Общие сведения о производстве и потреблении электроэнергии

     
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ И ПОТРЕБЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Современный этап развития народного хозяйства характеризуется возрастанием роли электрификации в решении первоочередных социально-экономических задач. Рост экономики и ускорение ее перевода на интенсивный путь развития в значительной степени зависят от работы энергетического комплекса и темпов его совершенствования.

Энергетической программой предусматривается значительное увеличение производства электроэнергии и совершенствование способов ее передачи и распределения. Наращивание генерирующих мощностей будет обеспечиваться строительством крупных атомных электростанций в европейской части РФ, тепловых электростанций на природном газе в Западной Сибири, а также мощных тепловых конденсационных электростанций на дешевых углях Экибастузского и Канско-Ачинского бассейнов и гидравлических на реках восточных районов страны.

Формирование крупных энергосистем невозможно без сооружения надежных и экономичных магистральных воздушных линий электропередачи постоянного и переменного тока. По мере роста мощности энергосистем напряжение этих линий непрерывно увеличивается. Если в 20-30-х годах электростанции объединялись линиями напряжением 110-220 кВ, то в настоящее время их напряжение достигает 1150 кВ переменного и 1500 кВ постоянного тока.

В последние годы широко ведется также строительство распределительных линий напряжением 35-220 кВ, связывающих электростанции и подстанции внутри энергосистем, и 0,4-20 кВ, подводящих электроэнергию к потребителям. Общая длина воздушных линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше достигла 908 тыс. км, а ниже 35 кВ -3,3 млн. км. Длина ежегодно вводимых в эксплуатацию воздушных линий напряжением 35 кВ и выше в среднем составляет 30 тыс. км, а напряжением до 20 кВ - 90 тыс. км.

Сооружение воздушных линий электропередачи имеет специфические особенности: рассредоточенность работ по протяженной трассе и сравнительно небольшие их объемы на каждом километре, непрерывное перемещение фронта работ и др. Осуществление программы строительства линий электропередачи требует высокой механизации работ, внедрения новой, прогрессивной техники, применения индустриальных методов, повышения степени сборности конструкций и их унификации, а также максимального сокращения объема работ, выполняемых на трассе. Так, массовое внедрение железобетонных одностоечных опор с металлическими траверсами, сборных фундаментов и свайных оснований позволяет сократить стоимость строительства линий и увеличить производительность труда.

Организация и методы сооружения линий электропередачи непрерывно совершенствуются. Для согласования работы проектных, строительных, монтажных, снабженческих, транспортных и других организаций, участвующих в строительстве, разрабатываются сетевые графики, широко внедряется в практику строительства поточный метод, а также бригадный и коллективный подряд. Применение передовых методов труда и прогрессивной технологии позволяет сократить сроки строительства, а внедрение комплексной механизации - свести к минимуму ручной труд.

Получение и распределение электроэнергии

Из всех известных в настоящее время видов энергии электрическая энергия наиболее удобна для использования в народном хозяйстве. Быстрота передачи на большие расстояния, сравнительно небольшие транспортные потери, простота преобразования в другие виды энергии, готовность к немедленному действию, возможность использования удаленных источников делают электрическую энергию незаменимой в большинстве производственных процессов.

Получение электроэнергии. Основы современной электроэнергетики были заложены еще в середине XIX в., когда в 1831 г. английский ученый Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Дальнейшее исследование взаимодействия проводников электрического тока с электромагнитным полем привело к созданию электрических генераторов, преобразующих механическую энергию вращательного движения в электрическую. Электрические генераторы до настоящего времени служат основными источниками электрической энергии.

Первые электростанции имели генераторы постоянного тока небольшой мощности и обычно располагались вблизи потребителей энергии. Сложность преобразования постоянного тока в переменный, а также несовершенство конструкций генератора и двигателя заставили искать новые пути передачи электроэнергии. Проблема была решена, когда в 1876 г. русский ученый П. И. Яблочков создал трансформатор переменного тока, что позволило передавать электроэнергию на значительные расстояния и располагать электростанции непосредственно у источников энергии (в районах месторождений топлива, на реках), а также увеличить их мощность и снабжать электроэнергией большее количество удаленных потребителей.

Окончательное господство переменного тока над постоянным утвердилось в 1888 г., когда М.О. Доливо-Добровольский создал первый трехфазный генератор переменного тока с вращающимся магнитным полем, а затем самый простой по конструкции, дешевый, надежный, неприхотливый и компактный асинхронный двигатель.

В настоящее время постоянный ток применяют только в специальных электроустановках (например, в двигателях электровозов, трамваев, троллейбусов), а также в отдельных случаях в линиях электропередачи межсистемных связей. Большинство современных электростанций вырабатывает трехфазный переменный ток частотой 50 Гц. В некоторых странах (США, Япония) принята частота 60 Гц.

Основной машиной, вырабатывающей электроэнергию на электростанциях, является синхронный генератор трехфазного тока на напряжение 21 кВ, обмотка возбуждения которого расположена на роторе, а обмотка, в которой индуцируется эдс,- на статоре. Роторы генераторов приводятся во вращение первичными двигателями, в качестве которых на электростанциях в основном используются паровые турбины, приводимые во вращение давлением водяного пара, или гидравлические турбины, приводимые во вращение напором воды, создаваемым плотиной. Иногда в качестве первичных двигателей применяют газовые турбины, ветряные двигатели, паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (главным образом на электростанциях небольшой мощности местного значения).

Генератор, соединенный с паровой турбиной, называют турбогенератором, а электростанцию - тепловой электростанцией (ТЭС). Пар, необходимый для вращения турбогенератора, получают в паровых котлах сжиганием твердого (торф, каменный и бурый уголь), жидкого (мазут, нефть) или газообразного топлива, а также с помощью атомных реакторов. В последнем случае электростанцию называют атомной (АЭС). Иногда для получения пара используют теплоту подземных вод (геотермальные тепловые электростанции).

Обычно паровой котел (или атомный реактор) объединяют с турбогенератором в единый блок, являющийся основой (модулем) электростанции. На крупных тепловых и атомных электростанциях устанавливают несколько блоков единичной мощностью 0,3- 1 млн. кВт. Мощность таких электростанций достигает 5-6 млн. кВт. В настоящее время строятся АЭС с блоками мощностью 1,5 млн. кВт.

Тепловым и атомным электростанциям принадлежит ведущая роль в мировом производстве электрической энергии (более 75%). Однако количество тепловых электростанций постепенно уменьшается, так как они вытесняются атомными.

Генератор, соединенный с гидравлической турбиной, называют гидрогенератором, а станцию с таким генератором - гидравлической (ГЭС). Гидроэлектростанции вырабатывают самую дешевую электроэнергию. Однако стоимость их сооружения значительно выше, чем тепловых (при одинаковой мощности), а режим работы зависит от наличия воды. Хотя сооружение водохранилищ позволяет стабилизировать расход   воды  и легко   регулировать мощность ГЭС в необходимых случаях, на их долю приходится менее 20% производства электроэнергии.

Для покрытия максимума нагрузок в часы “пик” служат сооружаемые совместно с ГЭС гидроаккумулирующие электростанции, гидравлические турбины которых могут работать в двух режимах: как насосы (когда они подают воду в верхнее водохранилище) и как гидрогенераторы (когда вода из верхнего водохранилища вращает турбину генератора). При этом для закачки воды в верхнее водохранилище используется излишняя мощность, вырабатываемая ГЭС в ночное время.

Разновидностью ГЭС являются приливные электростанции, использующие для вращения турбин напор воды, создаваемый разностью уровней при приливах и отливах в морях и океанах.

Помимо этих традиционных путей производства электроэнергии существуют и другие. Так, на магнитогидродинамических (МГД) электростанциях ток индуцируется в проводнике - ионизированном газе (плазме), движущемся поперек силовых линий магнитного поля, создаваемого электромагнитами. В настоящее время уже действует опытно-промышленная МГД - установка мощностью 25 МВт и строится промышленный МГД - энергоблок мощностью 500 МВт. Предполагается, что удельный расход топлива на МГД - электростанциях будет на 20-30% ниже, чем на тепловых.

Ведутся исследования и строительство опытно-промышленных солнечных электростанций, на турбины которых пар поступает от парогенераторов, нагреваемых теплом солнечных лучей с помощью системы вогнутых зеркал, автоматически движущихся за солнцем. В удаленных от энергосистем районах строятся ветровые электростанции небольшой мощности. Кроме того, исследуется работа термоэлектронных и термоэлектрических преобразователей тепловой энергии в электрическую. Однако стоимость сооружения таких источников электроэнергии пока велика. Поэтому основой промышленной энергетики во всем мире являются крупные турбо- и гидрогенераторы, вырабатывающие большое количество сравнительно дешевой электроэнергии.

Мощность современных электрических станций измеряется сотнями тысяч и миллионами киловатт, а количество вырабатываемой электроэнергии - миллионами и миллиардами киловатт-часов. Концентрация производства электроэнергии имеет неоспоримые экономические преимущества: снижаются удельные затраты на 1 кВт установленной мощности, уменьшаются эксплуатационные расходы, повышается кпд оборудования, сокращаются сроки строительства электростанций. По такому пути идет развитие электроэнергетики в Российской Федерации и других промышленно развитых странах.

Электрические сети. Чем мощнее электростанция, тем больше обслуживаемый ею район. Поэтому передача электроэнергии от места производства к месту потребления имеет большое значение и решается сооружением линий электропередачи. Передаваемая по металлическим проводам линий мощность зависит от силы тока и напряжения. Для снижения потерь электроэнергии выгодно уменьшать силу тока и увеличивать напряжение, так как по закону Джоуля - Ленца потери электроэнергии на выделение теплоты пропорциональны квадрату силы тока. Пропускная способность линий электропередачи растет пропорционально квадрату напряжения, а их стоимость - пропорционально напряжению. Следовательно, передавать электроэнергию высокого напряжения экономически выгодно, так как с его ростом резко уменьшаются как потери, так и расходы на передачу каждого киловатт-часа.

Для повышения напряжения при электростанциях строят повышающие трансформаторные подстанции и передают по линиям электропередачи высокого напряжения электроэнергию на значительные расстояния. В местах потребления электроэнергии сооружают понижающие трансформаторные подстанции.