Потребление и производство электроэнергии

Сегодня в мире ежегодно производится более 14000 млрд. кВт·ч электроэнергии. Примерно 63 % вырабатывается на тепловых электростанциях, 19 % на ГЭС и 18 % на АЭС. На каждого жителя планеты приходится более 2000 кВт·ч электроэнергии в год. При этом в восьми странах, в основном северных, на человека приходится более 10000 кВт·ч, в России примерно 6000 кВт·ч.

В России в 2014 г было выработано около 1050 млрд. кВт·ч. Установленная мощность всех электростанций составляет примерно 240 ГВт, из них 40 ГВт, выработавших свой ресурс, должны быть демонтированы в ближайшие годы. В структуре производства электроэнергии доля ТЭС – 67 %, ГЭС –16%, АЭС–17%.

Основой ТЭС являются блоки мощностью от 150 до 800 МВт. Сегодня в эксплуатации находятся 7 блоков мощность 500 МВт, 15 блоков по 800 МВт и 1 блок мощностью 1200 МВт. Максимальная мощность блока АЭС – 1000 МВт, ГЭС – 640 МВт.

Объем потребления электроэнергии в России составляет примерно 1000 млрд. кВт·ч в год. Более 5 % выработанной электроэнергии расходуется на транспорт ее до потребителей, т.е. теряется при передаче. Небольшая часть вырабатываемой электроэнергии экспортируется.

Структура потребления постепенно меняется и сегодня ориентировочно

выглядит следующим образом:

· промышленность – 58 %;

· транспорт – 9,9 %;

· сфера услуг – 11,7 %;

· коммунально-бытовой сектор – 11,1 %;

· сельское хозяйство – 8,8 %.

Для обеспечения надежного электроснабжения потребителей 94% электростанций России объединены в единую энергосистему ЕЭС России. установленная мощность которой примерно 220 ГВт.

Основное оборудование электростанций

Основное силовое электрическое оборудование электростанций не зависит от их типа и включает синхронные генераторы разной мощности и типа, силовые трансформаторы и коммутационное оборудование.

Синхронный генератор

Используется для преобразования механической энергии первичного двигателя – турбины в электрическую энергию. Принцип работы синхронного генератора основан на законе электромагнитной индукции Фарадея, который в самом общем виде устанавливает, что ЕДС определяется скоростью изменения магнитного потока Ф, который пронизывает контур проводника. Синхронный генератор переменного трехфазного тока (рисунок 3.1) состоит из неподвижного статора и вращающегося под действием турбины ротора.

Обычно ротор выполняется в виде электромагнита, имеющего одну или несколько пар полюсов. Магнитный поток создается обмоткой возбуждения, которая питается от специального источника постоянного тока – возбудителя через контактные кольца и щетки. В пазах статора, выполненного из листов электротехнической стали, размещаются медные стержни, соединяемые по торцам в три фазные обмотки, сдвинутые в пространстве на 120 электрических градусов. При вращении ротора в каждом стержне наводится ЭДС, пропорциональная магнитной индукции, длине стержня и скорости вращения ротора.

Рисунок 3.1. Принципиальная схема синхронного генератора

Для получения синусоидальной ЕДС необходимо, чтобы распределение индукции по окружности было синусоидальным. Так как все стержни обмоток соединяются последовательно, то ЕДС на зажимах обмоток определяется суммой ЕДС каждого стержня. За один оборот ротора при одной паре полюсов происходит полный период изменения ЕДС.

Частота переменного тока f при вращении ротора со скоростью n оборотов в минуту и числе пар полюсов p определяется по формуле

f=pn /60.

Мощный синхронный генератор представляет собой сложное и громоздкое сооружение. Масса генератора мощностью 800 МВт составляет около 480 т, а ротора 80 т. Размеры ротора ограничены условиями механической прочности. Длина его не может превышать 8–10 м, а его диаметр 1,2–1,3 м при n= 3000 об/мин. Ограничен и внешний диаметр конструкции статора, который не должен превышать железнодорожного габарита.

В этих условиях возможности роста единичной мощности генератора связаны с постоянным усложнением системы охлаждения его. Турбогенераторы мощностью 100 МВт охлаждались воздухом, для 150 МВт пришлось использовать водород, а при переходе на 200 МВт выполнять стержни полыми и прогонять уже и через них водород. В турбогенераторах 300 МВт для охлаждения обмоток статора стали применять дистиллированную воду. Сегодня реализована система охлаждения 3В, при которой воду используют для охлаждения обмоток статора, ротора и железа статора.

Для освоения выпуска новых серий генераторов с высокими технико-экономическими показателями требуются самые современные технологии и новые материалы. Перспективно применение обмоток на основе высокотемпературной сверхпроводимости.

Силовые трансформаторы

Номинальное напряжение, на которое рассчитаны обмотки статора генератора ограничено возможностями изоляции его обмоток и сегодня не превышает 30 кВ. При этом ток статора для мощных генераторов достигает нескольких тысяч ампер. Например, для генератора 800 МВт при номинальном напряжении 24 кВ номинальный ток статора равен 21500 А. Для повышения напряжения и пропорционального снижения тока и применяются блочные трансформаторы.

Принцип действия их основан также на явлениях магнитной индукции(рисунок 3.2). В результате прохождения переменного тока, выдаваемого генератором, по первичной обмотке трансформатора в магнитной системе его создается переменный магнитный поток Ф, который в каждом витке обмоток наводит практически одинаковые ЕДС. Во вторичной обмотке повышающего трансформатора число витков значительно больше, чем в первичной, что и приводит к повышению напряжения.

Отношение числа витков n₂/n₁ определяет величину коэффициента трансформации. Для снижения напряжения у потребителей применяются понижающие трансформаторы.

Рисунок 3.2. Принципиальная схема трансформатора

 

Мощные трансформаторы имеют сложную конструкцию и значительные размеры. Магнитная система, набранная из тонких изолированных листов электротехнической стали, с обмотками размещается в баке, заполненном трансформаторным маслом. Масло выполняет функции изоляции и отвода тепла. На крышке бака размещаются высоковольтные вводы каждой обмотки и другие элементы конструкции.

Современные трансформаторы и автотрансформаторы должны иметь сниженные потери и затраты на охлаждение, надежные ввода, в том числе с твердой изоляцией, устройства регулирования напряжения под нагрузкой, средства диагностики в темпе процесса, системы предупреждения и тушения пожара.

Высоковольтные выключатели

Для целей включения и отключения основного оборудования электрических установок используются коммутационные аппараты. Наиболее сложными и ответственными из низ являются выключатели. Они предназначены для включения и отключения токов в электрической цепи в нормальных и аварийных режимах. При расхождении контактов при отключении между ними возникает дуга переменного тока, при горении которой образуется плазма, препятствующая разрыву цепи. Для гашения дуги используются специальные дугогасящие устройства, работающие на разных принципах, что и определяет разнообразие типов и конструкций выключателей. На рисунке 3.3 показана принципиальная схема простейшего масляного бакового выключателя, уже давно снятого с производства. Здесь гашение дуги происходит за счет температурного разложения масла и возникновения газового пузыря в межконтактном промежутке.

Важнейшее назначение выключателя – отключение поврежденного в результате короткого замыкания участка электрической цепи. При таком повреждении ток в цепи повышается во много раз, а механические усилия на элементы конструкции и выделяющееся тепло, пропорциональные квадрату тока, могут привести к разрушению элементов электроустановок. При этом сохранение установки во многом определяется техническими характеристиками выключателя: его быстродействием и способностью отключать большие по величине токи, а также качеством работы специальной автоматической релейной эащиты.

Рисунок 3.3. Схема бакового выключателя:

1– бак; 2– масло; 3–крышка корпуса; 4–ввод; 5–отключающая пружина;

6–привод; 7–неподвижный контакт; 8-подвижный контакт; 9–изоляционный цилиндр.

Сегодня вновь строящиеся и реконструируемые подстанции оснащаются элегазовыми и вакуумными выключателями, надежными и более удобными в эксплуатации. Для снижения токов коротких замыканий необходима разработка и внедрение ограничителей на основе устройств силовой полупроводниковой техники.

 

Разъединители

Эти коммутационные аппараты предназначены для размыкания электрической цепи, в которой отсутствует ток или протекает небольшой ток холостого хода, и создания видимого разрыва в цепи. Последнее важно для обеспечения безопасности проведения работ в действующих электроустановках.

Разъединители имеют различную конструкцию в зависимости от номинального напряжения и тока, места установки и типа привода. На рисунке 3.4 приведена фотография разъединителя коробчатого типа с ручным приводом на напряжение 10 кВ и ток 4000 А.

Разъединители не имеют дугогасящих устройств, поэтому не допускают отключения токов нагрузки.

Рисунок 3.4. Внешний вид разъединителя:

1–крепежная рама; 2–опорные изоляторы; 3–неподвижный контакт;

4–подвижный контакт; 5–изолирующая тяга; 6–ось привода.

 

При создании и развитии комплекса нового оборудования напряжением 110-1150 кВ необходимо обеспечить повышенную эксплуатационную надежность, оснащение диагностическими комплексами, преимущественное исполнение комплектных распределительных устройств с элегазовым наполнением, применение технически и экономически обоснованного гибкого управления потоками энергии с помощью устройств на базе силовой электроники.