ТЕМА 3. Основное электротехническое оборудование электрических сетей
Время самостоятельной работы – 4 часа.
Общие положения
Изучение основного электротехнического оборудования целесообразно начать с рассмотрения общей структуры электроэнергетической системы (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Схематическое изображение электроэнергетической системы. Внизу – диаграмма распределения выработки энергии между станциями разного типа и между различного рода потребителями.
1 – линии электропередачи основной сети энергосистемы; 2 – линии электропередачи распределительной сети
Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях. Основная доля электрической энергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС – тепловая электростанция, ТЭЦ - тепловая электроцентраль, ГРЭС – государственная районная электростанция), где энергия сжигаемого газа, угля или мазута используется для преобразования воды в пар, который приводит в действие турбину, вращающую генератор электрической энергии. На атомных электростанциях (АЭС) для преобразования воды в пар используется энергия расщепляемого урана. На гидравлических электростанциях (ГЭС), турбину вращает поток воды.
Учитывая требования экологии и энергосбережения, энергетики всего мира активно ведут разработки и внедрения новых способов выработки электрической энергии. Появляются электрические станции, использующие энергию солнца, ветра, морской волны и прилива. Такие электростанции относятся к группе так называемых нетрадиционных источников энергии.
Для выработки электроэнергии на мощных электростанциях необходимы соответствующие энергоресурсы, поэтому они располагаются на больших реках или вблизи мест удобного доступа к энергоресурсам (газ, уголь). Городские и промышленные электростанции меньшей мощности располагаются в непосредственной близости от потребителей. Как правило, это ТЭЦ, которые, как уже говорилось, помимо электроэнергии вырабатывают тепло, которое используется в промышленности и для обогрева зданий.
Электрическая энергия, вырабатываемая на станциях, передается через линии электропередачи и трансформаторные подстанции в города и на промышленные предприятия. Далее электроэнергия через распределительные сети поступает к электроприемникам потребителей, где преобразуется в другие виды энергии (тепловую, световую, механическую).
Рассмотрим подробнее весь путь электрической энергии от станции к электроприемнику.
Электрические станции
В начале в качестве примера рассмотрим принцип работы ТЭС. Как уже отмечалось, на тепловых электростанциях первичным энергоносителем (топливом) может служить газ, уголь, мазут. На рис. 3.2. схематично показаны все элементы конденсационной электростанции, работающей на угле.
Рис. 3.2. Схема тепловой электростанции, использующей в качестве топлива уголь.
Из бункера 1 уголь поступает в дробильную установку (мельницу) 2, где он перемалывается до пылеобразного состояния. Далее уголь вместе с воздухом из воздуходувки 3/ поступает в парогенератор (котел) 3. Теплота, получаемая при сжигании топлива, используется для преобразования воды в пар в трубопроводах 4, расположенных в парогенераторе. По системе паропроводов пар поступает в турбину 7. В турбине энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора генератора 8, вырабатывающего электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в тепловой конденсатор 10, в котором пар конденсируется и превращается в воду. Питательным насосом 13 вода подается по змеевику 5 опять в парогенератор, после чего цикл повторяется. Необходимо подчеркнуть, что вода, прежде чем использоваться в цикле вода-пар-вода, проходит специальную очистку.
Охлаждение пара в тепловом конденсаторе производится с помощью воды, поступающей в него под действием циркуляционного насоса 12. Нагретая паром в трубках конденсатора вода затем охлаждается в градирне 11. Продукты сгорания топлива (дымовые газы) проходят через очистительное сооружение (фильтр) и выбрасываются в атмосферу через трубу 6. Электрическая энергия, вырабатываемая генератором, отпускается в сеть 9.
Основное отличие атомных электростанций от тепловых заключается в том, что вместо парогенератора применяется атомный реактор, в котором энергия расщепляемого урана используется для производства пара.
Рис. 3.3. Поперечный разрез гидроэлектростанции.
ГВБ, ГНБ – горизонты (уровни) верхнего и нижнего бьефа.
На гидроэлектростанциях для вращения турбины используется энергия воды. Основные элементы ГЭС показаны на рис. 3.3. Вода из верхнего по течению реки бассейна (его называют верхним бьефом) проходит через заградительные решетки 10 в глубинный водоприемник 9 и поступает в турбинный водовод 8. Мощный поток воды поступает в спиральную камеру 5, где создается нужное давление на лопатки турбины 7, которая вращает ротор генератора 4. После турбины через отсасывающую трубу 6 вода попадает в нижний бассейн реки (нижний бьеф). Из машинного зала 3 электрическая энергия через трансформатор поступает в линию электропередачи 1. Затвор 2 служит для перекрытия водопровода в случае необходимости ремонтных работ на турбине.
Принцип действия генераторов на тепловых, атомных и гидравлических электростанциях одинаковый. Рассмотрим вначале простейшую схему, представленную на рисунке 3.4.
| 
|
| а) | б) |
Рис. 3.4. Принцип получения переменного тока в генераторах (а) и диаграмма изменения электродвижущей силы на выводах генератора (б).
Переменный ток может быть получен в генераторе, состоящем из одного вращающегося двухполюсного магнита 1 и одного витка проволоки (обмотки) 2 (рис. 3.4.,а). На реальном генераторе на вращающейся части (роторе) установлены электромагниты, а неподвижные витки проволоки (обмотки) закреплены на неподвижной части (статоре). Ранее уже неоднократно упоминалось открытие электромагнитной индукции Майклом Фарадеем. Именно это открытие и позволило создать генератор электрического тока. Дело в том, что магнит создает магнитное поле, которое во время движения магнита пересекает витки проволоки, в которых в результате индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), необходимая для упорядоченного движения электронов (рис. 3.4,б). Необходимо отметить, что в данном случае показан только принцип, в действительности обмотки имеют большее число витков и соединяются специальным образом. В нашей стране, полный оборот ротор двухполюсного турбогенератора совершает за 0,02 секунды, что соответствует скорости вращения 3000 об/мин. При этом стандартная частота генерируемого переменного тока составляет 3000/60=50 Гц. В некоторых странах номинальная частота 60 Гц, т.е. ротор вращается быстрее.
Если на генераторе установлена одна обмотка, он называется однофазным, если две – двухфазным, если три – трехфазным. На электростанциях, питающих электрические сети общего пользования, установлены трехфазные генераторы. Обмотки внутри таких генераторов располагаются так, как показано на рисунке 3.5.
Рис. 3.5. Осциллограмма напряжений на выводах трехфазного генератора.
Как видно из рисунка, обмотки внутри трехфазного генератора сдвинуты относительно друг друга. Этот сдвиг равен 120°. В результате напряжения на выводах фаз генератора сдвинуты относительно друг друга на 120°.
На однолинейных электрических схемах (схемы, на которых все элементы сети изображаются в виде условных графических обозначений), генераторы станций обозначаются символом:
Рис. 3.6. Условное обозначение генератора
От генератора электрическая энергия поступает в электрическую сеть. Обычно в электроэнергетических системах генератор соединяется с сетью через повышающий трансформатор.
Трансформаторы
Вы помните, что электрический ток в проводах вызывает их нагрев. Мощность, расходуемая на нагрев, пропорциональна квадрату тока, протекающего через поперечное сечение провода. Чем больше ток, тем больше потери мощности и энергии в проводнике. При увеличении напряжения и неизменном токе можно увеличить передаваемую мощность по проводнику. Экономически выгоднее передавать электроэнергию на большие расстояния при высоком напряжении.
Для изменения напряжения в электрических сетях, используют трансформаторы (от лат. transformo — преобразовывать). Трансформатор осуществляет преобразование переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты переменного тока.
Попробуем разобраться, как работает трансформатор и каким образом он может изменять напряжение? В одном из своих экспериментов Майкл Фарадей обратил внимание на тот факт, что если пропускать через катушку, переменный электрический ток, то в другой катушке, расположенной неподалеку от первой, наводится (индуцируется) электродвижущая сила. Как потом оказалось, напряжение, наводимое во втором соленоиде (витки проволоки, скрученные в катушку, еще называют соленоидом), пропорционально напряжению в первом соленоиде. Продолжая эксперименты, Фарадею удалось установить, что, если катушки разместить на железном сердечнике, то величина индуцируемого напряжения во второй обмотке, возрастала при неизменной величине тока в первом соленоиде. Это говорило о том, что железный сердечник способен лучше проводить магнитный поток, создаваемый первым соленоидом. Железный сердечник улучшает передачу энергии из одной катушки в другую.
Таким образом, Фарадей впервые установил взаимосвязь между электрическим и магнитным полем. Им был открыт закон электромагнитной индукции, способность электрического поля превращаться в магнитное поле, а из магнитного поля обратно в электрическое. В дальнейшем это открытие нашло широкое применение в электротехнике, в частности, для создания трансформаторов, принцип действия которых основывается на законе электромагнитной индукции.
Принципиальное устройство современного однофазного трансформатора представлено на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Принципиальная схема трансформатора:
1 — первичная обмотка, 2 — вторичная обмотка, 3 - магнитопровод.
Трансформатор состоит из магнитопровода, который набирается из изолированных между собой листов специальной электротехнической стали. На магнитопроводе располагаются катушки с проволочными обмотками.
Обмотку, к которой подключают источник переменного напряжения, называют первичной обмоткой, а обмотка, к которой подключается нагрузка (сопротивление Rн) — вторичной обмоткой. Каждая из обмоток имеет соответствующее ей число витков w1 и w2.
Принцип работы трансформатора, как было сказано ранее, основывается на законе электромагнитной индукция. Переменный ток i1, протекающий в первичной обмотке трансформатора, создаёт переменное магнитное поле, силовые линии этого поля концентрируются внутри магнитопровода, в результате магнитный поток Ф во вторичной обмотке оказывается таким же, как и в первичной. Изменение магнитного потока, проходящего через вторичную обмотку, возбуждает электродвижущую силу в этой обмотке. Отношение напряжений (U1 и U2) первичной и вторичной обмотки практически равно отношению их чисел витков (w1 и w2):
.
Обмотки трансформатора рассчитываются для подключения к сетям с разными напряжениями. Обмотка с большим числом витков рассчитывается на большее напряжение и подключается к сети высшего напряжения, такую обмотку называют обмоткой высшего напряжения (ВН). Обмотку с меньшим числом витков подключают к сети низшего напряжения, её принято называть обмоткой низшего напряжения (НН).
Если напряжение первичной обмотки ниже вторичной, то такой трансформатор называют повышающим, если наоборот, первичное напряжение больше вторичного, то понижающим. Повышающие трансформаторы устанавливают на электрических станциях, понижающие – вблизи потребителей. Трансформаторы обладают свойством обратимости, любой трансформатор может быть использован как в качестве повышающего, так и в качестве понижающего трансформатора.
Необходимо отметить, что понижающий трансформатор может выполняться с двумя вторичными обмотками. Если вторичные обмотки спроектированы на одно и то же напряжение, такие обмотки называют расщепленными. Если вторичные обмотки рассчитаны на два разных напряжения, то трансформатор называется трехобмоточным. Причем у такого трансформатора помимо обмоток высшего и низшего напряжения появляется обмотка среднего напряжения (СН).
Отдельно необходимо выделить автотрансформаторы, это особый вид трансформаторов, в которых первичная и вторичная обмотки помимо магнитной связи имеют электрическую связь. Затраты материалов на сооружение автотрансформатора по сравнению с трансформатором аналогичной мощности много меньше, поэтому применение автотрансформаторов в высоковольтных сетях оказывается выгодней. Автотрансформаторы чаще изготавливаются трехобмоточными, помимо обмоток высшего и среднего напряжения имеется обмотка низшего напряжения.
В электрических сетях применяются силовые трансформаторы, называемые так вследствие их большой единичной мощности. Внешний вид силового автотрансформатора с высшим напряжением 220 кВ, средним напряжением 110 кВ и низшим напряжением 10 кВ показан на рисунке 3.8.
Рис. 3.8. Внешний вид трансформатора 220/110/10 кВ
При передаче электрической энергии от электрических станций до места потребления требуется многократная трансформация напряжения. На электрических станциях электроэнергия вырабатывается на напряжении 6-24 кВ, далее в повышающих трансформаторах напряжение повышается до уровня 110-750 кВ и передается потребителям по линиям электропередач. В местах большой концентрации потребителей электроэнергии сооружаются понизительные подстанции. На понизительных подстанциях устанавливаются понижающие трансформаторы. Напряжение понижается до уровня 6-20 кВ и далее распределяется по кабельным линиям 6-20 кВ до трансформаторных подстанций, на которых напряжение понижается до уровня 0,38 кВ. Из-за такого большого количества трансформаций суммарная мощность всех трансформаторов, установленных в электрической сети, в 7 - 8 раз превышает общую мощность генераторов, установленных на электростанциях.
На однолинейных электрических схемах силовые трансформаторы принято изображать в виде пересекающихся окружностей, количество окружностей соответствует числу обмоток трансформатора. Стрелка, пересекающая окружность (как правило, обмотку высокого напряжения), указывает на то, что трансформатор оснащен устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Такой трансформатор способен регулировать напряжение в сети без отключения трансформатора, изменяя количество витков в одной из обмоток.
Рис. 3.9. Условные графические обозначения трансформаторов:
а – двухобмоточный трансформатор, б – автотрансформатор, в – трансформатор с расщепленной обмоткой, г – двухобмоточный трансформатор с устройством РПН, д – трехобмоточный трансформатор.