Энергоснабжение

Все войны ведутся за власть, которая невозможна без ресурсов и энергии, способной преобразовать ресурсы в продукт. Добыча энергии и ресурсов — древнейшая проблема всех царствий. Изначально ресурсы добывались в тех местах в которых они располагались и здесь же перерабатывались либо перевозились в другие места, а энергия была четка привязана к месту из которого она добывалась. Росли государства и ресурсов требовалось все больше и больше при это росли сети перевозок по доставке готовой продукции. Соответственно потребность в энергии росла в геометрической прогрессии. Запросы населения нельзя стало удовлетворить с помощью нескольких продуктов, что привело к росту рынка товаров и услуг. Рынку требовались товары способные заинтересовать покупателя, а предприятиям требовались ресурсы и энергия.

Ресурсы возможно было перевозить, хранить и перерабатывать. С энергией все обстояло намного сложнее. Поэтому всегда велись поиски того вида энергии который можно было с легкостью перемещать на большие расстояния, сохранять, накапливать. Энергию можно добывать практически из всего что есть под рукой, но при этом затраты на добычу могут чуть ли не превышать стоимость самой энергии. Раньше в виде энергии использовались деревья, которые при горении выделяли достаточно тепла для ковки металлов. Дрова полностью удовлетворяли запросам того времени – есть везде. Со временем потребовались усилия по вращению кругов и тогда придумали использовать те же бревна, но при этом они нагревали сосуд с водой, который выделял пар, а пар вращал колеса. Вода и бревна были по-прежнему так же распространены. Наряду с энергией горения развивалась и энергия падающей воды. Водопады были эффективнее потому что не требовалось рубить деревья, хотя была полная зависимость от места расположения водопада.

Энергии требовалось все больше, поэтому на смену бревнам пришел каменный уголь и доменные печи, а на смену естественному водопаду – пластины и дамбы. Станки и механизмы работали от водяных колес, затем от паровых установок, потом подключились двигатели внутреннего сгорания. На сегодняшний день все крутится электричеством. Именно электричество научились передавать на огромные расстояния с минимальными потерями, перераспределять и преобразовывать в любые другие виды энергии. Единственный вопрос остался с накоплением, но это вопрос обошли за счет перераспределения и организации вспомогательных станций. Конечно, электричество стало побочным видом энергии. Как и раньше первоочередная энергия – сжигания угля и строительство дамб.

Для передачи энергии от мельничного колеса к станкам фабрики, расположенные на значительном удалении, применялись механические системы из палок и шарниров, которые совершали поступательные движения «вперед-назад». Эксцентрик преобразовывал круговое вращение колеса в поступательное движение палок.

Сейчас все крутит электричество которое сделало возможным полностью автоматизировать процессы производства. Добычей электричества занимается огромное количество всевозможных энергостанций. В основе добычи – сжечь энергоемкое топливо. Структурная схема получения и передачи энергии представлена на рисунке.

В результате сгорания выделяется тепловая энергия которая нагревает жидкость, как в чайнике на плите. Жидкость закипает и струя пара, как из носика, бьет вверх, заставляя паровую турбину-генератор вращаться. При вращении генератора энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию. Например, если генератор вырабатывает мощность 1 МВт при напряжении 6 кВ, то ток примерно составит 118 А. Повышающим трансформатором увеличивают напряжение до 110 кВ, ток снижается до 6,5 А. Такое напряжение легко передается по проводам на значительные расстояния без потерь. Далее применяется понижающий трансформатор, уменьшающий напряжение со 110 кВ до 0,4 кВ при токе 1875 А.

При добыче электрической энергии из падающей воды перегораживается бурная река и возводится платина, образуя водохранилище. В результате подъема уровня воды можно получить большую энергию за счет давления на лопасти турбины. Вращающаяся турбина вращает генератор. Электричество не могло завоевать место главенствующего энергоносителя если бы не был придуман способ транспортировки электричества на большие расстояния за короткое время. Одним из интересных решений была передача электроэнергии с помощью радиоволн, правда потери были большими и излучатель требовался уж очень большой величины. Поэтому решили использовать проводники. Провода протянулись по всей стране. Однако передавать низкие напряжения на большие расстояния не получилось из-за потерь в проводах. Как известно, все обладает сопротивлением электрическому току. Чем меньше сопротивление, тем более выгодным становится материал в качестве проводника электрической энергии. Явное лидерство в области передачи электрической энергии принадлежит металлам. Самым известным металлом с малым сопротивлением считается Ag (серебро), но его неприменение связано с тем, что в воздухе стало очень много сереводорода (H₂S), который окисляет серебро. Вторым металлом идет Au (золото), но его применение нецелесообразно из-за стоимости. Наиболее перспективными металлами для электропередачи стали Cu (медь) и Al (алюминий). Но есть способ для снижения сопротивления металлов. Вот уже много десятков лет человечество носится с мыслями о сверхпроводнике при комнатной температуре. Сверхпроводник – проводник не обладающий сопротивлением. Но такие явления пока возможны только при очень больших и очень низких температурах.

Вначале передавать электроэнергию нужно было на сравнительно малые расстояния, поэтому с потерями мирились, используя провода большего сечения. Но электричество все более становилось популярным поэтому и увеличивалась длина проводов. Потери в линии зависят от величины тока, протекающего по проводу, и от удельного сопротивления провода.

Pпот=I²R=I²pL/S

где Pпот – мощность потерь в линии, кВт;

I – ток в проводе;

R – сопротивление в линии;

p – удельное сопротивление металла из которого сделан провод;

p (al)=0,028 Ом*мм²/м;

p (cu)=0,018 Ом*мм²/м;

L – длина линии, м;

S – сечение линии, кв.мм.

К примеру, если генератор вырабатывает 10 кВт при напряжении 380 В 3-х фазного напряжения, то даже используя сечение провода 35 кв.мм будут сказываться потери, которые на 1 км трассы составят 1,6 кВт, а через 6 км напряжение в линии будет около ноля.

Такие потери очень сильно удорожали линии электропередач потому что для уменьшения потерь увеличивали итак очень толстые кабели и массивные опоры. Транспортировка была нерентабельна, поэтому для уменьшения потерь в линии решили уменьшить ток. Ток – виртуальная величина, которая зависит от физических величин напряжения и сопротивления. Ток можно уменьшить либо за счет уменьшения сопротивления линий, но это не вариант из-за стоимости либо за счет увеличения напряжения в линии. С ростом напряжения ток в линии уменьшается и потери сокращаются.

К примеру, если генератор вырабатывает те же 10 кВт но напряжение увеличено трансформатором до 3 кВ 3-х фазного напряжения при том же сечении провода 35 кв.мм потери на 1 км трассы составят 27 Вт, а линия может растянуться на 375 км. При этом затраты на трансформацию из 380 В в 3 кВ на передающей стороне и обратно на приемной составляют менее 2%.

Заметно, что при увеличении напряжения 8 раз длинна трассы увеличивается в 62,5 раза. Напряжение увеличивается при помощи трансформатора. Именно способность переменного тока трансформироваться в любые переменные напряжения при помощи простого оборудования открыло дорогу переменному току.

Для трансформации напряжения необходимы два трансформатора – на передающей и приемной сторонах. С ростом напряжения увеличиваются требования к оборудованию и линиям. Чем выше напряжение, тем выше класс изоляции должен быть всех токоведущих частей, конечно кроме проводов линий электропередач потому что именно провода и не покрыты изоляцией.

Подстанции

Подстанции предназначены для преобразования электроэнергии из одного напряжения в другое, выполнения защиты проводов и оборудования от перегрузки и токов короткого замыкания, разветвления линий, учета перераспределяемой электроэнергии. На дверях подстанций обычно помимо устрашающей надписи «Под напряжением опасно для жизни», есть запись 10/0,4 кВ. Это означает, что высокая сторона подключена к напряжению 10 кВ, а низкая — 400 В. По правилам допускается колебания напряжения в сети -10..+5%. Если в розетке 220 В, то энергоснабжающая организация может подавать напряжение от 198 В до 231 В. 231 В — фазное напряжение (между нулем и фазой), а линейное (между двумя фазами) в 1,73 раза больше фазного и составляет от 342 В до 400 В.

Обычно подстанции располагаются в отдельных зданиях, либо в пристроенных зданиях и содержат обслуживающий персонал. Подстанции перераспределяют большие напряжения, также подстанции могут располагаться и под землей.

Различают открытые распределительные устройства (ОРУ) и встраиваемые распределительные устройства (ВРУ). Первые располагаются на открытом воздухе под навесом, а вторые – в отдельном помещении внутри здания.

Любая подстанция является зоной повышенной опасности. Чтобы посторонние не проникали на такие территории подстанции обносят забором. Над забором поднимаются мачты электропередачи (ЛЭП). Для ремонта в ночное время на подстанциях устанавливаются вышки с фонарями. Также фонарями можно освещать территорию при нападении или угрозе проникновения.

Часто можно увидеть на проводах катушки. Дело в том, что линии электропередачи могут тянуться на сотни километров, а проводник по которому течет ток и земля являются большим конденсатором. Чтобы ликвидировать реактивную составляющую в проводах при передаче в разрыв провода вставляют индуктивную катушку. Такие катушки не имеют сердечника.

Линии электропередачи стоит дешевле чем аналогичная кабельная линия. Но кабельные линии эстетичнее потому что их видят только ремонтных службы. В идеале все линии уберут под землю. Даже сейчас хоть линии на 110 кВ и подходят к подстанции по воздуху, но к зданиям после трансформаторов под землей проложены кабели. Здесь больше подумали о безопасности чем об эстетике.

Трансформатор

Трансформаторы являются самыми главными компонентами всей распределительной сети энергоснабжения. Трансформатор понижает и повышает напряжение для удобства к потреблению и передаче. Первичная обмотка трансформатора обычно соединяется по схеме «треугольник». Вторичная обмотка соединяется по схеме «звезда». При этом соединении становится возможным вывести из трансформатора его нейтраль. Нейтраль трансформатора можно заземлить и от нее брать и заземление и рабочий ноль, или изолировать от земли и брать от нее только рабочий ноль.

Если потребители на низкой стороне нагружены равномерно по фазам, т.е токи фаз равны, то тока в нолевом проводе не будет. Если же существует перекос по фазам – а это практически всегда – то через контур заземления потечет ток. Сила тока будет сравнительно небольшой (5-10 А) в зависимости от нагрузки всех фаз. Формула для расчета тока в нолевом проводе имеет вид.

I₀²=I_a²+I_b²+I_c²-I_aI_b-I_aI_c-I_bI_c

где I₀ – ток в нулевом проводе, А;

I_a, I_b, I_c — токи в фазных проводах, А.

К примеру, если коттедж потребляет по фазе А — 10 А, фазе В – 5 А, фазе С – 7 А, то ток в нолевом проводе составит

I_o² = 10² + 5² + 7² — 10*5 — 10*7 — 5*7 = 19

I_o = 4,4 А

Это не означает, что нулевой провод на все группы нужно тянуть меньшего сечения. Токи в обоих проводах на лампочке и в розетке будут равны. В формуле имеется ввиду провод от подстанции или столба до коттеджа. Именно из-из того, что ток в нулевом проводе никогда не превысит ток в фaзном проводе, есть возможность экономить на сечении нулевой жилы в кабеле от подстанции до объекта.

Еще приведу пример – имеется трехфазная сеть, четырехжильный кабель КГ 3*6+1*4. Нужно запитать 6 комнат.

Вариант 1 – соединить четыре провода попарно, тогда получим, что два провода 6 мм² дадут 35 + 35 = 70 А, а один 4 мм² и один 6 мм² дадут 27 + 35 = 62 А. Итого возможное энергопотребление на все комнаты составит P = 62*220 = 13640 Вт, а на каждую комнату 13640/6 = 2274 Вт.

Вариант 2 — соединить фазные провода на разные фазы, тогда получим, что провода 6 мм² дадут 35 А, а провод 4 мм² даст 27 А. Учтем, что раз комнат 6, а фаз 3, то на каждую фазу можно посадить 2 комнаты. Итого потребление на 2 комнаты от 1 фазы составит:

Если нагружена 1 фаза – работают 2 провода, ток, выдерживаемый проводом 4 мм² равен 34 А, следовательно P = 34*220 = 7480 Вт, а на каждую комнату 7480/2 = 3740 Вт.

Если нагружены 2 фазы – работают 3 провода, ток, выдерживаемый проводом 4 мм² равен 31 А, следовательно P = 31*220 = 6820 Вт, а на каждую комнату 6820/2 = 3410 Вт.

Если нагружены 3 фазы – работают 4 провода, ток в нулевом проводе около 0, выдерживаемый проводом 6 мм² ток равен 35 А, следовательно P = 35*220 = 7700 Вт, а на каждую комнату 7700/2 = 3850 Вт.

Заметно, что использование трехфазной сети значительно повышает передаваемую мощность по кабелю.

По конструкции помещения трансформаторных подстанций напоминают сарай или будку.

Вся начинка находится в помещении называемом «трансформаторной подстанцией» (ТП). Трансформатор находится в отдельном помещении, которое называется «высокой стороной трансформаторной подстанции». Помимо высокой также есть низкая сторона трансформаторной подстанции. На низкой стороне находятся все отходящие линии, аппараты защиты и коммутации.

В зависимости от того какую мощность должен трансформировать трансформатор их различают по размеру. Чем выше трансформируемая мощность, тем больше размер самого трансформатора. В самом верху трансформатора находятся изоляторы, которые предотвращают возможность касания проводов под напряжением и корпуса трансформатора. Изоляторы более высокого напряжения выше и тоньше чем те, которые стоят на низкой стороне.

В самой верхней точке трансформатора стоит расширительный бак для изоляционного масла. Силовые трансформаторы маслонаполненные. Под действием температуры от обмоток объем масла в корпусе трансформатора постоянно меняется и излишки масла выдавливаются в расширительный бак. Масло применяется специальное обезвоженное и им наполнен весь трансформатор. Масло служит для дополнительной изоляции между обмотками, но основная его функция – отводить тепло от обмоток, которые нагреваются. Для охлаждения масла на корпусе трансформатора располагаются ребра, которые являются радиатором и в которых циркулирует масло.

При опасных ситуациях когда трансформатор может выйти из-под контроля при токах короткого замыкания предусмотрена выхлопная труба для выхода паров масла. Труба расположена сверху трансформатора.

При замене трансформаторного масла откручивают пробку на расширительном баке и в него заливают масло. Однако, диаметр отверстия в баке сравнительно небольшой и заливать в него масло трудно, поэтому многие безбашенные электрики откручивают верхнюю крышку с выхлопной трубы и заливают масло прямо в сам трансформатор.

Перед тем как доливать масло необходимо произвести анализ масел в трансформаторе и бочке, из которой будут доливать. Пробу масла берут при включенном трансформаторе. На лицевой стороне трансформатора находятся датчики температуры, а в самом низу трансформатора есть гайка с отверстием в центре – клапан для забора проб масла. При откручивании гайки на несколько оборотов из отверстия начнет течь масло. Диаметр отверстия 6 мм. Если так получилось, что в трансформатор долили больше масла чем требовалось, то через клапан для забора проб масла можно отрегулировать количество масла в трансформаторе.

В зданиях позади подстанций размещается вся автоматика систем защиты. Из здания оператор управляет коммутацией кабелей и следит за реактивной составляющей. Катушка на проводах гасит емкостную составляющую линий. Дело в том, что промышленные объекты содержат много электродвигателей, которые тянут помимо активной энергии из сети еще и реактивную индуктивную энергию, которая увеличивает расход активной составляющей и без которой можно обойтись. При росте индуктивной составляющей оператор на подстанции включает силовые конденсаторные батарее.

Изолятор

Изоляторы делают из стекла или керамики. Возможно, что ушлые китайцы делают изоляторы из пластмассы, но наши страны продолжают использовать керамику. Изолятор хоть и толстый, но имеет порог пробоя по напряжению. Это значит, что если изолятор на 3 кВ, а по проводу, который он держит, пропустить 6 кВ, то скорее всего провод наэлектризует вокруг себя все пространство и пробьет промежуток между собой и стальной опорой мачты.

На стальной штырь опоры надевается пластиковая втулка с резьбой. На резьбу накручивается сам изолятор. Форма изолятора не случайна. Когда идут дожди между столбом и проводом может создаться водяная перемычка, которая станет проводником электричества. Чтобы этого не произошло изоляторы делают с волнистым профилем – то горбинка, то впадинка.

Для того, чтобы изолировать от мачт провода под напряжением 110 кВ – собирают гирлянду изоляторов. Изолятор представляет собой сферу. В центре сферы стоит стеклянная преграда на случай стыковки двух крепежных тросов. По обеим сторонам от перемычки закреплены крепежные тросы. Изоляторы соединяются последовательно. Каждый может выдержать пробивное напряжение 3-20 кВ.

По обеим сторонам от крепления изолятора к проводу размещаются успокоители – гантели. Эти штучки препятствуют раскачивания проводов под напором ветра.

Провода

Провода в высоковольтных линиях используются сталеалюминиевые. В сердцевине содержится стальной трос, а поверх троса навита алюминиевая проволока. Тем самым соблюдается и физическая нагрузка провода, которую принимает на себя стальной трос и проводимость, которую берет на себя алюминий потому что электроны бегут по наружной поверхности металла. На востоке где прокладка самой линии уже проблема в сердцевину троса вплетают оптический кабель связи. Тем самым и электрифицируют и обеспечивают связью населенные пункты.

Опоры

Опоры для высоковольтных линий делаются из стали или железобетона. Внешний вид может быть любой, но главное – эстетика. Опора должна нести на себе вес проводов, изоляторов и успокоителей. Обычно по одной мачте пускают несколько дублирующих линий. На стандартной опоре держатся 6 проводов по 3 с каждой стороны и один на пике вверху. Каждые три провода – фазы, верхний провод – молниезащита, соединенная с каждой опорой.

Мачты электропередач ставят по одной линии очень точно, конечно, если позволяет рельеф местности. Например, в Крыму, мачты переносят провода через горы и впадины, при этом сами мачты тоже поднимаются в горы и спускаются в овраги.

Все линии можно проложить по одной прямой, но из-за постоянной опасности нападения Советский Союз строил линии с поворотами – так бомбить было бы труднее.

Разъединитель

Для отсоединения одного ответвления линии на ней ставится разъединитель. Аппарат чисто механический. С помощью штанги, поднятой до уровня проводов, оператор снизу может заставить ножи, который соединяют обе линии, синхронно выйти из губок, разорвав контакт.

Следует отметить, что ножи разъединителя нужно отключать плавно. Если потянется электрическая дуга – сразу можно вновь замкнуть ножи. Включать ножи нужно быстро, чтобы дуга не перетянулась в разрыв линии.

Разъединитель как прибор не снабжается аппаратурой защиты или дугогашения, поэтому пользоваться разъединителем нужно после того, как вся нагрузка отключена. Например, если на дачный поселок приходить линия 3 кВ, стоит разъединитель, понижающий трансформатор с автоматами защиты, то вначале нужно отключить все автоматы низкой стороны, а только затем дергать разъединитель.

Ну и алаверды. Глобальная проблема энергетики — куда девать выработанную и не расходуемую электроэнергию. Получается, что на ТЭЦ ротор турбины  генератора весит примерно 70 тонн. Останавливать его нужно трое суток, иначе от температуры произойдет деформация. Соответственно нет возможно резко изменить отдаваемую энергию, ведь нужно сильнее или медленнее крутить ротор, а для этого нужно время. Получается проще оставаться на режиме, а все скачки регулировать  ГЭС. Некоторые страны поступают хитро: скупают у соседей избыток ночной энергии, которая дешевая и при помощи двигателей в горные резервуары закачивают воду, а днем, когда электроэнергию дорогая — открывают стоки и вырабатывают дополнительную энергию чтобы уровнять часы пики нагрузки. Как решить рационально эту задачу пока непонятно, но каждый крутится как может, например снижать затраты дневной электроэнергии и увеличивая ночное потребление. Это можно регулировать при помощи стоимость КВт*ч.