История электроэнергетики (стр. 5 )

Распределительные сети (РС) – это кабельные линии 6-10кВ, проложенные на территории объекта, либо в земле, либо, что представляется более перспективно, по воздуху на специальных устройствах – эстакадах. Кабельные линии подходят к цеховым подстанциям, где напряжение понижается до 380В (либо 660В). Для питания электроприемников напряжением 6-10кВ, сооружаются закрытые распределительные устройства (ЗРУ), задача которых питать электроприемники 6-10кВ.

Если распределительная сеть 10кВ, а некоторые приемники имеют номинальное напряжение 6 кВ, то, в таких случаях, для этих электроприемников устанавливают еще свои трансформаторы, напряжением 10/6кВ, то есть понижающие от 10 до 6кВ.

Электрическая схема электроустановки – это графическое изображение порядка соединений элементов оборудования, с помощью условных символов, в точном соответствии с действительностью.

Главной схемой соединений электрических станций и подстанций – называют схему электрических и трансформаторных соединений между основными ее элементами, связанными с производством, преобразованием и распределением электрической энергии. На чертеже все элемента схемы обозначаются условными символами. Анализируя главную схему можно оценить надежность, маневренность, экономичность станций и подстанций. Главные схемы представляются обычно в однолинейном представлении, то есть показываются электрические соединения элементов одной фазы (о наличии трех фаз можно, обычно, судить по условным обозначениям силовых трансформаторов, трансформаторов тока, некоторых типов трансформаторов напряжения). К элементам главной схемы относятся: генераторы (для станций), трансформаторы, шины, провода, линии электропередач, разъединители, выключатели, реакторы, измерительные трансформаторы, а также некоторые электроприемники, соизмеримые по мощности с силовым электрооборудованием подстанций. Пример: двигатели, дуговые печи и так далее.

Основные требования к системам электроснабжения (СЭС)

При проектировании систем электроснабжения должны быть выполнены три основных требования:

1.  Надежность, то есть бесперебойность питания, особенно: электроприемников, наиболее ответственных в технологическом процессе предприятия, а также соблюдение соответствующих стандартов качества электрической энергии.

Пример: величины напряжения, частоты переменного тока, формы кривой напряжения, симметрии по фазам трехфазных сетей и так далее (всего таких показателей – десять основных и три дополнительных).

2.  Экономичность, то есть имеется в виду минимум расчетных затрат на сооружение и эксплуатацию систем электроснабжения.

3.  Безопасность при эксплуатации.

Принцип построения систем электроснабжения

Построение систем электроснабжения осуществляется по ряду основных принципов. Эти принципы можно сгруппировать, или сформулировать следующим образом:

1.  Максимальное приближение источника питания к потребителю, это следует понимать следующим образом: наиболее высокое напряжение необходимо максимально близко подводить, к так называемому, центру электрической нагрузки объекта, то есть использовать систему «глубокого ввода».

2.  Раздельная работа сетей и трансформаторов. Поскольку в большинстве случаев линии двухцепные (то есть состоят из двух проводов), а трансформаторные подстанции двухтрансформаторные, нагрузка должна делиться на две части и так работать в нормальном режиме. В случае вывода одного трансформатора из строя, или выхода из строя одной цепи, вся нагрузка переводится на другой трансформатор. Такой режим называется послеаварийным, поэтому при проектировании выбор линии и трансформаторов делают с учетом допустимой по стандарту перегрузки в послеаварийном режиме.

3.  Глубокое секционирование всех звеньев системы, это означает: что число секций может быть более двух.

4.  Выбор правильного режима работы, то есть имеется в виду регулирование показателей качества электрической энергии на местах, компенсация реактивной мощности, параллельная работа трансформаторов и так далее.

Лекция 22. Основные этапы проектирования систем электроснабжения

Создание любого объекта начинается с проектной документации. Системы элетроснабжения не являются исключением. Началом проектирования является получение технического задания от заказчика и технических условий (ТУ) электроснабжающей организации на подключение системы электроснабжения. В этих технических условиях оговорены питающие напряжения, подстанция или электростанция, к которой планируется подключение к питающей сети, рекомендуемая аппаратура коммутации на пункте приема электрической энергии (ППЭ), а также необходимые параметры для расчетов токов короткого замыкания. В целом проектирование систем электроснабжения состоит из трех основных частей:

1.  Пояснительной записки, в которой приводятся все расчеты, пояснения и инструкции;

2.  Графической части: чертежи, схемы;

3.  Сметнофинансовой части: сметы расходов по отдельным статьям и итоговым данным.

Проектирование начинается с конца схемы, т. е. от электроприемников. Предварительно определяют расчетные электрические нагрузки, рассчитывая все электрические приемники до 1000В и выше. Затем, по полученным данным, выбирают цеховые трансформаторные подстанции и распределительные устройства, после чего выбирают линии распределительной сети и все нагрузки сводят к шинам 6-10 кВ пункта приема электроэнергии, т. е. определяют нагрузки по заводу (предприятию) в целом, причем учитывают нагрузки освещения (цехов и территории предприятия), потери в цеховых трансформаторах и сети, компенсацию реактивной мощности. По этой нагрузке выбирают трансформаторы пункта приема электрической энергии, затем линии электропередач питающей сети. После этого «сверху» (от источника питания) спускаются «вниз», выбирая аппаратуру, рассчитывая токи короткого замыкания в нужных точках сети и проверяя выбранную аппаратуру и другие элементы сети в ненормальных режимах.

Понятие надежности. Категории потребителей электрической энергии.

Под надежностью электроснабжения понимают способность электросистемы в любое время снабжать электрической энергией, присоединенных к ней потребителей.

Отключения в электрических сетях вызываются разными причинами и могут быть случайными или преднамеренными. Нарушения электроснабжения влекут за собой нежелательные последствия: внезапные погасания света в цехах промышленного предприятия приводит к браку и не отпуску продукции, кроме того в это время возможны соприкосновения работающих с движущимися механизмами, либо с токоведущими частями оборудования, что может привести к несчастным случаям. Степень опасности и уровень ущерба, связанные с прекращением электроснабжения определяется условиями производства и характером потребителей.

При проектировании систем электроснабжения необходимо принимать во внимание категорию потребителей электрической энергии по степени их ответственности.

В отношении обеспечения надежности электроснабжения, электроприемники подразделяются на три категории:

1.  Электроприемники первой категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства. К таким потребителям относятся: химическое производство, ряд металлических производств, зрелищные предприятия, вмещающие большие массы людей. Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего оборудования (основного).

2.  Электроприемники второй категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому не отпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

3.  Электропериемники третьей категории – все остальные электроприемники, не подходящие под определения первой и второй категорий: вспомогательные цеха, небольшие поселки, небольшие односменные кустарные предприятия и т. д.

Электроснабжение электроприемников первой категории наиболее ответственно. Электроприемники первой категории должны обеспечиваться электрической энергией от двух независимых взаиморезервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы электроприемников первой категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаиморезервирующего источника питания. В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников первой категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем, специальные агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т. д.

Если резервированием электроснабжения нельзя обеспечить необходимой непрерывности технологического процесса, или если резервирование электроснабжения экономически нецелесообразно, то должно быть осуществленно технологическое резервирование.

Например: путем установки взаимно резервирующих технологических агрегатов, специальных устройств безаварийного останова технологического процесса, действующих при нарушении электроснабжения.

Электроснабжение электроприемников первой категории с особо сложным непрерывным технологическим процессом, требующим длительного времени на восстановление рабочего режима, при наличии техникоэкономического обоснования. Рекомендуется осуществлять от двух независимых взаиморезервирующих источников питания, которым предъявляются дополнительные требования, определяемые особенностями технологического процесса.

Электроприемники второй категории рекомендуется обеспечивать электроэнергией от двух независимых взаиморезервирующих источников питания. Для электроприемников второй категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания, действиями дежурного персонала или же выездной оперативной бригадой.

Допускается питание электроприемников второй категории по одной высоковольтной линии, в том числе и с кабельной вставкой, если обеспечена возможность проведения аварийного ремонта этой линии на время не более одних суток.

Кабельные вставки этой линии должны выполнятся двумя кабелями, каждый из которых выбирается по наибольшему длительному току высоковольтной линии. Допускается питание электроприемников второй категории по одной кабельной линии, состоящей не менее чем из двух кабелей, присоединенных к одному общему аппарату.

При наличии централизованного резерва трансформаторов и возможности замены поврежденного трансформатора за время не более одних суток допускается питание электроприемников второй категории от одного трансформатора.

Для электроприемников третьей категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания, при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышает одних суток.

Лекция 23. Основные термины и понятия в области энергосбережения

Энергосбережение – это:

1)  подъем производства; 2)  увеличение доходов населения; 3) охрана окружающей среды.

В России высокая энергоемкость производства (почти в 3 раза выше, чем в странах западной Европы, и в 2 раза выше, чем в США приводит к высоким ценам на конечную продукцию, делая ее неконкурентоспособной даже при низких затратах на оплату труда. Снижение затрат на энергопотребление позволит реально увеличить статью доходов населения России. Поэтому задача рационального использования энергоресурсов должна стать одной из общенациональных идей, имеющей не только техническое, но и социальное, а также политическое значение.

Табл. 20.1. Основные термины и понятия

Термины	Понятия
Топливно-энергетические ресурсы ТЭР	Совокупность всех природных и преобразованных видов топлива и энергии используемых в хозяйственной деятельности.
Энергосбережение	1.  Реализация правовых организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. 2.  Понятие, используемое для обозначения целей употребления ТЭР наиболее эффективным способом.
Возобновляемые источники энергии	Источники энергии, постоянно возобновляемые 1) естественным путем за счет физико-химических процессов природного происхождения. К ним относят: солнечное излучение, энергию ветра, рек, морей и океанов, энергию от использования всех видов биопроцесса, полученной в качестве отходов растениеводства и животноводства в сельскохозяйственном производстве, искусственном лесонасаждений и водорослей, энергию от утилизации отходов промышленного производства. Твердых бытовых отходов и осадков сточных вод, внутреннее тепло земли, воды, воздуха, энергию от прямого сжигания растительной биомассы термической переработки отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности.
Вторичный энергетический ресурс ВЭР	Ресурс, получаемый в виде побочного продукта основного производства или являющийся таким продуктом. Наиболее часто используется ВЭР в виде тепла газа, водяного пара, сбросных вод и топлива (твердые отходы, жидкие сбросы и газообразные выбросы предприятий отраслей промышленности.)
Экономичное расходование ТЭР	Относительного сокращения расходования ТЭР выражающееся в снижении их удельных расходов на производство единицы конкретной продукции, выполнение работ и оказание услуг установленного качества с учетом социальных, экологических и прочих ограничений. Экономичное расходование сопряжено с реализацией нормативов для отдельных машин и механизмов, операций и процессов, видов работ, а также реализации эффекта за счет: 1)  новых технических решений, совмещения различных функций в одном устройстве: (принтеры, сканеры, ксероксы); 2)  замена энергетических ресурсов на менее дорогостоящее и дефицитное; 3)  Замена технологий (плавка алюминия не из глинозема, а из лома); 4)  Изменение способов воздействия на объект (плавка бронесталей не в печах, а с помощью мощных лазерных установок); 5)  Замена теплоносителей, топлива (бензин на газ, спирт, получаемый из тростника); 6)  Повышение уровня использования ТЭР; 7)  Совершенствование организационной структуры производства; 8)  Достижение предельно возможных (оптимальных) для данного объекта условий расходования энергоресурсов.
Сертификация объектов энергоресурсов	Экспертная деятельность по инструментально-документальному выявлению и ответственному (гарантирующему достоверность) документированию, степени соответствия свойств конкретного эхнергообъекта тем характеристикам (требованиям информации), которые установлены в нормативном документе на объект, включая энергопаспорт, информационный лист или другой документ на поставку, эксплуатацию.
Энергетическое обследование	Обслуживание Потребителей ТЭР с целью установления эффективности использования ими ТЭР, определение резервов, экономии ТЭР и выработке экономически обоснованных мер на снижению затрат на топливо и энергообеспечивание.
Энергоаудит	Добровольное энергетическое обследование, проводимое по инициативе потребителей ТЭР.
Энергоаудитор	Юридическое лицо, осуществляющее энергетическое обследование (энергоаудит) потребителей ТЭР и аккредитованное на выполнение указанных видов работ в установленном порядке.
Энергетически паспорт потребителя ТЭР	Нормативный документ, совершающий показатели эффективности использования ТЭР, потребляемых объектами в процессе производственного назначения независимо от организационных форм и форм собственности, а также совершающий энергосберегающие мероприятия с учетом энергетического баланса.
Нормируемый ресурс (условное топливо)	Топливо, которое имеет теплотворную способность 29,3 ГДм (7000Ккал/кг.)

Лекция 24. Основные мероприятия и принципы энергосбережения

1.  Энергетическая паспортизация всех предприятии независимо от форм собственности. Наличие энергетического паспорта позволяет сократить затраты на оплату энергоресурсов практически без капитальных вложений за счет организационных мероприятий.

2.  Проведение энергетических обследований.

3.  Лицензирование теплоисточников и введение технических паспортов котельных. Цель: повышение КПД котельных с доведением до уровня нормативного.

4.  Создание системы непрерывного образования по энергосбережению.

5.  Гибкая тарифная политика, при которой устанавливается тарифная сетка в виде минимальных и максимальных тарифов на электроэнергию.

6.  Минимальный тариф дается лишь тому, кто занимается энергосбережением. Пропаганда энергосбережения в средствах массовой информации.

7.  Организация семинаров, смотров, конкурсов, постоянно действующих выставок по энергосбережению.

8.  Введение стандарта, организация работ по экономии ТЭР для предприятий всех форм собственности, в котором определены основные направления работ по энергосбережению.

9.  Создание специального органа на предприятии, занимающегося энергосбережением (энергетическая комиссия)

10.  Обязательное оснащение предприятий системами учета потребления энергоресурсов (без приборов учета нет энергосбережения).

11.  Введение низкоэнергоемких энергосберегающих технологий.

12.  Внедрение системы нормирования расхода энергоресурса.

13.  Создание системы материального поощрения работников активно участвующих в энергосбережении. Премии могут достигать 30% размера заработной платы.

14.  Схем теплоснабжения городов и водоподготовки.

15.  Создание зон высокой энергетической эффективности.

16.  Создание фонда специальной литературы обобщающего отечественный и зарубежный опыт по энергосбережению.

17.  Создание производства энергосберегающего оборудования в регионе.

Основные положения (принципы), обеспечивающие успех

при энергосбережении

Стоимость энергоресурсов складывается на предприятии из платы за электрическую, тепловую энергию и топлива прямого использования. В ряде случаев сюда относят сжатый воздух, пар и т. д. если они поступают от стороннего источника.

Для организации непроизводственной сферы основными видами потребляемой энергией является теплота (2/3 от общего количества потребляемой энергии) и электрическая энергия.

Основными положениями энергосбережения является:

1. Экономить в первую очередь нужно то, что дорого стоит.

2. Экономить нужно то, что можно сэкономить при минимальных затратах.

Пример: В многоэтажном здании большая часть потерь энергии связана:

- с инфильтрацией (проникновением) воздуха через неплотности оконных проемов. Свыше 30% общих теплопотерь здания.

- с теплообменом окон (около 30% общих тепловых потерь здания). Величина затрат на уплотнения оконных переплетов и на дополнительное остекленение (введение 3 рамы или полиэтиленовой пленки) минимальна, однако, при всей очевидной необходимости проведения данного мероприятия в организациях оно чаще всего не производится.

3.  Снижать потери нужно там, где они аномально велики (энергетические дыры). Инструментом для решения этой задачи служат энергоаудит и энергетическая паспортизация объектов с последующим сравнением однотипных сооружений.

4.  С позиции экономии лучше избегать посредников (лучше производить энергию самим), покупая только дешевое топливо, например, газ, так как посредники заинтересованы в переносе всех своих затрат и потерь на потребителя. (пример: стоимость тепловой энергии без посредников и с посредниками может отличаться в 1.5 – 3.5). В том случае, если избежать наличие посредников невозможно, нужно руководствоваться 5-ым положением.

5.  Нужно точно знать объем потребляемых энергоресурсов (иметь геометрический учет энергоресурсов). Стоимость потребления горячей воды. Без учета - 11100 литров/ месяц, с учетом – 1941 литров/ месяц.

6.  Реализация мероприятий по энергосбережению не должна ухудшать санитарно-гигиенические условия в организации.

7.  Тщательный анализ, точный выбор цели и концентрация средств на самые эффективные мероприятия.

Выводы:

1.  В условиях РФ наибольшие расходы связаны с отоплением и тепловая защита зданий является приоритетной задачей.

2.  Учет энергопотребления нужен для избежания переплаты посреднику, поставщику.

3.  Значительный эффект энергосбережения может быть достигнут без больших финансовых вложений.

4.  Мероприятия по энергосбережению должны идти во благо людей. Аморально экономить на здоровье.

5.  Большая часть причины аномально высоких потерь банальна и устранима – нужен энергоаудит, энергетический паспорт и сравнительный анализ.

Лекция 25. Уравнение Максвелла. Вихревое электрическое поле.

Из закона Фарадея:

, (23.1)

следует, что изменение сцепленного с контуром (подвижным и неподвижным) магнитного поля (потока), приводит к возникновению ЭДС индукции. При движении контура в постоянном магнитном поле возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца:

, (23.2)

Какова природа возникновения Еинд в неподвижном проводнике, находящимся в переменном магнитном поле?

ЭДС, возникающая в любой электрической цепи – это силы, которые создаются когда в этих цепях на носители зарядов действуют сторонние силы.

Опыт показывает, что в рассматриваемом случае сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами, а также и ни с силой Лоренца. Ответ на данный вопрос был дан Максвеллом.

По Максвеллу:

1. Всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве переменное электрическое поле напряженностью Ев, которое и является причиной возникновения Еинд и индуктивного тока (если проводник замкнут), где Ев – напряженность вихревого электрического поля.

Циркуляция (интеграл по замкнутому контуру) этого поля:

, (23.3)

где Еве – проекция вектора Ев на напряжение вектора dl;

- элементарный (очень маленький вектор) замкнутого контура L;

- частная производная, которая учитывает изменение потока магнитной индукции только от времени.

Подставим в данное выражение

Ф= (23.4)

- выражение магнитного потока через замкнутую поверхность S.

(23.5)

Если контур L и поверхность S неподвижны, то из векторного анализа следует, что операции интегрирования и дифференцирования можно поменять местами:

. (23.6)

Для электростатического поля с напряженностью Е циркуляция этого поля:

. (23.7)

Из сравнения следует, что между Е и Ев существует принципиальное различие:

(23.8)

- потенциальное поле;

. (23.9)

Электрическое поле, удовлетворяющее данному уравнению и возбужденное переменным магнитным полем является вихревым.

2. Замкнутый контур L, в котором возникает Еинд, играет второстепенную роль. Этот контур является лишь прибором, который позволяет обнаружить вихревое поле Ев, таким образом, наличие или отсутствие контура L не изменяет формулировку

, (23.10)

т. е. в любом случае Еинд≠0.

Ток смещения

3. Всякое изменение электрического поля вызывает появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля.

4. Так как источником магнитного поля является электрический ток, то переменное электрическое поле, возбуждающее в пространстве магнитное поле, было названо током смещения (iсмещ).

В отличие от тока проводимости (i) обусловленного упорядоченным движением электрических зарядов. Таким образом природа iсмещ и i разная, они эквивалентны только по способу создания магнитного поля.

Особенности тока смещения

Рассмотрим электрическую цепь переменного тока:

Рис. 23.1 - Электрическая цепь переменного тока

Пусть напряжение источника меняется по закону:

; (23.11)

По закону Ома:

, (23.12)

где Z – полное сопротивление цепи постоянного тока.

Рис. 23.2 – График напряжения

. (23.13)

Рис. 23.3 – График тока

Лекция 26. Закон изменения напряжения на обкладках конденсатора

; (24.1)

; (24.2)

I0=const; (24.3)

; (24.4)

Рис. 24.1 – Заряд на обкладках конденсатора

Вывод: заряд на обкладках конденсатора изменяется также как i и u, т. е. по гармоническому закону.

Напряженность электрического поля внутри конденсатора

, (24.5)

где - поверхностная плотность заряда;

q – заряд на обкладках конденсатора;

S – площадь обкладок конденсатора.

То есть

(24.6)

между обкладками конденсатора существует переменное электрическое поле и согласно гипотезе Максвелла, между обкладками конденсатора (где нет проводников) протекают токи смещения. Эти токи смещения и возбуждают между обкладками конденсатора переменное магнитное поле. Найдем связь между этими полями: электрическим и магнитным.

Переменное электрическое поле в конденсаторе в каждый момент времени создает такое переменное магнитное поле, как если бы между обкладками конденсатора существовал ток проводимости (i) равный по силе току смещения (Iсмещ) в подводящих проводах, т. е. i=iсмещ. Откуда следует, что j=jсмещ. Где j – плотность тока проводимости; j – плотность тока смещения.

; (24.7)

. (24.8)

В конденсаторе:

, (24.9)

где Д – электрическое смещение;

, (24.10)

где - электрическая постоянная,

; (24.11)

Е – напряженность электрического поля;

Р – абсолютное значение вектора поляризации (или поляризуемость);

. (24.12)

В данном уравнении знак частной производной указывает на то, что магнитное поле определяется лишь скоростью изменения Д по времени t.

Рассмотрим, как направлены j, jсмещ и Д.

Можно показать, что всегда при зарядке и разряде конденсатора, векторы j, jсмещ ; - совпадают, поэтому можно представить в виде: . (24.13)

В диэлектрике:

; (24.15)

Получаем

, (24.16)

где - плотность тока iсмещ в вакууме;

- плотность потока поляризации.

Вывод: из последнего уравнения следует, что даже в вакууме всякое изменение во времени электрического поля, приводит к возникновению в открытом пространстве магнитного поля, т. к. магнитное поле возникает при любом изменении электрического поля, то iсмещ существует и в проводниках, но iсмещ<<i.

Развивая свою теорию Максвелл ввел понятие полного тока:

iполн=i+iсмещ, (24.17)

, (24.18)

, (24.19)