Библиотека
наука
Современные технологии и производство
Детская энциклопедияоглавление
Слагаемые энергосистемы
Электрогенераторы
Генераторы электрического тока - это устройства для преобразования различных видов энергии (механической, химической, тепловой, световой) в электрическую. Электрогенераторы, работающие с гидротурбинами, называют гидрогенераторами, а те, что работают с паровыми турбинами,- турбогенераторами. Они весьма отличаются и по внешнему виду, и по конструкции, Однако любой генератор тока состоит из двух основных частей - вращающегося ротора и неподвижного статора. На роторе наматывается обмотка возбуждения, питаемая постоянным током от небольшого генератора или от выпрямителя. Благодаря обмотке возбуждения ротор превращается в электромагнит, который возбуждает при вращении переменный ток в обмотке статора.
Статор гидрогенератора изготовлен из тонких -0,35-0,5 мм - листов электротехнической стали, набранных в пакет и скрепленных болтами. Он крепится к фундаменту. Ротор собран из толстых стальных листов и насажен на вал, который соединяется с валом турбины. Гидрогенераторы обычно изготовляют с вертикальной осью вращения. Диаметр ротора наиболее крупных гидрогенераторов достигает 16 м, масса - 1640 т. Обмотки ротора охлаждаются потоком воздуха, обмотки статора - воздухом или водой. Вращаются роторы гидрогенераторов с частотой 50-150 об/мин, в зависимости от напора и конструкции гидротурбины. Самые мощные в мире гидрогенераторы изготовляют в СССР: до 508 МВт (1972 г., Красноярская ГЭС), а спроектированы генераторы на 650 МВт (для Саяно-Шушенской ГЭС).
Мощность одного такого генератора равна мощности Днепрогэса!
Напряжение, вырабатываемое гидрогенератором,-от 6 до 16 кВ. В 1966 г. в нашей стране построен экспериментальный высоковольтный генератор напряжением 110 кВ. Это напряжение без трансформаторов можно сразу подавать в линию электропередачи.
В гидрогенераторах с вертикальной осью вращения ротор опирается на особый подшипник - подпятник (см. ст. "Узлы и детали машин"). Подпятник находится в масляной ванне. Масло смазывает и одновременно охлаждает подшипник. Роль подпятника исключительно ответственна: на него опираются при разгоне и остановке ротор и висящая внизу турбина, т. е. масса, достигающая порой 3000 т. Кроме подпятника имеются еще направляющие подшипники, охватывающие вал гидрогенератора и удерживающие ротор радиального перемещения.
Турбогенераторы, даже самые мощные, изготавливаются только с горизонтальной осью вращения.
Ротор турбогенератора - это массивный сплошной цилиндр диаметром до 1,3 м. В нем проделаны пазы, в которые уложена обмотка возбуждения. Частота вращения его - 3000 или 1500 об/мин.
На статоре размещена обмотка переменного тока. Она вырабатывает напряжение от 400 В до 27 кВ, в зависимости от конструкции генератора. В нашей стране созданы турбогенераторы мощностью 800 МВт (1971), а создаются турбогенераторы мощностью 1200 МВт.
Внутри герметичного корпуса турбогенератора циркулирует водород. Теплопроводность водорода в 6 раз выше, чем воздуха, поэтому генератор лучше охлаждается, и его мощность при тех же размерах, что и генератора с воздушным охлаждением, увеличивается. Созданы в нашей стране и турбогенераторы с водяным охлаждением ротора. Обмотки статора охлаждают водородом, водой или маслом. Для этого провода делают полыми и в них пропускают охлаждающую жидкость или газ.
Трансформаторы
Трансформатор (преобразователь) преобразует ток одного напряжения в ток другого напряжения. Он состоит из сердечника, набранного из тонких стальных листов (подобных листам статора электрогенератора), на который наматывают две обмотки -первичную и вторичную. На первичную обмотку подают напряжение, которое нужно трансформировать, а со вторичной снимают преобразованное напряжение. Напряжения на первичной и вторичной обмотках соотносятся так же, как и число витков на этих обмотках. Если на вторичной обмотке витков больше, трансформатор называется повышающим, если меньше - понижающим. Между генератором и линией электропередачи включают повышающий трансформатор, а между линией и потребителем электроэнергии - понижающий.
Во время работы трансформаторы нагреваются, поэтому их приходится охлаждать: маломощные -просто воздухом, а мощные - минеральным маслом. Для этого сердечник с обмотками погружают в масло, а снаружи корпуса делают масляные радиаторы, через которые прогоняют вентиляторами холодный воздух или пропускают воду.
Мощность трансформаторов достигает 1000 МВт, а напряжение повышающих обмоток - 750 кВ. Проектируются и изготовляются опытные трансформаторы на напряжение более 1000 кВ. Размеры стального сердечника и обмоток увеличиваются по мере роста мощности трансформатора и напряжения, на которое он рассчитан. Вот почему часто трансформаторы - грандиозные сооружения массой в сотни тонн.
Выключатели
Чтобы подключать трансформаторы к линиям электропередачи, генераторам и потребителям (а также отключать), используют выключатели высокого напряжения. Они срабатывают или с помощью дистанционного управления по сигналу диспетчера энергосистемы, или автоматически. Если произойдет авария - ударит молния в линию, оборвется провод или возникнет короткое замыкание, выключатель за сотые доли секунды отключит линию, спасая трансформатор и генератор от перегрузки. При отключении между его контактами возникает электрическая дуга. Она может разрушить выключатель. Поэтому ее сейчас же гасят: например, разрывают мощной струей сжатого воздуха.
Трансформаторы, выключатели и другие вспомогательные устройства устанавливают на трансформаторных подстанциях.
Линии электропередачи (ЛЭП)
Электростанции связаны с потребителями электроэнергии либо воздушными линиями передачи, либо кабельными.
Воздушные линии электропередачи - это провода, подвешенные на гирляндах изоляторов к столбам или мачтам - опорам. Провода делают главным образом алюминиевые со стальным сердечником, а также медные и бронзовые. Изоляторы в гирляндах бывают фарфоровые и стеклянные (число их в гирлянде зависит от напряжения, например для 1200 кВ -40 штук), опоры - деревянные, стальные и железобетонные.
Современный мощный трансформатор.
Принципиальная схема трансформатора.
Воздушные линии электропередачи (ЛЭП) связывают электростанции с потребителями: городами, селами и предприятиями.
Первая линия передачи постоянного тока была построена в Германии в 1882 г. (длина - 57 км, напряжение - 1,5-2 кВ), первая линия передачи переменного тока - в 1891 г. также в Германии (длина - 170 км, напряжение - 15 кВ). Впоследствии линии передачи сооружались во всех странах.
Линии постоянного тока до 1950 г. были забыты и вообще не строились. Однако в последние годы интерес к ним вновь появился. Оказалось, что передавать электроэнергию на расстояние свыше 1000-1200 км с помощью постоянного тока напряжением 800-1500 кВ выгоднее, чем с помощью переменного. Линии оказываются дешевле, хотя на трансформаторных подстанциях появляются новые электроустановки: выпрямители и преобразователи (см. ст. "Промышленная электроника: электроны и ионы за работой").
Выпрямители превращают переменный ток высокого напряжения, снятый со вторичной обмотки трансформатора, в постоянный, который поступает в линию. На конце линии электропередачи устанавливают преобразователь - инвертор, превращающий постоянный ток снова в переменный, который подается на первичную обмотку понижающего трансформатора.
Общий вид открытого распределительного устройства подстанции. Слева на переднем плане - высоковольтные выключатели.
В СССР сооружены 470 тыс. км линий электропередачи (1972) напряжением от 35 до 750 кВ переменного тока и экспериментальная 500-километровая линия напряжением 800 кВ постоянного тока. Проектируются и будут построены линии напряжением 1200 кВ переменного и 1500 кВ постоянного тока, а в перспективе - 2200 кВ постоянного тока. Наша страна первой готовится к сооружению линий с такими небывалыми напряжениями.
Зачем нужны столь высокие напряжения? Дело в том, что с ростом напряжения уменьшаются потери в линии. Ведь потери зависят от силы тока, а по мере роста напряжения (при той же мощности) сила тока в линии падает. И хотя оборудование становится дороже, линии с высоким напряжением выгодны, особенно для больших расстояний (2000-3000 км) и больших передаваемых мощностей. Для нашей страны такие линии особенно нужны и выгодны, потому что запасы топлива и мощные тепловые и гидравлические электростанции далеко не всегда расположены вблизи крупных промышленных центров и городов и электроэнергию приходится передавать на далекие расстояния.
Для более коротких расстояний и меньших мощностей применяют и меньшие напряжения: 750, 500, 400, 330, 220, 150, 110 и 35 кВ.
Чтобы ввести ток высокого напряжения в города и распределить его там по трансформаторным понизительным подстанциям, прокладывают кабельные линии передачи.
Кабель напряжением от 6 до 35 кВ - это обычно три алюминиевых провода (жилы), заключенные в изоляцию из бумаги пли пластмассы. Сверху все они защищены стальной лентой- броней.
Кабели, рассчитанные на более высокое напряжение, устроены иначе: медные жилы, покрытые изоляцией, прокладываются в стальной трубе, заполненной минеральным маслом. Для вводов в города используют кабели напряжением 110 и 220 кВ, а для преодоления широких рек, через которые воздушные линии протянуть бывает просто невозможно или невыгодно, обычно применяют кабели напряжением до 500 кВ.
Очень перспективны для передачи больших мощностей кабели, проложенные в трубах, наполненных жидким водородом или жидким гелием. При температуре жидкого водорода 20 К сопротивление медного провода падает в 800-1400 раз, алюминиевого - в 500-2400 раз (все зависит от степени чистоты металла). Значит, во столько же раз уменьшаются потери. И хотя какую-то часть энергии придется тратить на то, чтобы получать жидкий водород и добавлять его взамен испаряющегося, в целом такая линия окажется выгодной. При температуре жидкого гелия 4 К такие металлы, как олово или ниобий, становятся сверхпроводниками - вообще теряют сопротивление, стало быть, и потери в линии будут равны нулю. Сложность, правда, здесь в том, что жидкий гелий пока еще очень дорог. Однако . ученые считают, что к концу XX в. такие линии уже войдут в строй.
Наконец, вполне возможны и волноводные линии передачи. Волновод - это труба с посеребренными стенками, по которой с весьма малыми потерями могут распространяться электромагнитные волны с частотой несколько гигагерц. Преобразователи постоянного тока в ток такой сверхвысокой частоты (правда, относительно небольшой мощности) уже созданы. Полагают, что волноводные линии смогут найти применение через 30-50 лет для передачи больших мощностей на расстояние до 1000 км.
Электродвигатели
(Электродвигатель - это машина для преобразования Электрической энергии в механическую. Электродвигатель, как и генератор, состоит из ротора и статора с обмотками. Если к обмоткам статора подвести электрический ток, то возникнет магнитное поле, и ротор электродвигателя начнет вращаться. Чтобы подвести ток к обмотке ротора электродвигателя постоянного тока, используют коллектор - барабан с множеством медных пластин.
К пластинам подключены витки обмотки ротора, а снаружи с ними соприкасаются угольные контакты - щетки. Через щетки ток поступает в ту часть роторной обмотки, которая находится в этот момент против полюсов статора. Магнитное поле полюсов, образованное статорной обмоткой, стремится вытолкнуть провод с током из области, занимаемой полем, и тем самым приводит электродвигатель во вращение, так как на место вытолкнутых частей обмотки все время подходят новые и новые. Мощность и частоту вращения двигателя постоянного тока легко регулировать, изменяя силу тока в обмотках. Поэтому двигатели эти широко распространены на электротранспорте.
Двигатели переменного тока бывают синхронные и асинхронные. Синхронный электродвигатель - это "генератор наоборот". Иными словами, в его статорную обмотку подается трехфазный ток, а в роторную - по-стоянный ток (через контактные кольца и щетки). Обмотки статора создают вращающееся магнитное поле. Это поле увлекает за собой ротор: ведь после подачи постоянного тока он превратился в обыкновенный электромагнит. Частоты вращения поля и ротора строго одинаковы, синхронны - отсюда и название. Синхронный двигатель способен, не измеряя частоты вращения, выдерживать перегрузку, превышающую в 2-3 раза его нормальную мощность. Однако, остановившись, он сам в ход не пойдет : его нужно пустить, особым образом переключая обмотки статора. Это, а также довольно сложная конструкция - его недостатки. Кроме того, нужно иметь источник постоянного тока для питания ротора. Поэтому винхронные двигатели применяются ограниченно. Мощность их достигает тысяч киловатт. Асинхронный электродвигатель (т. е. несинхронный) называется так потому, что частота его вращения не соответствует частоте вращения поля: ротор слегка отстает. И с ростом нагрузки частота вращения двигателя уменьшается.
Мощный электродвигатель постоянного тока.
Его принципиальная схема.
1 - коллектор;
2 - щетки; 3 - обмотка ротора; 4 - электромагнит.
Ленинский план электрификации России и его осуществление.
Часто асинхронные двигатели делаются с коротко-замкнутым ротором: обмотку его выполняют в виде "беличьей клетки" - из медных или алюминиевых стержней, соединенных двумя медными или алюминиевыми кольцами. Ток в эту обмотку не подается, а возникает "сам собой". Когда двигатель включают, вращающееся магнитное поле возбуждает в "беличьей клетке" ток (точно так же, как возбуждается ток во вторичной обмотке трансформатора), а этот ток порождает свое магнитное поле. Дальше все происходит, как в синхронном электродвигателе: благодаря взаимодействию полей ротор начинает вращаться. А частоты вращения поля и ротора разные вот почему: если бы это было не так, в роторной обмотке перестал бы наводиться ток и ротор не мог бы вращаться. Ведь чтобы в стержнях обмотки ротора появился ток, нужно, чтобы магнитные силовые линии поля статора пересекали эти стержни. А это возможно только в том случае, если частоты вращения поля и ротора разные.
Существуют асинхронные электродвигатели с обмоткой ротора и иной конструкции: она выведена на контактные кольца, подобно обмотке синхронного двигателя, и в нее подают переменный ток. Частоту вращения таких электродвигателей можно в незначительных пределах регулировать, изменяя силу тока в обмотке ротора.
Электрические сети и системы
Потребность в электроэнергии все время меняется: летом она меньше, чем зимой; днем, а особенно вечером - больше, чем под утро. Но наша страна огромна : когда во Владивостоке 8 ч утра, в Москве -1 ч ночи. Значит, в одно и то же время одни электростанции работают с полной нагрузкой, а другие должны уменьшать выработку. Кроме того, очень часто в крупных городах, где много потребителей электроэнергии, необходимо иметь некоторый запас мощности для покрытия пиков нагрузки. А там, где нет крупных потребителей энергии, мощность существующих электростанций не используется до конца. Значит, возникает необходимость в передаче электроэнергии из одних районов страны в другие, или, иначе, во взаимной помощи электростанций.
Наконец, для экономичной работы разные типы электростанций должны использоваться в разных режимах. Теплоэлектроцентраль, например, должна все время вырабатывать энергию. Ее не остановишь: нельзя прекращать снабжение жилых домов и заводов горячей водой и паром. Зато обычную теплоэлектростанцию - конденсационную - можно остановить, когда потребность в энергии падает. Правда, чтобы снова пустить ее турбогенераторы, потребуется несколько часов, но это не страшно, поскольку время пуска можно заранее предусмотреть графиком суточного потребления энергии. Гидроэлектростанции и газотурбинные электростанции наиболее легко управляемы. Пуск и остановка их турбин занимают несколько минут. Все это учитывают при составлении плана выработки электроэнергии.
Вот как происходит, например, зимой работа энергосистемы центра нашей страны. Основную долю энергии в течение суток вырабатывают теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), а часть энергии - конденсационные станции. Когда потребление увеличивается, подключаются постепенно все новые и новые агрегаты конденсационных станций и резервные агрегаты ТЭЦ. Когда все резервы мощности исчерпаны, приходят на помощь гидростанции Средней Волги, а потом Нижней Волги. Когда нужда в энергии падает, отключение происходит в обратном порядке.
(Первые энергетические объединения по плану ГОЭЛРО были созданы в 1921 г. в Москве (МОГЭС) и Петрограде ("Электроток"). В последующие годы по этому плану сооружались и другие системы.
К 1965 г. закончилось формирование крупнейшей в нашей стране энергетической системы Европейской части СССР. Она объединяет энергосистемы Урала, Центра, Северо-Запада, Среднего Поволжья, Юга, Северного Кавказа и Закавказья, Сибири и Средней Азии - свыше 500 электрических станций. Менее масштабные, но весьма важные энергетические системы сооружены в Казахстане и Средней Азии.
Все эти энергосистемы управляются из центральных диспетчерских пунктов, которым подчинены диспетчерские более мелких частей энергосистемы.
Пройдет некоторое время, и все эти энергосистемы сольются в Единую энергетическую систему СССР (ЕЭС) - крупнейшую в мире.
Нельзя не упомянуть и еще об одной важной
энергетической системе - "Мир", объединяющей электростанции западных районов
СССР и социалистических стран Восточной Европы.