Способы преобразования различных видов энергии в электрическую: современное состояние и перспективы развития

 Электрические сети

Электрическую энергию от источников к потребителям передают с помощью  электрических сетей. В их состав входят все сооружения по передаче, преобразованию и распределению  электрической энергии: трансформаторные подстанции, открытые и закрытые распределительные устройства, линии электропередачи. Электрические сети классифицируют: по виду тока — сети постоянного и переменного тока;по значению передавамого напряжения — сети низкого (до 1 кВ), среднего (от I до 35 кВ), высокого (от 35 до 400кВ) и сверхвысокого (свыше 400 кВ) напряжения; по назначению — межсистемные, магистральные и распределительные; по конструктивному исполнению — воздушные, кабельные, внутренние. Для передачи и распределения электрической энергии используют исключительно сети переменного тока с частотой 50 Гц, а в некоторых странах Азии и Америки-60 Гц. Межсистемные электрические сети (линии электропередачи— ЛЭП) служат для связи между отдельными электроэнергетическими системами, магистральные сети — для транспортировки энергии от электростанций к районным подстанциям, распределительные сети — для распределения электроэнергии между потребителями. Сооружение высоковольтных электрических сетей позволяет передавать электрическую энергию на большие расстояния при сравнительно небольших ее потерях. Потери мощности увеличиваются пропорционально квадрату силы тока. Передача больших мощностей при низком напряжении тока технически нецелесообразна и экономически невыгодна (надо увеличивать сечение проводов).Электрические сети для среднего, высокого и сверхвысокого напряжений выполняют трехфазными. Для сетей низкого напряжения принята схема с четырьмя проводами и с заземленной нейтралью. Таким образом, имеется возможность получать два напряжения: фазное 220 В для освещения и питания однофазных потребителей и линейное (межфазное) 380 В для силовых потребителей. Кроме того, наличие нулевого проводника обеспечивает электрическую безопасность потребителей. Воздушные линии электропередачи. Такие линии выполняют из неизолированных проводов , укрепленных на опорах  с помощью изоляторов. На протяжении линии электропередачи изолятором служит воздух. Провода бывают одножильными, многожильными и специального профиля. Чаще всего используются многожильные проводники, такие проводники гибче и обладают большей механической прочностью. Провода специального профиля используют при сооружении контактных сетей электрического транспорта.Провода для электропередачи могут быть изготовлены из меди, алюминия, стали, а также из стали и алюминия. Медь — дефицитный материал, поэтому для проводов ее используют очень редко. Чаще всего применяют многожильные провода из стали и алюминия. Сердцевина такого провода стальная, а на нее навиты алюминиевые жилы. За счет этого получают хорошие электрическую проводимость (алюминий) и механическую прочность (сталь).Стальные провода используют преимущественно для защиты от молний и монтируют над фазными проводами в линиях электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения. В линиях электропередачи с напряжением свыше 220 кВ используют пучки проводников: каждый фазный проводник состоит из нескольких параллельных многожильных проводов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга (40—60 см) и связанных между собой специальными держателями (распорками).В населенных пунктах воздушные сети низкого напряжения выполняют со следующим расположением проводов: сверху устанавливают три фазных провода, иод ними нулевой провод , а снизу — провод  для уличного освещения. Во многих случаях на том же столбе, но ниже, располагают еще два провода для радиотрансляционной сети. Опоры (столбы) в зависимости от материала, из которого они изготовлены, бывают деревянными, железобетонными и металлическими. Деревянные опоры используют весьма редко. Железобетонные опоры дешевле и служат дольше. Их применяют для линий электропередачи напряжением до 110 кВ. Металлические опоры делают решетчатыми из стальных профилей. На них выполняют линии электропередачи для высоких и сверхвысоких напряжений.Изоляторы изготовляют из фарфора или стекла. В зависимости от конструктивного выполнения они бывают закрепленными и висящими. Закрепленные изоляторы используют для напряжений до 35 кВ включительно. Для более высокого напряжения применяют висящие изоляторы, из которых сооружают изоляторные гирлянды (цепи). Число изоляторных элементов в одной гирлянде определяется напряжением линии электропередачи. Следует отметить, что с увеличением напряжения линий электропередачи уменьшается площадь земли, занимаемая трассой на единицу передаваемой мощности . На рисунке площадь прямоугольника соответствует максимальной пропускной мощности ЛЭП, а длина основания — ширине трассы Кабельные линии электропередачи. Линии электропередачи можно выполнять путем укладки кабелей в землю. Конструкция используемых кабелей определяется напряжением,числом и сечением жил, условиями работы. Токопроводящие жилы изготовляют из меди или алюминия. Кабели бывают одножильными и многожильными. В зависимости от числа жил различают одно-, двух-, трех- и четырехжильные кабели. Четырехжильные кабели используют в сетях низкого напряжения, причем одна из жил является нулевым проводом.В последние годы проводят интенсивную научно-исследовательскую работу по созданию и внедрению сверхпроводящих кабелей. Жилы этих кабелей, будучи охлажденными жидким гелием, водородом и др., находятся в состоянии сверхпроводимости. Используют также материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Для кабельных линий электропередачи не требуются трассы, они не подвержены влиянию атмосферных явлений, удобны для городских условий и др. Однако они капиталоемки, а их повреждения труднее обнаружить.  

Короткое замыкание в электрических сетях. Каждое непредусмотренное металлическое соединение между фазными проводниками, а при соединении в звезду с заземленной нейтралью — между фазным проводником и землей или между фазным и нулевым проводниками называют коротким замыканием. Причинами короткого замыкания могут быть нарушенная изоляция, порванные проводники, неправильные действия персонала и др. Ток, протекающий в этом случае, многократно превышает номинальный и приводит к большим перегревам и механическим нарушениям электрического оборудования. Для быстрого отключения линии при замыкании и для предохранения электрического оборудования от повреждений обязательно в начале каждой токопроводящей линии ставить защиту от максимального тока с помощью плавкого предохранителя, автоматических выключателей или реле максимального тока (в зависимости от конкретных требований). 

Подстанции и распределительные  устройства    Преобразование (трансформацию) электрической энергии с более низкого на более высокое напряжение и наоборот, а также ее распределение осуществляют на подстанциях. Виды подстанций. В зависимости от назначения и места в электроэнергетической системе подстанции бывают: межсистемные — предназначены   для   связи между отдельными ЭС. Через них передают и на них преобразуют большие мощности электроэнергии сверхвысокого и высокого напряжения; районные — на них преобразуют сверхвысокие напряжения в высокие или высокие в средние напряжения для питания районных распределительных сетей; местные—для питания городских районов, городов или сел. На них преобразуют высокие или средние напряжения в более низкие (6, 10, 20 кВ); распределительные — для распределения электрической энергии. В них отсутствуют устройства для ее преобразования; трансформаторные — для преобразования средних напряжений в более низкие (380/220 В); преобразовательные — для преобразования переменного тока в постоянный или с другим значением напряжения (преимущественно для электрического транспорта). Их сооружают и в качестве конечных подстанций при переходе к линиям электропередачи постоянного тока.По способу строительства различают закрытые и открытые подстанции. При напряжении до 35 кВ их делают закрытыми, при напряжении свыше 35 кВ — открытыми. Закрытые подстанции дороже и сооружаются медленнее, но эксплуатационные условия в них лучше.

Основные сооружения. Основными сооружениями в подстанциях являются преобразующие и распределительные устройства.Преобразующими устройствами являются трансформаторы, выпрямители тока, инверторы (устройства, преобразующие постоянный ток в переменный — процесс, обратный выпрямлению тока) и преобразователи частоты. Распределительные устройства — это совокупность сооружений, предназначенных для приема и распределении электроэнергии: шины, выключатели, разъединители и др.Для различных по значению напряжений сооружают отдельные распределительные устройства.Число и мощность трансформаторов на подстанции зависят от электрических нагрузок и от требований безопасной эксплуатации. Часто подстанции сооружают с двумя трансформаторами и более, работающими параллельно. В зависимости от требований по непрерывности питания всех потребителей подразделяют на три категории: первую, вторую и третью. Питание электроэнергией потребителей первой и второй категорий осуществляют от двух или более независимых источников или отдельных трансформаторов.Небольшие трансформаторные посты для питания потребителей третьей категории выполняют с одним трансформатором. Из схемы видна последовательность соединения электрических устройств. Питание осуществляется    воздушной   линией электропередачи.Вентильные разрядники служат для предохранения сооружений трансформаторного поста от перенапряжений.Через разъединитель трансформатор можно отключить со стороны высокого напряжения. Защита от перегрузок и коротких замыканий осуществлена с помощью плавких предохранителей. В распределительном щите низкого напряжения смонтирована коммутационная и измерительная аппаратура. От щита отводят три вывода для питания потребителей                                                       

Расчет электрических  нагрузок. выбор аппаратов и токопроводящих элементов 

Электрической нагрузкой называют мощность, которую электрическое устройство или отдельный потребитель получает от сети, для электростанций — генерируемая ими мощность. Знать электрическую нагрузку необходимо, чтобы рассчитывать и выбирать аппараты и токопроводящие элементы для использования их в электрических устройствах (аппаратах для управления и защиты, трансформаторах, проводниках, кабелях и др.). Как правило, электрическая нагрузка не является постоянной. Чтобы представить ее изменение во времени строят графики нагрузки. Для определения нагрузок в действующих устройствах используют измерительные устройства. При проектировании новых предприятий нагрузки определяют вычислительными методами, а аппараты и токопроводящие элементы выбирают на основании   расчетной нагрузки. Для отдельного потребителя расчетной нагрузкой является его номинальная мощность. Для группы потребителей сумму их номинальных мощностей, называемую установленной мощностью, нельзя приравнивать к расчетной, так как не все они работают одновременно и с номинальной нагрузкой. В этом случае расчетная нагрузка определяется на базе реальной электрической нагрузки с использованием расчетных методов.  Условия выбора аппаратов и токопроводящих элементов бывают общими и специфическими. Общие условия справедливы для всех устройств, специфические— только для определенных аппаратов и токопроводящих элементов.

Большинство условий выбора аппаратов  и токопроводящих элементов записывают в виде неравенства. Когда техническая характеристика аппарата не совпадает с расчетным значением, то выбирают аппарат с последующим большим номинальным значением. Наиболее важные общие условия, которые следует соблюдать при выборе аппаратов токопроводящих элементов: 1. Номинальное напряжение аппарата должно соответствовать номинальным напряжению сети: 2. Номинальный ток аппарата должен быть равен или больше расчетного: Это условие называют выбором по допустимому нагреву, так как от него зависит, насколько будут нагреваться аппараты и токопроводящие элементы. В общие условия входит и вид монтажа (на открытом воздухе, в закрытом помещении), состояние окружающей среды (нормальная, влажная, пожароопасная, взрывоопасная) и др. Специфические условия более многочисленны, так как они могут быть различны для различных видов электрических устройств. Так, при выборе аппаратов для высокого напряжения учитывают тепловое и динамическое воздействие токов короткого замыкания и другие дополнительные условия. При выборе аппаратов для низкого напряжения проверка на динамическую устойчивость не требуется. Выбор предохранителей. Самыми распространенными аппаратами защиты от перегрузок и короткого замыкания в электрических устройствах низкого напряжения являются плавкие предохранители. Их устройство достаточно простое, они надежны и недороги. Их выбирают, соблюдая следующие условия:1. Защищаемая цепь не должна прерываться при нормальном режиме работы.2. Защищаемая цепь не должна прерываться в пусковом режиме. Так как для электродвигателей и ряда других потребителей пусковой ток в несколько раз больше номинального, то, чтобы плавкие вставки не расплавлялись, во время пуска должно соблюдаться условие. При определении сечения кабелей большой длины наиболее важно соблюсти условие допустимой потери напряжения                                                                                    

Электрическое освещение  

Свет — это электромагнитное излучение. Источниками света называют устройства, излучающие электромагнитные волны видимого спектра — от 0,38 до 0,77 мм. Эти источники можно подразделить на две основные группы: естественные и искусственные. Самым важным естественным источником света является Солнце. Когда отсутствует естественное освещение или оно недостаточно, используют искусственные источники света. В качестве таких источников служат лампы накаливания и газоразрядные лампы. Лампы накаливания. Источником света в лампе накаливания является тепловая энергия нагретой вольфрамовой спирали. Для уменьшения интенсивности процесса окисления и распыления спирали лампы выполняют либо вакуумными, либо с колбами  заполненными инертным газом аргоном, криптоном и др.Лампы накаливания просты по устройству и в эксплуатации, дешевы, не нуждаются в применении специальной пусковой аппаратуры. Их существенный недостаток — отличие спектра создаваемого света от дневного и малая светоотдача. Средняя продолжительность службы таких ламп около 1000 Ч. Люминесцентные лампы. Люминесцентные лампы светятся в результате электрического разряда в газовой среде. Они получили наиболее широкое распространение наряду с ртутными. Люминесцентные лампы представляют собой стеклянную трубку, внутренние стенки которой покрыты люминофором.

Взаимодействуя с люминофором, ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимый свет. Для того чтобы уменьшить распыление электроды   и облегчить возникновение электрического разряда, трубку заполняют инертным газом (аргоном) или небольшим количеством ртути. Помимо люминесцентных в качестве источников света широко используют ртутные, металлогалогенные и натриевые лампы. Осветительные устройства. Для эффективного и качественного выполнения осветительных устройств источники света обычно используются не самостоятельно, а в сочетании с осветительными телами, которые перераспределяют световой поток источника света, направляют его в нужную сторону, предохраняют глаза человека от прямого потока света и защищают лампу от механических, а также атмосферных воздействий и пыли. Схемы подключения осветительных устройств зависят от числа ламп в одном, либо в одновременно включаемых устройствах, а также от числа мест включения и выключения. Для различных способов включения применяют разные типы выключателей. Электрические линии отходят от щитов и бывают питающими, групповыми и выводными. Питающие линии связывают данный щит с внешней электрической сетью или групповыми щитами. Групповые линии, групповые щиты непосредственно с приемниками электроэнергии. Выводные служат для подсоединения к контактам н лампам (осветительным устройствам ).На фазных проводниках питающих и групповых линий обязательно устанавливают предохранители, автоматические выключатели. На нулевом проводнике предохранители не устанавливают. Питание электрических устройств ,в жилых и производственных зданиях осуществляют от распределительной сети с напряжением 380/220 В. 

Заключение

Имеющиеся в природе ресурсы, используются человеком для получения энергии только после преобразований к виду, удобному для практического применения. Поэтому актуальны создание новых методов и средств получения и преобразования различных видов энергии в электрическую, разработка новых способов передачи электрической энергии и их использование в различных стационарных и подвижных установках.