От электростанции до нашего дома
Темнеет. В домах зажигают свет. Проходит полчаса, и редкое окно остается темным. А когда стрелка часов подходит к восьми, в некоторых комнатах свет гасят, но включают телевизоры.
Что же здесь особенного?
В каждой комнате есть лампы, штепсельные розетки и выключатели. Нужен свет — включают. Мало одной лампы — зажигают люстру. Захотелось чаю — включают чайник. Мы так привыкли к тому, что в квартирах имеется достаточное количество электроэнергии, что не задумываемся над тем, откуда она берется и много ли мы ее расходуем.
А между тем электрические лампы, телевизоры, печи, холодильники и другие приборы (иначе электроприемники) представляют для электростанций нагрузку. Это значит, что их включение и отключение не проходят для электростанций бесследно: чем больше электроприемников включено, тем большая работа должна быть произведена, чтобы выработать необходимое количество энергии. Об объеме этой работы можно судить, например, по суммарной мощности телевизоров: в больших городах она исчисляется десятками и даже сотнями тысяч киловатт. Годовой расход электроэнергии на освещение оценивается миллиардами киловатт-часов.
Укажем в качестве примера, что в СССР ежегодно выпускается более двух миллионов переносных бытовых отопительных электроприборов.
В настоящее время подавляющее количество всей электроэнергии дают тепловые электрические станции (рис. 1, а).
Чтобы представить себе масштабы тепловых электростанций (ТЭС), достаточно сказать, что в настоящее время эксплуатируются десятки электростанций мощностью более 1 млн. кВт и среди них несколько таких, мощность которых превышает 2 млн. кВт. На современных ТЭС работают энергоблоки по 300, 500 и 800 тыс. кВт.
Сравните эти цифры с суммарной мощностью 1 млн. 750 тыс. кВт 30 электростанций, строительство которых должно было осуществиться по плану ГОЭЛРО в течение 10—15 лет. План ГОЭЛРО был одобрен VIII Всероссийским съездом Советов 22 декабря 1920 г. В ознаменование этого события 22 декабря празднуется «День энергетика».
Где строят электростанции..Чтобы удешевить перевозки топлива и не сжигать на электростанциях первосортный уголь и нефть, являющиеся ценнейшим сырьем для промышленности, а использовать торф, бурый уголь, сланцы, штыб (мелочь, отходы угля), тепловые электростанции строят там, где топливо добывается, а выработанную электроэнергию передают потребителям по проводам.
Реки — неиссякаемый источник энергии для электростанций. Они текут с возвышенностей в низины и, следовательно, способны совершать механическую работу. На горных реках сооружают гидроэлектростанции, используя естественный напор воды. На равнинных реках напор создается искусственно с помощью плотин (рис. 1,6).
Первой гидроэлектростанцией (ГЭС) в нашей стране была Волховская мощностью 58 тыс. кВт. Мощность Красноярской ГЭС достигла 6 млн. кВт.
В богатых сырьем, густонаселенных и отдаленных от источников энергии районах строят атомные электростанции (рис. 1,в). Они работают на топливных элементах, содержащих так называемое ядерное горючее; спичечный коробок его заменяет железнодорожный состав угля. И здесь перевозить горючее, которое вертолет может доставлять на электростанцию, расположенную в любом районе, топливо, например уголь, по эстакаде поступает в бункер, а оттуда в пылеприготовительное устройство.
Угольная пыль сжигается в топке парового котла. Пар высокого давления, вращает паровую турбину, приводящую в движение ротор электрического генератора — гидроэлектростанция вода по напорным водоводам поступает в гидравлическую турбину, а затем уходит в русло реви. Турбина приводит в движение ротор электрического генератора — атомная электростанция: в ядерном реакторе атомная энергия превращается в теплоту, которая нагревает воду, циркулирующую в трубах под высоким давлением. Горячая вода поступает на теплообменник — парогенератор, где отдает тепло другой воде, обращая ее в рабочий пар. Пар вращает паровую турбину, соединенную с электрическим генератором.
Первая в мире атомная электростанция была сооружена в СССР в 1954 г., что явилось началом развития принципиально нового направления в энергетике.
В настоящее время атомная энергетика быстро развивается.
Какая электростанция питает нашу квартиру?
Как ни странно, но ответить на этот естественный и простой вопрос невозможно. Дело в том, что электростанции работают на общую сеть, связаны линиями электропередачи, образуя энергетические системы (Мосэнерго, Ленэнерго и т. п.), которые совместно питают потребителей. В СССР созданы крупные объединенные энергосистемы.
Сети ЕЕЭС перешагнули за Урал, в Казахстан и в Сибирь. Объединение энергетических систем, связанных единым режимом, характеризует современное состояние Единой энергетической системы всей страны (ЕЭС).
Для чего создаются и объединяются энергосистемы. Объединение электростанций в энергосистемы и энергосистем между собой удешевляет электроэнергию и обеспечивает бесперебойность электроснабжения потребителей. Это объясняется тем, что выработка электроэнергии, ее передача потребителям и расходование происходят одноврьмгнно так как выработанную энергию нельзя запасти на складах. Значит, электростанции должны иметь достаточный резерв мощности, чтобы в любое время удовлетворить спрос потребителей. А этот спрос резко изменяется не только в течение суток, но и в разные времена года.
Зимой, например, темнеет раньше, чем летом. Поэтому лампы включают раньше и горят они дольше. В сельском хозяйстве электроэнергия в больших количествах нужна именно летом, когда производятся полевые работы и орошение, а в городах в это время расход электроэнергии снижается. Наконец, на востоке светлеет и темнеет раньше, чем на западе, следовательно, максимальные нагрузки восточных и западных электростанций не совпадают При совместной работе электростанций они помогают одна другой, загружаются более равномерно и их коэффициент полезного действия выше.
На электростанциях, работающих изолированно от энергосистемы, нельзя применять агрегаты очень большой мощности, так как выход одного из них из строя сразу же парализует работу многих предприятий, лишает целые районы света, грозит остановкой трамвая, водопровода и т. п. В энергосистемах нет причин отказываться от агрегатов большой мощности, так как нагрузку вышедшего агрегата немедленно подхватывают другие, оставшиеся в работе. Они перегружаются незначительно и, кроме того, гораздо экономичнее. Экономичность крупных агрегатов привела к резкому увеличению мощности в каждой единице. Так, в начальный период выполнения плана ГОЭЛРО устанавливались турбоагрегаты по 10— 16 тыс. кВт. В настоящее время широко применяются энергоблоки (котел— турбина — генератор) мощностью 300 тыс. кВт, эксплуатируются энергоблоки мощностью 500 и 800 тыс. кВт. Изготовляется оборудование для блока 1200 тыс. кВт.
Значительно возросла мощность гидроагрегатов, достигнув 500 тыс. кВт в единице на Красноярской ГЭС.
Какими путями электроэнергия поступает к потребителям. На пути от электростанции к потребителям электроэнергия претерпевает изменения: она трансформируется с одного напряжения на другое. Пример трансформации для небольшого участка энергосистемы показан на рис. 2, а.
Сначала напряжение, например 10 500 вольт (В), получаемое от генератора, повышается трансформатором и при напряжении 110 000 В идет передача по линии на расстояние 100—150 километров (км). Затем на районной подстанции напряжение снижается до 10 500 В и по подземному кабелю поступает на трансформаторную подстанцию, находящуюся в нескольких сотнях метров от потребителей. На этой подстанции трансформатор понижает напряжение до такой величины, чтобы в квартирах было 127 или 220 В (об этом подробнее см. ниже).
Каждому напряжению соответствуют определенные способы выполнения электропроводки. Это объясняется тем, что чем напряжение выше, тем изолировать провода труднее. Например, в квартирах, где напряжение не выше 220 В, проводку выполняют шнуром или проводами в резиновой или пластмассовой изоляции. Эти провода просты по устройству и дешевы. Несравненно дороже и сложнее устроен кабель (рис. 2,в), проложенный между трансформаторами (рис. 2, а).
На рис. 2, б слева направо изображены опоры для воздушных линий электропередачи напряжениями 500 000, 220 000, 110 000, 35 000 и 10 000 В. Они даны в одном масштабе. Заметьте, как увеличиваются размеры и усложняются конструкции с ростом рабочего напряжения! Опора линии напряжением 500 киловольт (кВ) имеет высоту семиэтажного дома. Высота подвеса проводов 27 метров (м), расстояние между проводами 10,5 м, длина гирлянды изоляторов более 5 м. Высота опор для переходов через реки достигает 70 м. Но 500 кВ — это не предел. Уже работают линии электропередачи переменного тока напряжением 750 кВ, сооружаются линии переменного тока напряжением 1150 кВ и постоянного тока 1500 кВ.
Сложно и дорого оборудование высоковольтных подстанций.
Высота выключателя около 10 м, масса примерно 40 т и для его работы нужно давление 2000 килопаскалей (кПа), равное примерно 20 атмосферам. На более низкие напряжения оборудование значительно проще и дешевле. Совершенно очевидно, что на повышение напряжения, связанное с огромными затратами средств, идут в силу острой необходимости.
Зачем применяет высокое напряжение?
Решить вопрос о том, сколько раз и как нужно трансформировать,— дело сложное, оно требует специальных знаний. Но существо дела легко понять на основании простого примера.
Допустим, что с электростанции в город нужно передавать по одной линии 30 ООО кВт. Из-за того что провода линии имеют электрическое сопротивление, ток их нагревает. А так как это тепло рассеивается и не может быть использовано, энергия, затрачиваемая на нагревание, представляет собой потери.
Свести потери к нулю невозможно — проводов без сопротивления не бывает. Но ограничить величину потерь, чтобы на электростанциях поменьше топлива сжигалось на «отопление» лугов и полей, по которым проходят линии электропередачи, необходимо. Поэтому величина допустимых потерь нормируется, т. е. при расчете проводов линии и выборе ее напряжения исходят из того, чтобы потери не превышали определенной величины, например 10% полезной мощности, передаваемой по линии. В нашем примере это 0,1-30 000 = 3000 кВт.
Поступим теперь так же, как поступают при проектировании, а именно — наметим варианты выполнения электропередачи, сделаем вычисления и сравним.
1-й вариант. Трансформация не применяется и передача происходит при напряжении 220 В.
2-й вариант. На участке от электростанции до города напряжение 110 000 В.
Применяя трансформацию, т. е. повышая напряжение в линии, а затем снижая его вблизи расположения потребителей, пользуются другим способом снижения потерь: уменьшают ток в линии. Этот способ весьма эффективен, так как потери пропорциональны квадрату силы тока. Действительно, при повышении напряжения вдвое ток снижается вдвое, а потери уменьшаются в четыре раза. Если напряжение повысить в 100 раз, ток -уменьшится в 100 раз, а потери в 1002, т. е. 10 000 раз.
В качестве иллюстрации эффективности повышения напряжения укажем, что по линии электропередачи трехфазного переменного тока напряжением 500 кВ передают 1 000 000 кВт на 1000 км.
Ввод в дом. Итак, на подстанции вблизи нашего дома или встроенной в дом, установлен трансформатор. От него через вводно-распределительное устройство в разные помещения расходится сеть проводов и кабелей. По ним электроэнергия передается электродвигателям вентиляторов, установленным в котельной для создания дутья в топках отопительной системы и для вентиляции помещений; электродвигателям насосов при централизованном теплоснабжении от ТЭЦ и для подъема воды на верхние этажи; для общего освещения территории двора и лестничных клеток; для питания трансляционных узлов радио- и телевизионной сети; наконец, по каждой лестничной клетке проходит так называемый стояк — магистральные провода, от которых сделаны ответвления в.квартиры. С этих проводов и начнется подробное рассмотрение устройства квартирной электросети и ее обслуживания.
Электричество на даче - От электростанции до нашего дома
Остались вопросы по теме - "От электростанции до нашего дома", задайте их на