Развитие электроэнергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Важнейшее направление деятельности любого государства - это знание истории развития его науки и техники. Оно позволяет правильно оценить обстановку в электроэнергетической отрасли, учесть опыт предшествующих поколений и развить отрасль, учитывая эти факты.

Развитие электроэнергетики - это мощная сила, влияющая на уровень жизни людей. Она меняет характер общества и является причиной социальных перемен. Кроме того, развитие электроэнергетики направляет общественное развитие.

Слово «электричество» воспринимается как большая область теоретического знания и практического применения, которая включает распределение, передачу, преобразование, получение, проявление, свойства и, конечно, использование электричества как материала и энергии во всех видах. Хотя рождение слова «электричество» относят к эпохе Античности, лишь в XIX в. была сформирована электрическая наука и создана электрическая техника. Первая превратилась в теоретические основы электротехники (ТОЭ), вторая - в электротехнику как отрасль промышленности и сферу деятельности, в частности в направление высшего образования.

Ещё в глубокой древности наблюдались магнитные и электрические явления. История светотехники насчитывает более полутора столетий. Она берёт своё начало во время создания первого электрохимического генератора в 1800 г. До этого момента были сделаны только первые шаги по созданию простейших электростатических машин и приборов и установлению некоторых закономерностей в области магнетизма и статического электричества

В период с 1800 по 1830 г. изучались действия электрического тока, был установлен ряд закономерностей в области электромагнетизма, а также проведение первых опытов по применению электричества на практике. В это время разрабатываются основы электродинамики, закладывается фундамент электротехники. Эти годы являются первым этапом развития электротехники

Второй этап развития электротехники проходил в период с 1831 по 1870. Он начался с открытия электромагнитной индукции, а закончился изобретением первого промышленного электрического генератора.

Третий этап, проходивший с 1870 по 1891, ознаменовался тем, что в промышленность внедрили электромашинный генератор постоянного тока и завершили исследования в области многофазных систем. Это период интенсивного развития электротехники в условиях децентрализованного производства электроэнергии и начального развития электростанций. В это время начинается становление электротехники как самостоятельной отрасли.

Решение проблемы передачи электроэнергии на расстояние, разработка промышленных типов трансформатора и асинхронного двигателя создали предпосылки для широкого развития электрификации. С этого времени начинается четвертый этап в развитии электротехники, продолжающийся до нашего времени.

В течение нескольких лет А. Вольта проводил исследований в области электричества. В ходе экспериментов он пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлов: «Металлы не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества», - утверждал А. Вольта.

Обобщением исследований А. Вольта была предложенная им теория «контактного электричества», суть которой такова: при соприкосновении различных металлов происходит разложение их «естественного» электричества; при этом электричество одного знака собирается на од-ном металле, а другого - на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «естественное» электричество, А. Вольта назвал электровозбудительной, или электродвижущей, силой; эта сила «перемещает электричество так, что получается разность напряжений»

Исследовав этот вопрос при помощи созданного им весьма чувствительного прибора - электроскопа с конденсатором, А. Вольта установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд, в котором «разность напряжений» между двумя металлами будет тем больше, чем дальше они расположены один от другого.

С современной точки зрения совершенно очевидна ошибочность идеи Вольта о возможности получения электрического тока посредством простого контакта разнородных металлов, т. е. получения электрической энергии без затраты для этого какого-либо другого вида энергии. Однако в начале XIX в. эта теория контактного электричества нашла много сторонников и на некоторое время удержалась в науке.

Многочисленные эксперименты привели А. Вольта к выводу, что непрерывный электрический «флюид» может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников - металлов (которые он называл «проводниками первого класса») и жидкостей (названных им «проводниками второго класса»). Опыты А. Вольта завершились построением в 1799 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных и цинковых кружков (пар), переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор, о котором он впервые сообщил президенту Лондонского королевского общества в марте 1800 г., был назван им «электродвижущим аппаратом», а позже французы стали его называть «гальваническим или вольтовым столбом»

Необходимость применения проводников второго класса (суконных кружков, смоченных водой или кислотой) А. Вольта объяснял следующим: при соприкосновении двух различных металлов электричество одного знака сосредоточивается на одном металле, а электричество противоположного знака - на другом. Если составить столб из нескольких пар различных металлов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинковая пластина будет находиться в соприкосновении с одинаковыми серебряными пластинами и их общее действие будет взаимно уничтожаться. Для того чтобы действие отдельных пар суммировалось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинковой пластинки только с одной серебряной. Это осуществляется с помощью проводников второго рода - суконных кружков, смоченных водой или кислотой, разделяющих пары металлов и не препятствующих движению электричества. Таким образом, А. Вольта, не понимая того, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостями, практически пришел к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую. Хотя Вольта и заметил, что поверхности приведенных в контакт разнородных металлов, составляющих гальваническую пару, подвергаются изменению (окисляются), тем не менее он не придал этому факту никакого значения.

А. Вольта предложил кроме столба еще и несколько иную конструкцию источника электрического тока - так называемую чашечную батарею, действие которой, по его мнению, также было основано на контакте между двумя металлами (влажную суконную прокладку столба заменяла жидкость). Чашечная батарея представляла собой соединение отдельных элементов, имевших форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в которую погружались одна медная и одна цинковая пластины. Кроме предложенных А. Вольта конструкций источника электрического тока вскоре были разработаны некоторые другие его модификации.

От первых опытов по электричеству до начала его широкого практического применения в 70-80-х годах XIX в. прошло более 300 лет.

Первые электрические установки были постоянного тока и применялись в телеграфии, освещении, гальванотехнике и минном деле. Они использовали электрохимические источники (например, медно-цинковые батареи) и имели значительные ограничения по мощности.

С разработкой электромашинных источников (генераторов) появились первые электростанции (блок-станции) для питания, в основном, электрического освещения, а также дополнительно -- вентиляторов, насосов и подъемников.

Генераторы этих электростанций приводились во вращение поршневыми паровыми машинами, радиус электроснабжения -- до 1-1,5 км на постоянном токе. Выдержав конкуренцию с газовыми компаниями, эти станции быстро развивались (в первую очередь, в крупных городах -- Париже, Нью-Йорке, Петербурге и др.).

В 90-х годах XIX в. с разработкой трехфазного синхронного генератора, трансформаторов и асинхронного двигателя начался переход на трехфазный переменный ток.

Первый опыт (1891 г.): электропередача Лауфен--Франкфурт (протяженность 170 км, напряжение 15 кВ, передаваемая мощность 220 кВт).

В конце XIX в. напряжение электропередач достигло 150 кВ. Электроэнергия быстрыми темпами стала завоевывать ведущие позиции в промышленности, транспорте, быту.

В настоящее время практически повсеместно используются трехфазные системы переменного тока частотой 50 и 60 Гц.

Преимущества электроэнергии:

· производство (в основном, преобразование механической энергии в электрическую) -- разнообразие используемых ресурсов [гидроэлектростанций (ГЭС), теплоэлектростанций (ТЭС), атомных электростанций (АЭС)], возможности концентрации мощностей и управления их размещением;

· передача -- возможность надежной и экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния;

· распределение -- простота канализации электроэнергии потребителям независимо от их мощности;

· потребление -- простота и экономичность преобразования электроэнергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую), а также существование ряда высокоэффективных электротехнических технологий -- электролиз, гальванотехника.

Сегодня подавляющее большинство потребителей использует для своих нужд именно переменный ток. Прежде всего, это связано с возможностью централизованного производства такого вида электроэнергии с последующей передачей ее на значительные расстояния. Использование переменного тока позволяет с помощью такого эффективного инструмента, как трансформатор, широко варьировать напряжением на отдельных участках цепи. электричество ток сеть

Как известно, мощность (которая в данном случае является прямыми потерями), выделяемая при нагревании проводника за счет прохождения через него электрического тока, обратно пропорциональна квадрату напряжения. Таким образом, увеличив напряжение в передающей электросети, например, в десять раз, можно сократить потери в 100.

Конечно, в этом случае потребуется дополнительная электроизоляция (в виде целых гирлянд керамических или стеклянных изоляторов на опорах ЛЭП), но это позволяет существенно снизить сечение проводников, что является гораздо более эффективным с экономической точки зрения конструктивным решением. Современные линии электропередач рассчитаны на работу при напряжениях от 110 до 750 кВольт.

Несомненным преимуществом использования переменного тока является также и более простая конструкция генераторов - главных источников преобразования различных видов энергии (и прежде всего механической) в электрическую. Они, как и электродвигатели аналогичного типа, более надежны в работе, проще в обслуживании и имеют более низкую себестоимость при изготовлении.

Кроме того, очень широко используется трехфазное переменное напряжение, позволяющее не только более экономно производить транспортировку электроэнергии, но и применять очень простые и надежные асинхронные двигатели. В последних за счет смещения фаз создается постоянно вращающее магнитное поле, позволяющее по максимуму упростить конструкцию.

Еще одним достоинством переменного тока является его относительно легкая возможность преобразования, при необходимости, в постоянный. Для этого используются хорошо зарекомендовавшие себя выпрямители различных типов.

При всех несомненных достоинствах переменного тока (простота производства и распространения, надежность и эффективность используемого самого разнообразного оборудования), есть определенные сферы, где постоянный ток прочно удерживает свои лидирующие позиции.

Прежде всего, это относится к электроприводам. Двигатели на постоянном токе позволяют формировать самые разнообразные электротехнические характеристики, которые недоступны при использовании переменного тока.

Их использование имеет главное преимущество в том, что обеспечивает достаточно широкий диапазон регулирования при относительной простоте его осуществления. Например, можно обеспечить необходимую скорость вращения ротора практически под любой нагрузкой.

Именно поэтому электродвигатели постоянного тока используются в качестве главных силовых агрегатов таких транспортных средств, как поезда метро, троллейбусы и трамваи.

Сегодня наиболее эффективными способами управления приводами на постоянном токе являются системы, предусматривающие тиристорно-импульсное регулирование.

Также есть определенная техника и технологии, которые предусматривают использование только постоянного тока. Это, прежде всего, электрохимические установки, использующие электролиз, специальные плавильные печи, а также различные автономные системы, использующие в качестве источника электроэнергии постоянный ток. В последнем случае диапазон применения достаточно велик: от освещения шахт до обеспечения жизнедеятельности космических станций на орбите.

В некоторых случаях использование постоянного тока является даже предпочтительным. В качестве примера можно привести следующие области его применения:

-- доставка электроэнергии между источником и потребителем, которые находятся на достаточно удаленном друг от друга месте без использования промежуточного оборудования;

-- возможность увеличения мощности уже имеющейся сети в тех случаях, когда прокладка дополнительных линий затруднена или не является экономически оправданной;

-- передача электроэнергии между системами, которые не синхронизированы между собой;

-- стабилизация стандартных электросетей переменного тока;

-- снижение потерь от коронных разрядов.

Весьма характерным примером использования постоянного тока являются подводные кабели, так как их большая длина при использовании переменного тока имеет слишком высокую емкостную составляющую. Это вызывает дополнительные потери при транспортировке.

Электрическая сеть как часть электроэнергетической системы обеспечивает возможность выдачи мощности электростанций, ее передачу на расстояние, преобразование параметров электроэнергии (напряжения, тока) на подстанциях и ее распределение по некоторой территории вплоть до непосредственных электроприемников.

Электрические сети современных энергосистем характеризуются многоступенчатостью, т.е. большим числом трансформаций на пути от источников электроэнергии к ее потребителям. Топологическая структура отдельных звеньев этой многоступенчатой сети достаточно сложна, она насчитывает десятки, а подчас и сотни узлов, ветвей и замкнутых контуров. Наряду со сложностью конфигурации характерной особенностью электрических сетей является их многорежимностъ. Под этим понимается не только разнообразие загрузки элементов сети в суточном и годовом разрезе при нормальном функционировании системы, вызываемое естественным изменением во времени нагрузки потребителей, но и обилие режимов, возникающих при выводе различных элементов сети в плановый ремонт и при их аварийных отключениях.

Сети напряжением до 1 кВ называются сетями низкого напряжения (НН). Сети напряжением выше 1 кВ, в свою очередь, делятся на сети среднего (СН), высокого (ВН), сверхвысокого (СВН) и ультравысокого (УВН) напряжения.

Все электроприемники, генераторы, трансформаторы и прочие элементы электроэнергетических систем проектируются для работы в длительном нормальном режиме при определенном напряжении, при котором эти элементы обладают наиболее целесообразными технико-экономическими показателями. Эти напряжения называются номинальными, и их значения всегда устанавливаются Государственным стандартом. В настоящее время для электрических сетей стандартизованы 4 напряжения менее 1 кВ (40, 220, 380 и 660 В) и 12 напряжений выше 1 кВ (3, 6, 10, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ). Все перечисленные цифры соответствуют линейным (междуфазным) значениям напряжений трехфазной системы переменного тока.

По размерам территории, охватываемой сетью, могут быть выделены так называемые местные (35 кВ), районные (110-220 кВ) и региональные сети (330 кВ). Линии электропередачи СВН, являющиеся основой последней категории сетей, служат как для связи отдельных районов и относительно небольших энергосистем в региональных ОЭС, так и для связи между собой крупных объединений.

По назначению различают системообразующие и распределительные сети. Первые осуществляют функции формирования районных энергосистем (РЭС) путем объединения их электростанций на параллельную работу, а также объединение РЭС и ОЭС между собой. Кроме того, они осуществляют передачу электроэнергии к системным подстанциям, выполняющим роль источников питания распределительных сетей. Распределительной линией считается линия, питающая ряд трансформаторных подстанций или вводы к электроустановкам потребителей. Такие линии и являются основой распределительной сети. Распределительные линии в принципе могут быть выделены в сетях различных номинальных напряжений. В связи с этим не следует отождествлять понятия местных и распределительных сетей, как это делалось ранее. В настоящее время по мере развития сетей СВН верхняя граница этого диапазона в ряде ОЭС сдвинулась в сторону более высоких напряжений, и современные сети 110-220 и даже 330 кВ постепенно приобретают характер распределительных. Так, по мере наложения вновь создаваемой сети 750 кВ на сеть 330 кВ в тех районах, где ранее последняя выполняла функции системообразующей, сети 330 кВ постепенно переходят в разряд распределительных. В будущем аналогичный процесс будет наблюдаться в тех частях ЕЭС России, где линии напряжением 1150 кВ возьмут на себя роль основных связей между ОЭС, в которых сейчас основными являются сети 500 кВ.

Наконец, местные и распределительные сети, согласно табл.1, могут различаться по характеру подключаемых к ним потребителей. При этом определенную специфику имеют сети, осуществляющие электроснабжение промышленных предприятий, городов и сельскохозяйственных районов и называемые соответственно промышленными, городскими и сельскими. Так, сельские электрические сети характеризуются значительной протяженностью. Они охватывают территории со сравнительно невысокой плотностью нагрузки, годовое число часов использования максимума которой также относительно невелико. Напротив, чисто промышленные сети, будучи относительно короткими, снабжают территории с большой плотностью нагрузки, причем, как правило, графики нагрузки промышленных предприятий характеризуются высокой степенью заполненности. В какой-то степени промежуточное положение занимают в этом плане городские сети. Сочетание коммунально-бытовых и промышленных потребителей на городских территориях обусловливает значительную неравномерность графиков нагрузок узлов городской сети. Эта неравномерность в ряде случаев (когда основными источниками питания города являются ТЭЦ, работающие по тепловому графику) вызывает необходимость привлечения дополнительных маневренных мощностей, позволяющих системе своевременно и быстро реагировать на резкие спады и подъемы нагрузки.

Помимо признаков, косвенно связанных со значением номинального напряжения сети, существуют и другие. Так, например, классифицируют сети по роду тока, по конфигурации, по отношению к помещению и по конструктивному выполнению.

В соответствии с родом тока различают сети переменного и постоянного тока. В дополнение следует упомянуть, что в России сети трехфазного переменного тока напряжением НО кВ и выше выполняются с глухим заземлением нейтрали, а сети более низких напряжений -- с изолированной или заземленной через дугогасящий реактор нейтралью.

С точки зрения конфигурации различают разомкнутые и замкнутые сети. К разомкнутым относятся сети, образованные радиальными или радиально-магистральными линиями, осуществляющие электроснабжение потребителей от одного источника питания, причем каждый потребитель получает питание с одного направления. К числу замкнутых относятся сети, которые обеспечивают питание потребителей не менее чем с двух сторон. Наиболее простой формой замкнутой сети является одноконтурная (кольцевая) сеть. Питающие сети, как правило, являются сложно-замкнутыми, т.е. имеют большое число контуров.

По отношению к помещению иногда различают внутренние и наружные сети. И, наконец, по конструктивному выполнени сети делятся на внутренние проводки (до 1 кВ), кабельные (до 500 кВ) и воздушные (до 750-1150 кВ) сети. Сети внутри промышленных предприятий иногда частично выполняются закрытыми комплектными токопроводами, прокладываемыми вдоль колонн и стен цехов на высоте, допустимой по условиям производства. Кабельные сети 6-20 кВ в настоящее время являются основой городских и промышленных распределительных сетей. Воздушные сети характерны для электроснабжения сельских потребителей, а также для районных и системообразующих сетей.

В мире наиболее распространены два основных стандарта напряжения и частоты. Один из них -- американский стандарт 100-127 вольт 60 герц, совместно с вилками A и B. Другой стандарт -- европейский, 220-240 вольт 50 герц, вилки типов C -- M.

Большинство стран приняли один из этих двух стандартов, хотя иногда встречаются переходные, или уникальные стандарты. На карте показано, в каких странах используются те или иные стандарты

Подводя итог выше сказанному, нужно отметить, что электротехнологии - это одно из ведущих направлений развития любого государства. Они развиваются с каждым годом, увеличивается мощность производимой электроэнергии и разрабатываются новые способы её более выгодного и мощного производства.

Размещено на Allbest.ru