Предисловие
Курс «Электрические системы и сети» читается студентам электроэнергетических специальностей направления «Электроэнергетика» и некоторым другим специальностей энергетического профиля и является одним из основополагающих в общепрофессиональной подготовке бакалавра техники и технологии и инженера-электрика.
В материале курса излагаются основы построения и функционирования электроэнергетических систем и характеристики их составных частей: электрических станций, электрических сетей и электрических нагрузок. В курсе вводятся базовые понятия электроэнергетики, описывается структура технического устройства электроэнергетики и изучается основной технологический процесс производства передачи и распределения электрической энергии. Кроме того, традиционно в курсе изучаются вопросы анализа и регулирования установившихся режимов электрических систем и сетей, повышения экономичности работы электрических сетей и основы типового проектирования электрических сетей районного значения.
Настоящее учебное пособие написано на основе конспекта лекций, который был составлен и постоянно перерабатывался автором для чтения курса лекций «Электрические системы и сети» в Новосибирском государственном техническом университете.
Необходимость такого пособия возникла в силу целого ряда причин, главными из которых является изменение методов анализа электроэнергетических систем и моделирования их режимов в основном из-за новых возможностей вычислительной техники, а также старения существующей учебной литературы, как морально, так и физически.
При написании учебного пособия автор старался придерживаться классического стиля по структуре изложения материала. Примеры, включенные в пособие, в большей степени приближены к использованию их при работе с компьютером, чем к выполнению арифметических действий на калькуляторе.
Материал учебного пособия может быть использован для изучения отдельных вопросов других дисциплин.
Введение в.1. Научно-технические, экономические и экологические аспекты электроэнергетики
Электричество играет огромную роль в нашей жизни. Электроэнергия легко передается на расстояние, дробится на части и с высоким КПД преобразуется в другие виды энергии.
Электроэнергия получается из других видов энергии, но с меньшим КПД:
на тепловых электростанциях (ТЭС) 35 … 40 %;
на атомных электростанциях (АЭС) 30 … 33 %;
на гидроэлектростанциях (ГЭС) 90 … 92 %.
Повышение КПД на электрических станциях наталкивается на значительные трудности.
В настоящее время на долю электроэнергии в России приходится немногим более 15 % суммарного потребления энергии.
Накапливать электрическую энергию в больших количествах сегодня практически нельзя, и поэтому с помощью современных автоматических средств управления постоянно поддерживается равновесие между вырабатываемой и потребляемой электрической энергией.
Схема преобразования энергий из тепловой энергии на ТЭС или АЭС показана на рис. В.1.
Рис. В.1. Схема преобразования тепловой энергии
Физическая природа электричества рассматривается в двух аспектах: корпускулярном (молекулярном), т. е. в виде потока электронов, и волновом, т.е. в виде электромагнитного поля, имеющего различные проявления в электроэнергетике.
При корпускулярном аспекте за единицу электроэнергии принимают 1 МэВ, а при волновом 1 кВтч. 1 МэВ = 4,4210-20 кВтч. В электроэнергетике электрическая энергия рассматривается в волновом аспекте.
Электрические линии представляют собой волноводы, которые оказываются относительно простым средством передачи больших количеств энергии при низких частотах (50 или 60 Гц).
Передача энергии возможна и целесообразна, если передаваемая мощность потребителю много больше мощности, выделяемой в проводниках ЛЭП, вследствие их нагревания (потерь мощности) Pпотр >> P .
Энергия может также передаваться путем транспорта нефти, газа и угля. При решении вопроса о транспорте энергии различные способы сравниваются на основе технико-экономических расчетов. Стоимость транспортировки нефти и газа ниже остальных, но если они идут на производство электроэнергии, то стоимость передачи возрастает примерно в три раза.
Существует несколько критериев для выбора способа передачи энергии: удельная стоимость энергии, географические условия, желательная про- пускная способность, технические характеристики и влияние на окружающую среду.
При строительстве ЛЭП появляется полоса отчуждения в среднем на 1 км ЛЭП 3 га; если напряжение 500 кВ и выше, то в два раза больше. Сильные электромагнитные поля оказывают вредное биологическое влияние на живые организмы. Появляются акустические шумы, озонирование и образование окислов азота. Имеют место радиопомехи.
При передаче энергии другими способами имеются свои экологические проблемы (нефтяные пятна в море, утечка газа и др.).
Экологически важен вопрос о месте строительства ТЭС, АЭС и ГЭС и их мощности.
ТЭС рассеивают около 70 % энергии сжигаемого топлива в окружающей среде с дымовыми газами и подогретой водой. В воздух с дымовыми газами попадают твердые частицы, сернистый ангидрид, ртуть, окись азота, углекислота и окиси металлов. Сбросные воды ТЭС подогреты на 8…10 С. Попадая в природные водоемы, они могут нарушать их тепловой баланс.
Современные АЭС обеспечивают безопасный уровень радиации внутри станции и в окружающей местности при нормальной ее работе. Однако совершенно ясны последствия аварий на АЭС и масштабы зон поражения радиоактивными выбросами. Поэтому вопрос о месте строительства АЭС на современном этапе требует тщательного исследования возможных последствий при авариях, а также разработки новых безопасных конструкций реакторов. Требует также пересмотра вопрос о захоронении отходов сгорания ядерного горючего.
Сооружение ГЭС, особенно на равнинных реках и хозяйственно освоенных районах, оказывает большое влияние на использование земель и водных ресурсов. В этих условиях остро стоит вопрос о мелководных зонах водохранилищ, которые в процессе эксплуатации ГЭС периодически потопляются и осушаются. Искусственный гидрологический режим мелководных зон водохранилищ отрицательно сказывается на биосфере, в основном в результате нарушения кислородного режима. Кроме того, искусственные водохрани- лища могут существенно влиять на колебания уровня грунтовых вод и на климат смежных территорий. Ряд отрицательных экологических последствий создания крупных водохранилищ еще изучен недостаточно, однако следует отметить, что в США имеется 1220 ГЭС, их средняя мощность 70 МВт, а на территории бывшего СССР около 200 ГЭС, их средняя мощность 300 МВт. Среди них такие гиганты, как Саяно-Шушенская – 6400 МВт, Красноярская – 6000 МВт, Зейская – 1290 МВт и др.