SA Передача электроэнергии

Производство электроэнергии

В настоящее время большая часть электроэнергии производится на генераторах переменного тока, расположенных на электростанциях.

Различают три основных типа электростанций: тепловые, гидро- и атомные электростанции.

На тепловых электростанциях (ТЭС) источником энергии служит топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. В паровых котлах нагревает воду до высоких температур. А затем под действием пара приводят во вращение турбины, которые в свою очередь вращают роторы электрических генераторов. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Причем большая часть энергии теряется вместе с горячим отработавшим паром. Если этот пар использовать для технологических процессов в промышленных предприятиях, а также для бытовых нужд (отопление, горячее водоснабжение), то КПД достигает 60-70%.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) падающая вода вызывает вращение гидротурбины, соединенной с ротором генератора. Мощность станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней воды и от массы воды, проходящей через турбины в секунду (расхода воды). КПД ГЭС достигает 95 %.

На атомных электростанциях (АЭС) технология производства электрической энергии почти такая же, как и на ТЭС. Разница состоит в том, что на АЭС энергию для преобразования воды в пар получают при помощи ядерных реакций. КПД АЭС около 20 %.

Рис. 1. Макет атомной станции (Беларусь) представленной на выставке в ноябре 2007

Статистика Белэнерго за 2012 год

Суммарная установленная мощность электростанций Белорусской энергосистемы (БЭС):

• Конденсационные электростанции (БЭС): 2 станции, общей мощностью 3420,6 МВт (38%)
• Теплофикационные электростанции (БЭС): 35 станций, общей мощностью 4919 МВт (55%)
• Ветро- и гидроэлектростанции (БЭС): 24 станции, общей мощностью 27,7 МВт (0,3%)
• Промышленные блок-станции (ведомственные): 162 станции, общей мощностью 558 МВт (6%).

В 2012 году электростанциями "Белэнерго" выработано 28,046 млрд. кВт⋅ч электрической энергии и закуплено 7,898 млрд. кВт⋅ч:

• из них 4,051 млрд. кВт⋅ч из Украины,
• 3,698 млрд. кВт⋅ч из России,
• 0,149 млрд. кВт⋅ч из Литвы

Белэнерго.

См. также

1. Альтернативная энергетика в республике Беларусь
2. wikipedia Электростанция

Передача электроэнергии

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она преимущественно в местах, близких к источникам топливо- и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в больших количествах, поэтому возникает необходимость в передаче ее на большие расстояния. Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи (ЛЭП). Электрическая мощность, теряемая в проводах

\(P \sim {I^{2}} \cdot R\). (1)

Анализируя выражение (1), можно отыскать пути уменьшения теряемой мощности. Сопротивление R проводов зависит от длины проводов (дальности передачи энергии), от его удельного сопротивление и площади поперечного сечения. Длина проводов определяется условиями электропередачи, которые изменить невозможно. Для проводов и так уже используются преимущественно материалы с наименьшим значением удельного сопротивления (медь, алюминий). А увеличение площади поперечного сечения проводов малоэффективно, т.к. значительное их утолщение невозможно из-за большой массы и стоимости линии.

Остается единственный путь уменьшения потерь: увеличение напряжения (уменьшение силы тока) в линии электропередачи. Причем чем длиннее линия электропередачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, например, в городах электроэнергию при напряжении 220 В передают на расстояние не более 200 м, а при напряжении 6 кВ — на расстояние до 5 км. Для получения электроэнергии из Смоленской АЭС в нашу республику используется линия 750 кВ.

Линии переменного тока

Повышение и понижение напряжения легко достигается при применении трансформаторов, чем и объясняется широкое использование в электроснабжении именно переменного тока. Генераторы, устанавливаемые на электростанциях, рассчитаны на напряжение, не превышающее 16-20 кВ. Поэтому при передаче энергии от мощных электростанций электрический ток по шинам поступает на трансформаторные повышающие подстанции. Они состоят из силовых трансформаторов, располагаемых обычно на открытом воздухе недалеко от генераторов, распределительного устройства и щита управления (рис. 2).

Рис. 2. Трансформатор на 750 кВ

После повышения напряжения на подстанции до 110, 220, 330, 750 кВ энергия направляется в район потребителя (рис. 3).

Рис. 3

Высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП) — это в основном воздушные линии. Их делают из голых алюминиевых, сталеалюминиевых или медных проводов, укрепленных на гирляндах изоляторов, которые подвешиваются на металлических и железобетонных опорах (рис. 4). Расстояние между проводами выбирается с таким расчетом, чтобы была исключена возможность пробоя воздушного промежутка между проводами при раскачивании их ветром. При очень высоком напряжении между проводами начинается коронный разряд, приводящий к потерям энергии. Потери энергии на разряд могут превысить потери на нагревание. Кроме того, при высоком напряжении резко возрастают требования к изолирующим приспособлениям ЛЭП, что усложняет и удорожает ее. Все это сдерживает строительство ЛЭП сверхвысоких напряжений.

Рис. 4

Кроме воздушных линий применяют кабельные линии электропередачи (рис. 5). Обычно они используют для прокладки в тех местах, где строительство воздушных линий невозможно или затруднено в силу объективных причин. Их прокладка возможна и на территориях промышленных предприятий, и в городах, и в дачных или коттеджных поселках. Кабельные линии бывают подземные, подводные, по сооружениям. Например, в больших городах, где прокладка воздушных линий электропередач представляет собой трудности (ввиду плотной застройки), основным средством передачи электрической энергии становятся подземные кабельные линии на напряжение 220 кВ. Но их стоимость в 2-3 раза выше стоимости воздушных линий электропередач.

Рис. 5

Напряжение питания отдельных потребителей должно быть низким для упрощения их конструкции и для безопасности их обслуживания. Поэтому перед потребителями ставят ряд понижающих подстанций с напряжениями 6-10 кВ (перед городом, высоковольтным потребителем), 220-380 В (в жилом секторе) (рис. 6).

Рис. 6. Мачтовая трансформаторная подстанция (используются обычно в сельской местности)

Механизм передачи переменного тока можно изобразить в виде блок-схемы (рис. 7).

Рис. 7

Линии постоянного тока

Наиболее перспективным способом передачи электроэнергии на дальние расстояния является линии постоянного тока. Они так же бывают воздушными и кабельными.

Постоянный ток по сравнению с переменным обладает рядом преимуществ. Во-первых, переменный ток создает переменные магнитные поля, которые индуцируют токи в близлежащих проводах, что приводит к потерям мощности. Во-вторых, постоянный ток можно передавать при более высоком напряжении, так как постоянное напряжение между проводами можно сделать равным амплитудному напряжению линии переменного тока (т.е. увеличить напряжение в \(\sqrt{2}\)), и не следует опасаться электрического пробоя изолятора или воздуха при максимальном напряжении.

При передаче электроэнергии на дальние расстояния линии постоянного тока менее дороги и имеют более низкие электрические потери.

При передаче электроэнергии постоянным током вырабатываемое генераторами электростанции переменное напряжение предварительно повышают с помощью трансформаторов, а затем с помощью выпрямителей преобразуют в постоянное напряжение. В конце линии электропередачи постоянное напряжение снова преобразуют в переменное с помощью устройств, называемых инверторами, после чего с помощью трансформаторов его понижают до нужного значения.

Самая первая линия постоянного тока были построены в Советском Союзе в 1951 году между Москвой и городом Кашира (город Московской области, расположен в 115 км к югу от Москвы). Самая длинная линия в мире в настоящее время 1700 км линия в Демократической республике Конго. Хотя планировалось построить линию длиной 2400 километров между Экибастузом (в Казахстане) и Тамбовом (в России). Строительство начали в 1978 году и протянули всего несколько сотен километров.

См. так же

1. Wikipedia Высоковольтная линия постоянного тока (HVDC)
2. Wikipedia Линия электропередачи (ЛЭП)
3. wikipedia Электрическая сеть
4. Линии электропередачи в городских условиях

Потребление электроэнергии

• В промышленности. В данную группу входят предприятия машиностроения, черной и цветной металлургии, химической промышленности, стройматериалов, текстильных и продовольственных производств и многих иных. Система электроснабжения промышленности характеризуется многообразием видов применяемых электроприборов, их мощностью. Основными из них являются электродвигатели мощностью 10-50 кВт (380 В), которые применяются в различных станках, конвейерах, кранах и т.п. Одними из самых мощных приборов являются электродуговые сталеплавильные печи (100-150 МВт), электросварочные агрегаты (2 МВт).

• Коммунально-бытовой потребитель (население и непромышленный потребитель). Это — жилые здания, здания административно-управленческого назначения, учебные и научные заведения, магазины, здания здравоохранения, культурно-массового назначения, общественного питания, исследовательские институты и организации обеспечивающие обороноспособность государства; правоохранительные органы. Здесь чаще всего используют приборы электрического освещения, нагревательные приборы (электроплиты, обогреватели), холодильники, стиральные машины, различные приборы электронного типа (аудио-, видеотехника, компьютеры).

• Электротранспорт. Это городской электротранспорт: трамвай, троллейбус, метро, — и междугородний: электропоезд. Мощность трамваев и троллейбусов в пределах 0,5—2,5 МВт при напряжении 600-750 В. Суммарная мощность двигателей одного моторного вагона электропоезда обычно составляет 0,7-1,0 МВт при напряжение 3 кВ.

  В республике Беларусь троллейбусное движение открыто в семи городах: Минске, Гомеле, Могилеве, Витебске, Гродно, Бресте, Бобруйске. Трамвайные линии проложены по улицам четырех городов: Витебска, Минска, Мозыря и Новополоцка. Две линии метрополитена работают в столице республики – Минске. Четыре линии электропоездов: Минск-Молодечно, Минск-Барановичи, Минск-Орша, Минск-Осиповичи. В 2011 году в Минске появился новый вид городского скоростного транспорта — городская электричка. Первая линия от станции Минск-Пассажирский до станции Беларусь (Заславль) в тестовом режиме была запущена 1 июля 2011 года.

• Сельское хозяйство. Системы электроснабжения сельского хозяйства включают питание электроэнергией всех потребителей, располагающихся на территориях сельскохозяйственных районов. Это — электроснабжение всех видов сельскохозяйственных производств, а также комплексов коммунально-бытовых потребителей сельских населенных пунктов.

  Применение электричества в животноводстве и птицеводстве связано с механизацией и автоматизацией процессов приготовления и раздачи кормов, водоснабжения, доения коров и первичной обработки молока, с применением электрифицированных изгородей на пастбищах и специальных устройств, позволяющих автоматически регулировать микроклимат в помещениях для скота и производить их уборку. Применение электроэнергии в растениеводстве включает автоматизацию выращивания овощей в защищенном грунте, автоматизацию орошения земель и послеуборочной обработки зерна.

Статистика Белэнерго за 2012 год

Потребление электроэнергии в республике Беларусь распределяется следующим образом:

• промышленность — 56,6 %,
• население — 22,7 %,
• непромышленный потребитель — 13,1 %,
• сельское хозяйство — 5,1 %,
• железнодорожный транспорт — 1,5 %,
• городской транспорт — 1,0 %.

Литература

1. Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. — Минск: Нар. Асвета, 2009. — С. 57-61.
2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. — М.: Дрофа, 2002. — С. 140-143.