаторов.
презентация , добавлен 12.01.2015
История рождения энергетики. Виды электростанций и их характеристика: тепловая и гидроэлектрическая. Альтернативные источники энергии. Передача электроэнергии и трансформаторы. Особенности использования электроэнергетики в производстве, науке и быту.
презентация , добавлен 18.01.2011
Промышленная и альтернативная энергетика. Преимущества и недостатки гидроэлектростанций, тепловых и атомных электростанций. Получение энергии без использования традиционного ископаемого топлива. Эффективное использование энергии, энергосбережение.
презентация , добавлен 15.05.2016
Производство электрической энергии. Основные виды электростанций. Влияние тепловых и атомных электростанций на окружающую среду. Устройство современных гидроэлектростанций. Достоинство приливных станций. Процентное соотношение видов электростанций.
презентация , добавлен 23.03.2015
Описание процессов получения электроэнергии на тепловых конденсационных электрических станциях, газотурбинных установках и теплоэлектроцентралях. Изучение устройства гидравлических и аккумулирующих электростанций. Геотермальная и ветровая энергетика.
реферат , добавлен 25.10.2013
Роль электроэнергии в производственных процессах на современном этапе, метод ее производства. Общая схема электроэнергетики. Особенности главных типов электростанций: атомной, тепловой, гидро- и ветрогенераторы. Преимущества электрической энергии.
презентация , добавлен 22.12.2011
Генерация электроэнергии как ее производство посредством преобразования из других видов энергии, с помощью специальных технических устройств. Отличительные признаки, приемы и эффективность промышленной и альтернативной энергетики. Типы электростанций.
презентация , добавлен 11.11.2013
Производство электрической и тепловой энергии. Гидравлические электрические станции. Использование альтернативных источников энергии. Распределение электрических нагрузок между электростанциями. Передача и потребление электрической и тепловой энергии.
учебное пособие , добавлен 19.04.2012
Основы энергосбережения, энергетические ресурсы, выработка, преобразование, передача и использование различных видов энергии. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии. Структура производства и потребления электрической энергии.
реферат , добавлен 16.09.2010
Мировые лидеры в производстве ядерной электроэнергии. Классификация атомных электростанций. Принцип их действия. Виды и химический состав ядерного топлива и суть получения энергии из него. Механизм протекания цепной реакции. Нахождение урана в природе.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ НАУКИ
И ВЛИЯНИЕ НАУКИ НА ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЖИЗНИ
ХХ век стал веком, когда наука вторгается во все сферы жизни общества: экономику, политику, культуру, образование и т.д. Естественно, что наука непосредственно влияет на развитие энергетики и сферу применения электроэнергии. С одной стороны наука способствует расширению сферы применения электрической энергии и тем самым увеличивает ее потребление, но с другой стороны в эпоху, когда неограниченное использование невозобновляемых энергетических ресурсов несет опасность для будущих поколений, актуальными задачами науки становятся задачи разработки энергосберегающих технологий и внедрение их в жизнь.
Рассмотрим эти вопросы на конкретных примерах. Около 80% прироста ВВП (внутреннего валового продукта) развитых стран достигается за счет технических инноваций, основная часть которых связана с использованием электроэнергии. Все новое в промышленность, сельское хозяйство и быт приходит к нам благодаря новым разработкам в различных отраслях науки.
Большая часть научных разработок начинается с теоретических расчетов. Но если в ХIХ веке эти расчеты производились с помощью пера и бумаги, то в век НТР (научно-технической революции) все теоретические расчеты, отбор и анализ научных данных и даже лингвистический разбор литературных произведений делаются с помощью ЭВМ (электронно-вычислительных машин), которые работают на электрической энергии, наиболее удобной для передачи ее на расстояние и использования. Но если первоначально ЭВМ использовались для научных расчетов, то теперь из науки компьютеры пришли в жизнь.
Сейчас они используются во всех сферах деятельности человека: для записи и хранения информации, создания архивов, подготовки и редактирования текстов, выполнения чертежных и графических работ, автоматизации производства и сельского хозяйства. 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.
Микропроцессоры ускорили рост робототехники. Большинство применяемых ныне роботов относится к так называемому первому поколению и применяются при сварке, резании, прессовке, нанесении покрытий и т.д. Приходящие им на смену роботы второго поколения оборудованы устройствами для распознавания окружающей среды. А роботы-«интеллектуалы» третьего поколения будут «видеть», «чувствовать», «слышать». Ученые и инженеры среди наиболее приоритетных сфер применения роботов называют атомную энергетику, освоение космического пространства, транспорта, торговлю, складское хозяйство, медицинское обслуживание, переработку отходов, освоение богатств океанического дна. Основная часть роботов работают на электрической энергии, но увеличение потребления электроэнергии роботами компенсируется снижением энергозатрат во многих энергоемких производственных процессах за счет внедрения более рациональных методов и новых энергосберегающих технологических процессов.
Но вернемся к науке. Все новые теоретические разработки после расчетов на ЭВМ проверяются экспериментально. И, как правило, на этом этапе исследования проводятся с помощью физических измерений, химических анализов и т.д. Здесь инструменты научных исследований многообразны - многочисленные измерительные приборы, ускорители, электронные микроскопы, магниторезонансные томографы и т.д. Основная часть этих инструментов экспериментальной науки работают на электрической энергии.
Но наука не только использует электроэнергию в своей теоретической и экспериментальной областях, научные идеи постоянно возникают в традиционной области физики, связанной с получением и передачей электроэнергии. Ученые, например, пытаются создать электрические генераторы без вращающихся частей. В обычных электродвигателях к ротору приходится подводить постоянный ток, чтобы возникла «магнитная сила». К электромагниту, «работающему ротором» (скорость его вращения достигает трех тысяч оборотов в минуту) электрический ток приходится подводить через проводящие угольные щетки и кольца, которые трутся друг о друга и легко изнашиваются. У физиков родилась мысль заменить ротор струей раскаленных газов, плазменной струей, в которой много свободных электронов и ионов. Если пропустить такую струю между полюсами сильного магнита, то по закону электромагнитной индукции в ней возникнет электрический ток - ведь струя движется. Электроды, с помощью которых должен выводится ток из раскаленной струи, могут быть неподвижными, в отличие от угольных щеток обычных электрических установок. Новый тип электрической машины получил название магнитогидродинамического генератора.
В середине ХХ столетия ученые создали оригинальный электрохимический генератор, получивший название топливного элемента. К электродным пластинкам топливного элемента подводится два газа - водород и кислород. На платиновых электродах газы отдают электроны во внешнюю электрическую цепь, становятся ионами и, соединяясь, превращаются в воду. Из газового топлива получается сразу и электроэнергия и вода. Удобный, бесшумный и чистый источник тока для дальних путешествий, например в космос, где особенно нужны оба продукта топливного элемента.
Другой оригинальный способ получения электроэнергии, получивший распространение в последнее время, заключается в преобразовании солнечной энергии в электрическую «напрямую» - с помощью фотоэлектрических установок (солнечных батарей). С ними связано появление «солнечных домов», «солнечных теплиц», «солнечных ферм». Такие солнечные батареи используются и в космосе для обеспечения электроэнергией космических кораблей и станций.
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 нашем городе. Новые средства связи, например волоконная техника, позволяют значительно снизить потери электроэнергии в процессе передачи сигналов на большие расстояния.
Не обошла наука и сферу управления. По мере развития НТР, расширения производственной и непроизводственной сфер деятельности человека, все более важную роль в повышении их эффективности начинает играть управление. Из своего рода искусства, еще недавно основывавшегося на опыте и интуиции, управление в наши дни превратилось в науку. Наука об управлении, об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации называется кибернетикой. Этот термин происходит от греческих слов «рулевой», «кормчий». Он встречается в трудах древнегреческих философов. Однако новое рождение его произошло фактически в 1948 году, после выхода книги американского ученого Норберта Винера «Кибернетика».
До начала «кибернетической» революции существовала только бумажная Информатика, основным средством восприятия которой оставался человеческий мозг, и которая не использовала электроэнергию. «Кибернетическая» революция породила принципиально иную - машинную информатику, соответствующую гигантски возросшим потокам информации, источником энергии для которой служит электроэнергия. Созданы совершенно новые средства получения информации, ее накопления, обработки и передачи, в совокупности образующие сложную информационную структуру. Она включает АСУ (автоматизированные системы управления), информационные банки данных, автоматизированные информационные базы, вычислительные центры, видеотерминалы, копировальные и фототелеграфные аппараты, общегосударственные информационные системы, системы спутниковой и скоростной волокнисто-оптической связи - все это неограниченно расширило сферу использования электроэнергии.
Многие ученые считают, что в данном случае речь идет о новой «информационной» цивилизации, приходящей на смену традиционной организации общества индустриального типа. Такая специализация характеризуется следующими важными признаками:
· широким распространением информационной технологии в материальном и нематериальном производстве, в области науки, образования, здравоохранения и т.д.;
· наличием широкой сети различных банков данных, в том числе общественного пользования;
· превращение информации в один из важнейших факторов экономического, национального и личного развития;
· свободной циркуляцией информации в обществе.
Такой переход от индустриального общества к «информационной цивилизации» стал возможен во многом благодаря развитию энергетики и обеспечению удобным в передаче и применении видом энергии - электрической энергией.
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ
Современное общество невозможно представить без электрификации производственной деятельности. Уже в конце 80-х годов более 1/3 всего потребления энергии в мире осуществлялось в виде электрической энергии. К началу следующего века эта доля может увеличиться до 1/2. Такой рост потребления электроэнергии прежде всего связан с ростом ее потребления в промышленности. Основная часть промышленных предприятий работает на электрической энергии. Высокое потребление электроэнергии характерно для таких энергоемких отраслей, как металлургия, алюминиевая и машиностроительная промышленность.
При этом встает проблема эффективного использования этой энергии. При передаче электроэнергии на большие расстояния, от производителя до потребителя, потери на тепло вдоль линии передачи растут пропорционально квадрату тока, т.е. если ток удваивается, то тепловые потери увеличиваются в 4 раза. Поэтому, желательно, чтобы ток в линиях был мал. Для этого повышают напряжение на линии передач. Электроэнергия передается по линиям, где напряжение достигает сотен тысяч вольт. Возле городов, получающих энергию от линий передач, это напряжение с помощью понижающего трансформатора доводят до нескольких тысяч вольт. В самом же городе на подстанциях напряжение понижается до 220 вольт.
Наша страна занимает большую территорию, почти 12 часовых поясов. А это значит, что если в одних регионах потребление электроэнергии максимально, то в других уже окончен рабочий день и потребление снижается. Для рационального использования электроэнергии вырабатываемой электростанциями, они объединены в электроэнергетические системы отдельных районов: европейской части, Сибири, Урала, Дальнего Востока и др. Такое объединение позволяет эффективней использовать электроэнергию согласовывая работу отдельных электростанций. Сейчас различные энергосистемы объединены в единую энергетическую систему России.
Следующая возможность эффективного использования - снижение энергозатрат электроэнергии с помощью энергосберегающих технологий и современного оборудования, потребляющего минимальное ее количество. Таким примером может служить сталеплавильное производство. Если в 60-е годы основным методом выплавки стали был мартеновский способ (72% всей выплавки), то в 90-е годы эта технология выплавки заменена более эффективными методами: кислородно-конверторным и электросталеплавильным.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Колтун М. Мир физики: Научно-художественная лит-ра. - М.: Дет. лит., 1984.- 271с.
2. Максаковский В.П. Географическая картина мира. Ч.1. Общая характеристика мира. - Ярославль: Верх.-Волж. кн. изд-во, 1995.- 320с.
3. Эллион Л., Уилконс У. Физика. - М.: Наука, 1967.- 808с.
4. Энциклопедический словарь юного физика /Сост. В.А. Чуянов. - М.: Педагогика, 1984.- 352с.
БОУ Чувашской Республики СПО «АСХТ» Минобразования Чувашии
МЕТОДИЧЕСКАЯ
РАЗРАБОТКА
открытого занятия по дисциплине «Физика»
Тема: Производство, передача и потребление электрической энергии
высшей квалификационной категории
Алатырь, 2012год
РАССМОТРЕНО
на заседании методической комиссии
гуманитарных и естественнонаучных
дисциплин
Протокол № __ от «___» ______ 2012г.
Председатель_____________________
Рецензент: Ермакова Н.Е., преподаватель БОУ ЧР СПО «АСХТ», председатель ПЦК гуманитарных и естественнонаучных дисциплин
На сегодняшний день энергия остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать. Трудно представить существование современной цивилизации без электроэнергии. Если в нашей квартире отключается свет хотя бы на несколько минут, то мы уже испытываем многочисленные неудобства. А что произойдет при отключении электроэнергии на несколько часов! Электрический ток – основной источник электроэнергии. Вот почему так важно представлять физические основы получения, передачи и использования переменного электрического тока.
Пояснительная записка
Содержание основной части
Библиографический список
Приложения.
Пояснительная записка
Цели:
- познакомить студентов с физическими основами производства, передачи и
использования электрической энергии
Способствовать формированию у студентов информационной и коммуникативной
компетентностей
Углубить познания о развитии электроэнергетики и связанных с этим экологических
проблем, воспитание чувства ответственности за сохранение окружающей среды
Обоснование выбранной темы:
Представить сегодня нашу жизнь без электрической энергии невозможно. Электроэнергетика вторглась во все сферы деятельности человека: промышленность и сельское хозяйство, науку и космос. Немыслим без электроэнергии и наш быт. Электроэнергия была и остается главной составляющей жизни человека. Какой будет энергетика ХХІ века? Чтобы дать ответы на этот вопрос необходимо знать основные способы получения электроэнергии, изучить проблемы и перспективы современного производства электроэнергии не только в России, но и на территории Чувашии и Алатыря Данное занятие позволяет сформировать у студентов умение перерабатывать информацию и применять знания теории на практике, развивать навыки самостоятельной работы с различными источниками информации. На этом занятии раскрываются возможности формирования информационной и коммуникативной компетентностей
План занятия
по дисциплине «Физика»
Дата: 16.04.2012 г.
Группа: 11 тв
Цели:
- образовательная: - познакомить студентов с физическими основами производства,
передачи и использования электрической энергии
Способствовать формированию у студентов информационной и
коммуникативной компетентностей
Углубить познания о развитии электроэнергетики и связанных с
этим экологических проблем, воспитание чувства ответственности
за сохранение окружающей среды
- развивающая:: - формировать умений перерабатывать информацию и применять
знания теории на практике;
Развивать навыки самостоятельной работы с различными
источниками информации
Развивать познавательный интерес к предмету.
- воспитательная:
- воспитывать познавательную активность студентов;
Воспитывать умение слушать и быть услышанным;
Воспитывать самостоятельность студентов в приобретении новых
знаний
- воспитывать коммуникативные качества при работе в группах
Задача: формирование ключевых компетенций при изучении производства, передачи и использования электрической энергии
Вид занятия - урок
Тип занятия - комбинированный урок
Средства обучения: учебники, справочники, раздаточный материал, мультимедийный проектор,
экран, электронная презентация
Ход занятия:
Организационный момент (проверка отсутствующих, готовности группы к уроку)
Организация целевого пространства
Проверка знаний студентов, сообщение темы и плана опроса, постановка цели
|
Действия педагога |
Действия студентов |
Методы проведения |
2) С помощью какого устройства изменяют силу переменного тока и напряжение? 3) Каково его назначение? 4) Каково устройство трансформатора? 6) Что такое коэффициент трансформации? Каким он бывает численно? 7) Какой трансформатор называют повышающим, какой понижающим? 8) Что называют мощностью трансформатора?
|
|
Фронтальная беседа Решение задач Тестирование |
Подведение итогов проверки основных положений изученного раздела
Сообщение темы, постановка цели, плана изучения нового материала
Тема: «Производство, передача и потребление электроэнергии»
План: 1) Производство электроэнергии:
а) Промышленная энергетика (ГЭС, ТЭС, АЭС)
б) Альтернативная энергетика (ГеоТЭС, СЭС, ВЭС, ПЭС)
2) Передача электрической энергии
3) Эффективное использование электрической энергии
4) Энергетика Чувашской Республики
Мотивация учебной деятельности студентов
|
Действия педагога |
Действия студентов |
Метод изучения |
|
|
Опережающая самостоятельная работа Исследование Доклады студентов |
Закрепление нового материала
Обобщение и систематизация материала.
Проведение итогов занятия.
Задание для самостоятельной работы студентов во внеаудиторное время.
Учебник § 39-41, закончить заполнение таблицы
Представить сегодня нашу жизнь без электрической энергии невозможно. Электроэнергетика вторглась во все сферы деятельности человека: промышленность и сельское хозяйство, науку и космос. Немыслим без электроэнергии и наш быт. Столь широкое применение электроэнергии объясняется ее преимуществами перед другими видами энергии. Электроэнергия была и остается главной составляющей жизни человека Главные вопросы – сколько энергии нужно человечеству? Какой будет энергетика ХХІ века? Чтобы дать ответы на эти вопросы необходимо знать основные способы получения электроэнергии, изучить проблемы и перспективы современного производства электроэнергии не только в России, но и на территории Чувашии и Алатыря.
Преобразования энергии различных видов в электрическую энергию происходит на электростанциях. Рассмотрим физические основы производства электроэнергии на электростанциях.
Статистические данные о производстве электроэнергии в России, млрд кВтч
В зависимости от вида преобразуемой энергии электростанции могут быть разделены на следующие основные типы:
Электростанции промышленной энергетики: ГЭС, ТЭС, АЭС
Электростанции альтернативной энергетики: ПЭС, СЭС, ВЭС, ГеоТЭС
Гидроэлектростанции
Гидроэлектростанция представляет собой комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию На ГЭС электроэнергию получают, используя энергию воды, перетекающей с высшего уровня к низшему уровню и вращающей при этом турбину. Плотина – самый важный и самый дорогостоящий элемент ГЭС. Вода перетекает с верхнего бьефа в нижний бьеф по специальным трубопроводам, либо по выполненным в теле плотины каналам и приобретает большую скорость. Струя воды поступает на лопасти гидротурбины. Ротор гидротурбины приводится во вращение под действием центробежной силы струи воды. Вал турбины соединяется с валом электрического генератора, и при вращении ротора генератора механическая энергия ротора преобразуется в электрическую энергию.
Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами – их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Однако гидроэнергетика не безвредна для окружающей среды. При постройке плотины образуется водохранилище. Вода, залившая огромные площади, необратимо изменяет окружающую среду. Подъем уровня реки плотиной может вызвать заболоченность, засоленность, изменения прибрежной растительности и микроклимата. Поэтому так важно создание и использование экологически безвредных гидротехнических сооружений.
Теплоэлектростанции
Тепловая электростанция (ТЭС) – электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Основными видами топлива для ТЭС являются природные ресурсы – газ, уголь, торф, горючие сланцы, мазут. Тепловые электростанции разделяются на две группы: конденсационные и теплофикационные или теплоцентрали (ТЭЦ). Конденсационные станции снабжают потребителей только электрической энергией. Их сооружают вблизи залежей местного топлива с тем, чтобы не возить его на большие расстояния. Теплоцентрали снабжают потребителей не только электрической энергией, но и теплом – водяным паром или горячей водой, поэтому ТЭЦ сооружают поблизости от приемников теплоты, в центрах промышленных районов и крупных городов для уменьшения протяженности теплофикационных сетей. Топливо транспортируют на ТЭЦ из мест его добычи. В машинном зале ТЭС установлен котел с водой. За счет тепла, образующегося в результате сжигания топлива, вода в паровом котле нагревается, испаряется, а образовавшийся насыщенный пар доводится до температуры 550°С и под давлением 25 МПа поступает по паропроводу в паровую турбину, назначение которой превращать тепловую энергию пара в механическую энергию. Энергия движения паровой турбины преобразуется в электрическую энергию генератором, вал которого непосредственно соединен с валом турбины. После паровой турбины водяной пар, имея уже низкое давление и температуру около 25°С, поступает в конденсатор. Здесь пар с помощью охлаждающей воды превращается в воду, которая с помощью насоса снова подается в котел. Цикл начинается снова. ТЭС работают на органическом топливе, но это, к сожалению, невосполнимые природные ресурсы. К тому же, работа ТЭС сопровождается экологическими проблемами: при сгорании топлива происходит тепловое и химическое загрязнение среды, что оказывает губительное воздействие на живой мир водоемов и качество питьевой воды.
Атомные электростанции
Атомная электростанция (АЭС) – электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую энергию. Атомные электростанции действуют по такому же принципу, что и тепловые электростанции, но используют для парообразования энергию, получающуюся при делении тяжелых атомных ядер (урана, плутония). В активной зоне реактора протекают ядерные реакции, сопровождающиеся выделением огромной энергии. Вода, соприкасающаяся в активной зоне реактора с тепловыделяющими элементами, забирает у них тепло и передает это тепло в теплообменнике также воде, но уже не представляющей опасности радиоактивного излучения. Поскольку вода в теплообменнике превращается в пар, его называют парогенератором. Горячий пар поступает в турбину, преобразующую тепловую энергию пара в механическую энергию. Энергия движения паровой турбины преобразуется в электрическую энергию генератором, вал которого непосредственно соединен с валом турбины. АЭС, являющиеся наиболее современным видом электростанций, имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций: не требуют привязки к источнику сырья и собственно могут быть размещены в любом месте, при нормальном режиме функционирования считаются экологически безопасными. Но при авариях на АЭС возникает потенциальная опасность радиационного загрязнения среды. Кроме того существенной проблемой остается утилизация радиоактивных отходов и демонтаж отслуживших свой срок АЭС.
Альтернативная энергетика - совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены, не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии района. Альтернативный источник энергии - способ, устройство или сооружение, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле. Цель поиска альтернативных источников энергии - потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений.
Приливные электростанции
Использование энергии приливов началось еще в ХІ веке, когда на берегах Белого и Северного морей появились мельницы и лесопилки. Два раза в сутки уровень океана то поднимается под действием гравитационных сил Луны и Солнца, притягивающих к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13-18 метров. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор. Считается экономически целесообразным строительство приливных электростанций в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 метров. В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. Приливные электростанции двустороннего действия способны вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 часов с перерывами в 1-2 часа четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока. Недостаток приливных электростанций в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым – условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.
Ветряные электростанции
Энергия ветра – это косвенная форма солнечной энергии, являющаяся следствием разности температур и давлений в атмосфере Земли. Около 2% поступающей на Землю солнечной энергии превращается в энергию ветра. Ветер – возобновляемый источник энергии. Его энергию можно использовать почти во всех районах Земли. Получение электроэнергии от ветросиловых установок является чрезвычайно привлекательной, но вместе с тем технически сложной задачей. Трудность заключается в очень большой рассеянности энергии ветра и в его непостоянстве. Принцип действия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти установки, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор вырабатывает электрическую энергию, и, таким образом, энергия ветра превращается в электрический ток. Производство ВЭС очень дешево, но их мощность мала, и их работа зависит от погоды. К тому же они очень шумны, поэтому крупные установки даже приходится на ночь отключать. Помимо этого, ветряные электростанции создают помехи для воздушного сообщения, и даже для радиоволн. Применение ВЭС вызывает локальное ослабление силы воздушных потоков, мешающее проветриванию промышленных районов и даже влияющее на климат. Наконец, для использования ВЭС, необходимы огромные площади много больше, чем для других типов электрогенераторов. И все же изолированные ВЭС с тепловыми двигателями как резерв и ВЭС, которые работают параллельно с тепло – и гидростанциями, должны занять видное место в энергоснабжении тех районов, где скорость ветра превышает 5 м/с.
Геотермальные электростанции
Геотермальная энергия – это энергия внутренних областей Земли. Извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромном жаре внутри планеты. Ученые оценивают температуру ядра Земли в тысячи градусов Цельсия. Геотермальное тепло – это тепло, содержащееся в подземной горячей воде и водяном паре, и тепло нагретых сухих пород. Геотермальные тепловые электростанции (ГеоТЭС) преобразуют внутреннее тепло Земли (энергию горячих пароводяных источников) в электрическую энергию. Источниками геотермальной энергии могут быть подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды или пара. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Полученный таким способом природный пар после предварительной очистки от газов, вызывающих разрушение труб, направляется в турбины, соединенные с электрогенераторами. Использование геотермальной энергии не требует больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии. К недостаткам ГеоТЭС относится возможность локального оседания грунтов и пробуждения сейсмической активности. А выходящие из-под земли газы создают в окрестностях немалый шум и могут, к тому же, содержать отравляющие вещества. Кроме того, ГеоТЭС построить можно не везде, потому что для ее постройки необходимы геологические условия.
Солнечные электростанции
Солнечная энергия – наиболее грандиозный, дешевый, но, и, пожалуй, наименее используемый человеком источник энергии. Преобразование энергии солнечного излучения в электрическую энергию осуществляется с помощью солнечных электростанций. Различают термодинамические СЭС, в которых солнечная энергия сначала преобразуется в тепловую, а затем в электрическую; и фотоэлектрические станции, непосредственно преобразующие солнечную энергию в электрическую энергию. Фотоэлектрические станции бесперебойно снабжают электроэнергией речные бакены, сигнальные огни, системы аварийной связи, лампы маяков и многие другие объекты, расположенные в труднодоступных местах. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения (отопления, горячего водоснабжения, освещения и питания бытовых электроприборов). Солнечные электростанции обладают заметным преимуществом перед станциями других типов: отсутствием вредных выбросов и экологической чистотой, бесшумностью в работе, сохранением в неприкосновенности земных недр.
Передача электроэнергии на расстояние
Электроэнергия производится вблизи источников топлива или гидроресурсов, в то время как ее потребители находятся повсеместно. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Рассмотрим принципиальную схему передачи электроэнергии от генератора к потребителю. Обычно генераторы переменного тока на электростанциях вырабатывают напряжение, не превышающее 20 кВ, так как при более высоких напряжениях резко возрастает возможность электрического пробоя изоляции в обмотке и в других частях генератора. Для сохранения передаваемой мощности напряжение в ЛЭП должно быть максимальным, поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Однако напряжение в линии электропередачи ограничено: при слишком высоком напряжении между проводами возникают разряды, приводящие к потерям энергии. Для использования электроэнергии на промышленных предприятиях требуется значительное снижение напряжения, осуществляемое с помощью понижающих трансформаторов. Дальнейшее снижение напряжения до величины порядка 4 кВ необходимо для электрораспределения по местным сетям, т.е. по тем проводам, которые мы видим на окраинах наших городов. Менее мощные трансформаторы снижают напряжение до 220 В (напряжение, используемое большинством индивидуальных потребителей).
Эффективное использование электроэнергии
Электроэнергия занимает существенное место в статье расходов каждой семьи. Ее эффективное использование позволит значительно снизить издержки. Все чаще в наших квартирах «прописываются» компьютеры, посудомоечные машины, кухонные комбайны. Поэтому и плата за электроэнергию весьма значительна. Возросшее энергопотребление приводит к дополнительному потреблению невозобновляемых природных ресурсов: уголь, нефть, газ. При сжигании топлива в атмосферу выбрасывается углекислый газ, что приводит к пагубным климатическим изменениям. Экономия электричества позволяет сократить потребление природных ресурсов, а значит, и снизить выбросы вредных веществ в атмосферу.
Четыре ступени энергосбережения
Не забывайте выключать свет.
Использовать энергосберегающие лампочки и бытовую технику класса А.
Хорошо утеплять окна и двери.
Установить регуляторы подачи тепла (батареи с вентилем).
Энергетика Чувашии - одна из самых развитых отраслей промышленности республики, от работы которой напрямую зависит социальное, экономическое и политическое благополучие. Энергетика - это основа функционирования экономики и жизнеобеспечения республики. Работа энергетического комплекса Чувашии настолько прочно связана с повседневной жизнью каждого предприятия, учреждения, фирмы, дома, каждой квартиры и в итоге – каждого жителя нашей республики.
В самом начале XX века, когда электроэнергетика делала еще только первые практические шаги.
До 1917г. на территории современной Чувашии не было ни одной электрической станции общественного пользования. Крестьянские дома освещались лучиной.
В промышленности имелось всего 16 первичных двигателей. В Алатырском уезде электроэнергию производили и использовали на лесопильном заводе, на мукомольных предприятиях. Небольшая электростанция имелась на винокуренном заводе вблизи Марпосада. Собственную электростанцию на маслобойном заводе в г.Ядрине имели купцы Таланцевы. В Чебоксарах небольшую электростанцию имел купец Ефремов. Она обслуживала лесопильное производство и два его дома.
Как в домах, так и на улицах городов Чувашии света почти не было.
Развитие энергетики Чувашии начинается после 1917г. С 1918г. начинается строительство электростанций общественного пользования, разворачивается большая работа по созданию электроэнергетики в г.Алатырь. Первую электростанцию решили построить в то время на бывшем заводе Попова.
В Чебоксарах вопросами электрификации занимался отдел коммунального хозяйства. Его усилиями в 1918г. возобновила работу электростанция на лесопильном заводе, принадлежавшем купцу Ефремову. Электроэнергия по двум линиям поступала в государственные учреждения и на уличное освещение.
Образование Чувашской автономной области (24 июня 1920г.) создало благоприятные условия для развития энергетики. Именно в 1920г. в связи с острой нуждой областной отдел коммунального хозяйства оборудовал первую небольшую электростанцию г.Чебоксары, мощность в 12 кВт.
Мариинско-Посадская электростанция была оборудована в 1919г. Начала давать электроэнергию Марпосадская городская электростанция. Цивильская электростанция была построена в 1919г., но из-за отсутствия линий электропередач отпуск электроэнергии стал производиться только с 1923 года.
Таким образом, первые основы энергетики Чувашии закладывались в годы интервенции и гражданской войны. Создавались первые небольшие городские коммунальные электростанции общественного пользования общей мощностью около 20 кВт.
До революции 1917 года на территории Чувашии не было ни одной электрической станции общественного пользования, в домах царила лучина. При лучине или керосиновой лампе работали даже в небольших мастерских. Здесь же кустари использовали оборудование с механическим приводом. На более солидных предприятиях, где обрабатывали сельскохозяйственные и лесные продукты, варили бумагу, сбивали масло и мололи муку,
имелось 16 маломощных двигателей.
При большевиках пионером энергетики Чувашии стал г. Алатырь. В этом небольшом городке благодаря усилиям местного совнархоза появилась первая общественная электростанция.
В Чебоксарах вся электрификация в 1918 году свелась к тому, что восстановили электростанцию на конфискованном у купца Ефремова лесопильном заводе, который стал называться «Имени 25 октября». Однако ее электроэнергии хватило лишь на освещение некоторых улиц и госучреждений (по статистике в 1920 году городским чиновникам светило около 100 лампочек мощностью 20 свечей).
В 1924 году были построены еще три небольших электростанции, и, для управления увеличивающейся энергетической базой, 1 октября 1924 года было создано Чувашское объединение коммунальных электростанций – ЧОКЭС. В 1925 году Госплан республики принял план электрификации, по которому предусматривалось за 5 лет построить 8 новых электростанций – 5 городских (в Чебоксарах, Канаше, Марпосаде, Цивильске и Ядрине) и 3 сельских (в Ибресях, Вурнарах и Урмарах). Реализация этого проекта позволила электрифицировать 100 сел – в основном Чебоксарского и Цивильского районов и вдоль тракта Чебоксары – Канаш, 700 крестьянских дворов, некоторые кустарные мастерские.
За 1929-1932 годы мощности коммунальных и промышленных электростанций республики выросли почти в 10 раз; выработка электроэнергии этими электростанциями увеличилась почти в 30 раз.
В годы Великой Отечественной войны были проведены большие мероприятия по укреплению и развитию энергетической базы промышленности республики. Рост мощностей происходил главным образом за счёт роста мощностей районных, коммунальных и сельских электростанций. Энергетики Чувашии с честью выдержали тяжёлое испытание и выполнили свой патриотический долг. Они понимали, что производимая электроэнергия необходима, в первую очередь, предприятиям, выполняющим заказы с фронта.
За годы послевоенной пятилетки в Чувашской АССР построено и сдано в эксплуатацию 102 сельских электростанции, вт.ч. 69 ГЭС и 33 ТЭС. Отпуск электроэнергии сельскому хозяйству увеличился в 3 раза по сравнению с 1945 годом.
В 1953 году в Алатыре по приказу, подписанному Сталиным, было начато строительство Алатырской ТЭС. Первый турбогенератор мощностью 4 МВТ был введен в эксплуатацию в 1957 году, 2-й - в 1959 году. По прогнозам, мощности ТЭС должно было хватить до1985 г. как для города, так и района и обеспечить электроэнергией Тургеньевский Светозавод в Мордовии.
Библиографический список
Учебник С.В.Громова «Физика, 10 класс». Москва: Просвещение.
Энциклопедический словарь юного физика. Состав. В.А. Чуянов, Москва: Педагогика.
Эллион Л., Уилконс У.. Физика. Москва: Наука.
Колтун М. Мир физики. Москва.
Источники энергии. Факты, проблемы, решения. Москва: Наука и техника.
Нетрадиционные источники энергии. Москва: Знание.
Юдасин Л.С.. Энергетика: проблемы и надежды. Москва: Просвещение.
Подгорный А.Н. Водородная энергетика. Москва: Наука.
Приложение
|
Электростанция
|
Первичный источник энергии |
Схема преобразования энергии
|
Преимущества |
Недостатки |
|
|
| |||||
|
| |||||
|
|
|||||
|
| |||||
|
ГеоТЭС
|
|
. |
|
Закончите предложение: Энергосистема - это
|
Энергосистема - Электрическая система районов страны, соединенная высоковольтными линиями электропередачи |
|
Что является источником энергии на ГЭС?
| |
|
Какие источники энергии – возобновляемые или невозобновляемые – используются в Республике Чувашия? |
Невозобновляемые |
|
Расположите в хронологическом порядке источники энергии, которые становились доступны человечеству, начиная с самых ранних: А. Электрическая тяга; Б. Атомная энергия; В. Мускульная энергия домашних животных; Г. Энергия пара.
|
|
|
Назовите известные вам источники энергии, использование которых приведет к уменьшению экологических последствий электроэнергетики. |
ПЭС ГеоТЭС |
|
Проверьте себя по ответам на экране и выставьте оценку: 5 верных ответов – 5 4 верных ответа – 4 3 верных ответа - 3 |
Все технологические процессы любого производства связаны с потреблением энергии. На их выполнение расходуется подавляющая часть энергетических ресурсов.
Важнейшую роль на промышленном предприятии играет электрическая энергия – самый универсальный вид энергии, являющейся основным источником получения механической энергии.
Преобразование энергии различных видов в электрическую происходит на электростанциях .
Электростанциями называются предприятия или установки, предназначенные для производства электроэнергии. Топливом для электрических станций служат природные богатства – уголь, торф, вода, ветер, солнце, атомная энергия и др.
В зависимости от вида преобразуемой энергии электростанции могут быть разделены на следующие основные типы: тепловые, атомные, гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие, газотурбинные, а также маломощные электрические станции местного значения – ветряные, солнечные, геотермальные, морских приливов и отливов, дизельные и др.
Основная часть электроэнергии (до 80 %) вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС). Процесс получения электрической энергии на ТЭС заключается в последовательном преобразовании энергии сжигаемого топлива в тепловую энергию водяного пара, приводящего во вращение турбоагрегат (паровую турбину, соединённую с генератором). Механическая энергия вращения преобразуется генератором в электрическую. Топливом для электростанций служат каменный уголь, торф, горючие сланцы, естественный газ, нефть, мазут, древесные отходы.
При экономичной работе ТЭС, т.е. при одновременном отпуске потребителем оптимальных количеств электроэнергии и теплоты, их КПД достигает более 70 %. В период, когда полностью прекращается потребление теплоты (например, в неотопительный сезон), КПД станции снижается.
Атомные электростанции (АЭС) отличаются от обычной паротурбинной станции тем, что на АЭС в качестве источника энергии используется процесс деления ядер урана, плутония, тория и др. В результате расщепления этих материалов в специальных устройствах – реакторах, выделяется огромное количество тепловой энергии.
По сравнению с ТЭС атомные электростанции расходуют незначительное количество горючего. Такие станции можно сооружать в любом месте, т.к. они не связаны с местом расположения естественных запасов топлива. Кроме того, окружающая среда не загрязняется дымом, золой, пылью и сернистым газом.
На гидроэлектростанциях (ГЭС) водная энергия преобразуется в электрическую при помощи гидравлических турбин и соединённых с ними генераторов.
Различают ГЭС плотинного и деривационного типов. Плотинные ГЭС применяют на равнинных реках с небольшими напорами, деривационные (с обходными каналами) – на горных реках с большими уклонами и при небольшом расходе воды. Следует отметить, что работа ГЭС зависит от уровня воды, определяемого природными условиями.
Достоинствами ГЭС являются их высокий КПД и низкая себестоимость выработанной электроэнергии. Однако следует учитывать большую стоимость капитальных затрат при сооружении ГЭС и значительные сроки их сооружения, что определяет большой срок их окупаемости.
Особенностью работы электростанций является то, что они должны вырабатывать столько энергии, сколько её требуется в данный момент для покрытия нагрузки потребителей, собственных нужд станций и потерь в сетях. Поэтому оборудование станций должно быть всегда готово к периодическому изменению нагрузки потребителей в течении дня или года.
Большинство электростанций объединены в энергетические системы , к каждой из которых предъявляются следующие требования:
- Соответствие мощности генераторов и трансформаторов максимальной мощности потребителей электроэнергии.
- Достаточная пропускная способность линий электропередач (ЛЭП).
- Обеспечение бесперебойного электроснабжения при высоком качестве энергии.
- Экономичность, безопасность и удобство в эксплуатации.
Для обеспечения указанных требований энергосистемы оборудуют специальными диспетчерскими пунктами, оснащёнными средствами контроля, управления, связи и специальными схемами расположения электростанций, линий передач и понижающих подстанций. Диспетчерский пункт получает необходимые данные и сведения о состояниях технологического процесса на электростанциях (расходе воды и топлива, параметрах пара, скорости вращения турбин и т.д.); о работе системы – какие элементы системы (линии, трансформаторы, генераторы, нагрузки, котлы, паропроводы) в данный момент отключены, какие находятся в работе, в резерве и т.д.; об электрических параметрах режима (напряжениях, токах, активных и реактивных мощностях, частоте и т.д.).
Работа электростанций в системе даёт возможность за счёт большого количества параллельно работающих генераторов повысить надёжность электроснабжения потребителей, полностью загрузить наиболее экономические агрегаты электростанций, снизить стоимость выработки электроэнергии. Кроме того, в энергосистеме снижается установленная мощность резервного оборудования; обеспечивается более высокое качество электроэнергии, отпускаемой потребителям; увеличивается единичная мощность агрегатов, которые могут быть установлены в системе.
В России, как и во многих других странах, для производства и распределения электроэнергии применяется трёхфазный переменный ток частотой 50Гц (в США и ряде других стран 60Гц). Сети и установки трёхфазного тока более экономичны по сравнению с установками однофазного переменного тока, а также дают возможность широко использовать в качестве электропривода наиболее надёжные, простые и дешевые асинхронные электродвигатели.
Наряду с трёхфазным током в некоторых отраслях промышленности применяют постоянный ток, который получают выпрямлением переменного тока (электролиз в химической промышленности и цветной металлургии, электрифицированный транспорт и др.).
Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, необходимо передать в места её потребления, прежде всего в крупные промышленные центры страны, которые удалены от мощных электростанций на многие сотни, а иногда и тысячи километров. Но электроэнергию недостаточно передать. Её необходимо распределить среди множества разнообразных потребителей – промышленных предприятий, транспорта, жилых зданий и т.д. Передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют при высоком напряжении (до 500кВт и более), чем обеспечиваются минимальные электрические потери в линиях электропередачи и получается большая экономия материалов за счёт сокращения сечений проводов. Поэтому в процессе передачи и распределения электрической энергии приходится повышать и понижать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитных устройств, называемых трансформаторами. Трансформатор не является электрической машиной, т.к. его работа не связана с преобразованием электрической энергии в механическую и наоборот; он преобразует лишь напряжение электрической энергии. Повышение напряжения осуществляется при помощи повышающих трансформаторов на электростанциях, а понижение – при помощи понижающих трансформаторов на подстанциях у потребителей.
Промежуточным звеном для передачи электроэнергии от трансформаторных подстанций к приёмникам электроэнергии являются электрические сети .
Трансформаторная подстанция – это электроустановка, предназначенная для преобразования и распределения электроэнергии.
Подстанции могут быть закрытыми или открытыми в зависимости от расположения её основного оборудования. Если оборудование находится в здании, то подстанция считается закрытой; если на открытом воздухе, то – открытой.
Оборудование подстанций может быть смонтировано из отдельных элементов устройств или из блоков, поставляемых в собранном для установки виде. Подстанции блочной конструкции называются комплектными.
В оборудование подстанций входят аппараты, осуществляющие коммутацию и защиту электрических цепей.
Основной элемент подстанций – силовой трансформатор. Конструктивно силовые трансформаторы выполняются так, чтобы максимально отвести тепло, выделяемое ими при работе от обмоток и сердечника в окружающую среду. Для этого, например, сердечник с обмотками погружают в бак с маслом, делают поверхность бака ребристой, с трубчатыми радиаторами.
Комплектные трансформаторные подстанции, устанавливаемые непосредственно в производственных помещениях мощностью до 1000 кВА, могут оснащаться сухими трансформаторами.
Для увеличения коэффициента мощности электроустановки на подстанциях устанавливают статические конденсаторы, компенсирующие реактивную мощность нагрузки.
Автоматическая система контроля и управления аппаратами подстанции следит за процессами, происходящими в нагрузке, в сетях электроснабжения. Она выполняет функции защиты трансформатора и сетей, отключает при посредстве выключателя защищаемые участки при аварийных режимах, осуществляет повторное включение, автоматическое включение резерва.
Трансформаторные подстанции промышленных предприятий подключаются к питающей сети различными способами в зависимости от требований надёжности бесперебойного электроснабжения потребителей.
Типовыми схемами, осуществляющими бесперебойное электроснабжение, являются радиальная, магистральная или кольцевая.
В радиальных схемах от распределительного щита трансформаторной подстанции отходят линии, питающие крупные электроприёмники: двигатели, групповые распределительные пункты, к которым присоединены более мелкие приёмники. Радиальные схемы применяются в компрессорных, насосных станциях, цехах взрыво- и пожароопасных, пыльных производств. Они обеспечивают высокую надёжность электроснабжения, позволяют широко использовать автоматическую аппаратуру управления и защиты, но требуют больших затрат на сооружение распределительных щитов, прокладку кабеля и проводов.
Магистральные схемы применяются при равномерном распределении нагрузки по площади цеха, когда не требуется сооружать распределительный щит на подстанции, что удешевляет объект; можно использовать сборные шинопроводы, что ускоряет монтаж. При этом перемещение технологического оборудования не требует переделки сети.
Недостатком магистральной схемы является низкая надёжность электроснабжения, так как при повреждении магистрали отключаются все электроприёмники, присоединённые к ней. Однако установка перемычек между магистралями и применение защиты существенно повышает надёжность электроснабжения при минимальных затратах на резервирование.
От подстанций ток пониженного напряжения промышленной частоты распределяется по цехам с помощью кабелей, проводов, шинопроводов от цехового распределительного устройства до устройств электроприводов отдельных машин.
Перерывы в электроснабжении предприятий, даже кратковременные, приводят к нарушениям технологического процесса, порче продукции, повреждению оборудования и невосполнимым убыткам. В некоторых случаях перерыв в электроснабжении может создать взрыво- и пожароопасную обстановку на предприятиях.
Правилами устройства электроустановок все приёмники электрической энергии по надёжности электроснабжения подразделяются на три категории:
- Приёмники энергии, для которых недопустим перерыв в электроснабжении, поскольку он может привести к повреждению оборудования, массовому браку продукции, нарушению сложного технологического процесса, нарушению работы особо важных элементов городского хозяйства и в конечном счёте – угрожать жизни людей.
- Приёмники энергии, перерыв в электроснабжении которых приводит к невыполнению плана выпуска продукции, простою рабочих, механизмов и промышленного транспорта.
- Остальные приёмники электрической энергии, например цехи несерийного и вспомогательного производства, склады.
Электроснабжение приёмников электрической энергии первой категории в любых случаях должно быть обеспечено и при нарушении его автоматически восстановлено. Поэтому такие приёмники должны иметь два независимых источника питания, каждый из которых может полностью обеспечить их электроэнергией.
Приёмники электроэнергии второй категории могут иметь резервный источник электроснабжения, подключение которого производится дежурным персоналом через некоторый промежуток времени после отказа основного источника.
Для приёмников третьей категории резервный источник питания, как правило, не предусматривается.
Электроснабжение предприятий подразделяется на внешнее и внутреннее. Внешнее электроснабжение – это система сетей и подстанций от источника электропитания (энергосистемы или электростанции) до трансформаторной подстанции предприятия. Передача энергии в этом случае осуществляется по кабельным или воздушным линиям номинальным напряжением 6, 10, 20, 35, 110 и 220 кВ. К внутреннему электроснабжению относится система распределения энергии внутри цехов предприятия и на его территории.
К силовой нагрузке (электродвигатели, электропечи) подводится напряжение 380 или 660 В, к осветительной – 220 В. Двигатели мощностью 200 кВт и более в целях снижения потерь целесообразно подключать на напряжение 6 или 10 кВ.
Наиболее распространённым на промышленных предприятиях является напряжение 380 В. Широко внедряется напряжение 660 В, что позволяет снизить потери энергии и расход цветных металлов в сетях низшего напряжения, увеличить радиус действия цеховых подстанций и мощность каждого трансформатора до 2500 кВА. В ряде случаев при напряжении 660 В экономически оправданным является применение асинхронных двигателей мощностью до 630 кВт.
Распределение электроэнергии производится с помощью электропроводок – совокупности проводов и кабелей с относящимися к ним креплениями, поддерживающими и защитными конструкциями.
Внутренняя проводка – это электропроводка, проложенная внутри здания; наружная – вне его, по наружным стенам здания, под навесами, на опорах. В зависимости от способа прокладки, внутренняя проводка может быть открытой, если она проложена по поверхности стен, потолков и т.д., и скрытой, если она проложена в конструктивных элементах зданий.
Проводка может быть проложена изолированным проводом или небронированным кабелем сечением до 16 кв.мм. В местах возможного механического воздействия электропроводку заключают в стальные трубы, герметизируют, если среда помещения взрывоопасная, агрессивная. На станках, полиграфических машинах проводка выполняется в трубах, в металлических рукавах проводом с полихлорвиниловой изоляцией, не разрушающейся от воздействия на неё машинными маслами. Большое количество проводов системы управления электропроводом машины укладывается в лотках. Для передачи электроэнергии в цехах с большим количеством производственных машин применяются шинопроводы.
Для передачи и распределения электроэнергии широко применяются силовые кабели в резиновой, свинцовой оболочке; небронированные и бронированные. Кабели могут укладываться в кабельные каналы, укрепляться на стенах, в земляных траншеях, заделываться в стены.