Посібник

ББК 31.29-5

М 192 УДК 621.316.1

Рекомендовано Науково-методичною радою Національного університету “Львівська політехніка”

як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом 6/050701 “Електротехніка та електротехнології”

Рецензенти:

Олійник М.Й., Турковський В.Г.

Основи використання електричної енергії. –Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2007. -127 с.

ISBN 966-553-498-X

У навчальному посібнику викладені відомості стосовно виробництва та використання електричної енергії у промисловості для електроприводу та електротехнологій, комунальному господарстві, у холодильних установках, для освітлення тощо. Розглянуто основні схеми електричних мереж напругою до 1000 В та електричні комутаційні та захисні апарати, що застосовуються у таких електроустановках. Подані відомості стосовно виконання квартирної проводки та приладів обліку електроенергії у побуті.

Поданий матеріал відповідає програмі дисципліни “Основи використання електричної енергії”; посібник буде корисним для студентів напряму 6.050701 “Електротехніка та електротехнології”, а також для широкого кола читачів.

ББК 31.29-5

ISBN 966-553-498-X

2

4

ВСТУП

Електрична енергія є одним з найпоширеніших видів енергії, що використовується людством. Вона з великою швидкістю передається від місця генерування до місця використання, легко перетворюється у інші види енергії (наприклад, на теплову, механічну), її можна легко розподілити і передати до широкого кола споживачів, легко контролювати і регулювати її параметри. Ці властивості, а також відсутність шкідливих викидів у довкілля під час її перетворення, зумовили широке її використання у народногосподарському комплексі країни.

Електрична енергія виникає у процесі цілеспрямованого перетворення первинних природних форм існування енергії: хімічної, механічної, ядерної тощо. Це енергія електричного струму, яка утворюється й існує у електромагнітному полі. Загальна характеристика енергії – це здатність виконувати роботу. Основною ознакою процесів генерування і використання електроенергії є їх одночасність, - електричну енергію практично не вдається накопичувати у чистому вигляді для майбутнього використання.

Людство з давніх давен цікавилося природними електромагнітними явищами (електричними розрядами, магнетизмом тощо). З історичних джерел відомо також про існування за 250 років до нашої ери гальванічного елемента, однак про його застосування можна тільки здогадуватися. Дослідження взаємодії магнітів проводив англійський вчений В.Гільберт, дослідження взаємодії зарядів – французький вчений Ш.Кулон. Потужного імпульсу розвитку електротехніки надало винайдення у 1799 році джерела постійного струму - гальванічного елемента італійським фізиком Алессандро Вольта. Цей винахід розпочав еру використання електроенергії у наукових передбаченнях та на практиці: можливість освітлення розжареним провідником, електроліз, гальванічні технології тощо. Відкриття електричної дуги у 1802 році, яке здійснили російський фізик В.В. Петров та А. Вольта, дало можливість використовувати це явище для освітлення, електричного зварювання, виплавлення металів у дугових печах. У 1819 році датський фізик Ганс Крістіан Ерстед продемонстрував явище взаємодії електричного струму і стрілки постійного магніту. Значний вклад у розвиток електротехніки вніс французький фізик Андре Марі Ампер, який ввів поняття “електричний струм”(1820 р.), встановив закон взаємодії провідників зі струмом, сформулював правило визначення напряму дії магнітного поля струму на магнітну стрілку, розробив перші зразки електричного двигуна. У 1827 році німецький фізик Георг Ом дослідив умови проходження струму у провідних середовищах, запровадив поняття опору і сформулював і обґрунтував закон, що носить його ім'я. Англійський фізик Майкл Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, а російський академік Еміль Ленц сформулював правило для визначення напряму індукційного струму. Два фізики Е.Ленц та Дж. Джоуль майже одночасно відкрили закон

5

теплової дії електричного струму та встановили залежність між значенням струму і кількістю виділеного тепла (закон Джоуля - Ленца).

У практичне застосування електроенергії для освітлення внесли суттєвий вклад електротехнік П.М.Яблочков (сконструював дугову лампу змінного струму - “свічу” Яблочкова) та американському винахіднику Т.А.Едісону і англійцю Дж.В.Свану, які сконстуювали незалежно один від одного лампу розжарення. Значний доробок у цій царині й фізика українського походження Івана Пулюя, який вдосконалив технологію виготовлення ниток розжарення для ламп та продемонстрував на всесвітній виставці у м. Штайєрі (1884 р.) досконалішу лампу від лампи Едісона. Пулюй також досліджував явище холодного світла – неонового.

Неоціненний вклад Т.А.Едісона у розвиток системи електропостачання та використання електроенергії, який у 1879 сформулював напрями діяльності зі створення потужних генераторів змінного струму, розробки раціональних схем розподілу електроенергії, розробки конструкцій ліній електропередавання, систем захисту від струмів короткого замикання, стандартизації параметрів елетричних ламп та інших апаратів. З цієї програми почала розвиватися прикладна наука про електропостачання.

Суттєвого прогрессу у генеруванні та використанні електричного струму досягнуто завдяки винаходу М.О. Доліво-Добровольським трифазної системи змінного струму. Він же сконструював трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором та трифазний трансформатор.

На початку ХХ століття розширилось використання електроенергії у промислових електротермічних процессах: появилися електродугові печі напрямої дії Стасано, дугові печі прямої дії Еру, індукційні канальні печі Кєлліна, перші резистивні та руднотермічні печі. Пізніше знайшли застосування установки діелектричного нагрівання (для нагрівання кераміки, пластмасс, харчових продуктів, сушіння деревини, шерсті тощо), які останнім часом впроваджені у побуті як печі надвисокої частоти (мікрохвильові печі).

Сьогодні основна частка генерованої електроенергії використовується для приводу в рух різноманітних механізмів (електропривід), близько 15% електроенергії витрачається на електротермічні процеси у промисловості, зростає використання електроенергії у побуті, особливо з застосуванням електронагрівання для підігрівання води та опалення приміщень, для живлення холодильників, кондиціонерів та інших електроприймачів.

Цей навчальний посібник призначений для студентів напряму “Електротехніка та електротехнології” і має на меті подати основи знань з виробництва та використання електроенергії у різних галузях господарства, фізичних основ функціонування електроприймачів, а також методи розрахунку електричних кіл, необхідні для вибору провідників та апаратів захисту системи електропостачання .

6

1. ЕЛЕКТРИЧНА ЕНЕРГІЯ – ЕНЕРГІЯ ВИСОКОГО РІВНЯ

ПЕРЕТВОРЕННЯ

1.1. Виробництво електричної енергії

Джерела електроенергії- це пристрої, у яких теплова, хімічна, механічна, ядерна та інші види енергії перетворюються у електричну. До них можна віднести електростанції з електричними генераторами, гальванічні елементи, акумулятори, сонячні батареї тощо.

Приймачі електроенергії - це пристрої, у яких електроенергія перетворюється в інші види енергії: механічну, теплову, хімічну, акустичну тощо. Джерела і приймачі електроенергії з’єднують пристроями для передавання та перетворення параметрів струму та напруги, до яких відносяться: лінії електропередавання, трансформатори, випрямлячі (перетворюють змінний струм у постійний), інвертори (перетворюють постійний струм у змінний), перетворювачі частоти електричного струму тощо.

Основним постачальником електричної енергії для потреб народного господарства є електричні станції – підприємства, де здійснюється перетворення різних видів енергії у електричну. Серед видів енергії, що перетворюються на електричних станціях є хімічна енергія органічних палив, кінетична і потенціальна енергія мас води, енергія вітру та сонячного випромінювання, атомна енергія тощо. Усі види енергоносіїв, енергія яких перетворюється в електроенергію називають енергоресурсами. Енергоресурси поділяють на традиційні (серед яких вугілля, природний газ, нафта, інші горючі корисні копалини, енергія мас води, атомна енергія) і нетрадиційні (геотермальна енергія, енергія вітру, енергія малих річок, сонячна енергія, енергія припливів та відпливів океану, енергія біомас тощо). Сукупність електричних станцій, ліній електропередавання, підстанцій та установок електроспоживачів утворює електроенергетичну систему.

На сьогоднішньому рівні розвитку техніки основні обсяги електроенергії виробляється такими традиційними електричними станціями:

-тепловими (ТЕС), до яких відносяться паротурбінні (конденсаційні – КЕС та теплофікаційні – ТЕЦ (електроцентралі)) і газотурбінні (ГТЕС);

-гідравлічними (ГЕС) та гідроакумулюючими (ГАЕС);

-атомними станціями (АС).

Велику надію покладають на використання нетрадиційних джерел енергії, до яких можна віднести такі, що безпосередньо перетворюють тепло, хімічну і ядерну енергію у електричну: магнітогідродинамічні установки, реактори-розмножувачі на швидких нейтронах, реактори

7

термоядерного синтезу, термоелектричні генератори, термоемісійні генератори, електрохімічні генератори тощо.

З метою обмеження використання запасів органічних палив останнім часом поширюється використання поновлюваних енергоресурсів: енергію підземних гарячих джерел води, енергію припливів і відпливів світового океану, енергію Сонця, енергію вітру, енергію газу, генерованого у біоенергетичних установках тощо.

Станом на кінець ХХ – початок ХХІ століття в Україні працюють 44 потужні теплові електричні станції (ТЕС), 7 потужних гідравлічних електростанцій (ГЕС) та 5 атомних станцій (АЕС). Сумарна потужність та обсяги виробництва електроенергії цими станціями наведені у табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Потужність електростанцій та обсяги виробництва електроенергії в Україні

Рис. 1.1. Схема виробництва електроенергії на конденсаційній станції

Технологічний процес на станції з вугільним паливом відбувається за такою схемою: паливо, що надходить у вагонах, розвантажується і подається на вугільні млини; отриманий у млинах вугільний пил подається

8

перетворює воду, що проходить по кип’ятильних трубах у котлі, у пару; пара з температурою 400 – 650 0С і тиском від 3 до 30 МПа подається у турбіну, обертає її робоче колесо, а разом з ним і ротор генератора. У генераторі механічна енергія перетворюється у електричну, котра передається до електроприймачів; з парової турбіни пара надходить у конденсатор, де охолоджується і конденсується, а далі помпою конденсату (ПК) та живильною помпою (ЖП) повторно подається у котел; розчинені у воді гази видаляються у деаераторі; продукти спалювання (переважно вуглекислий газ та зола) видаляються в атмосферу за допомогою вентилятора , а залишки у вигляді шлаку механічним чи гідравлічним способом видаляють з котла у спеціальні відвали. З метою повнішого використання енергії палива теплом димових газів попередньо підігрівають воду, що подається у котел, та повітря, що бере участь у спалюванні палива (це відбувається у спеціальних пристроях - економайзерах).

На ТЕЦ на відміну від КЕС частину пари відбирають з турбіни і подають у системи опалювання або для інших технологічних потреб. Таким чином ТЕЦ реалізує споживачам теплову і електричну енергію.

Гідроелектростанції. На ГЕС механічна енергія руху води перетворюється на електричну. Залежно від умов місцевості, де споруджується ГЕС, їх поділяють на гребельні, дериваційні та руслові. На гребельних станціях упоперек русла ріки споруджують греблю (рис. 1.2), за допомогою якої рівень води перед нею підвищується й утворює необхідний напір (різницю рівнів води до і після греблі).

9

У машинному відділенні ГЕС встановлені генератори, головний пульт керування, гідравлічні турбіни та інше обладнання. Для пропуску зайвої води у греблі влаштовують спеціальні шлюзи. Вода з верхнього рівня надходить на лопаті гідравлічної турбіни, обертаючи її робоче колесо. Тут кінетична енергія води перетворюється у механічну енергію обертового руху колеса турбіни. Вода, що пройшла через турбіну, видаляється у ріку на нижньому рівні води.

Ротор генератора з’єднаний з валом турбіни. У генераторі механічна енергія перетворюється у електричну, яка передається у електричну систему. Потужність турбіни вручну чи автоматично регулюють поворотом лопаток напрямного і робочого коліс.

На час ремонту доступ води у спіральну камеру перекривають засувками (це спеціальні щити – шандори, які піднімають чи опускають за допомогою кранових механізмів).

Потужність потоку води РП, що проходить через певну перепону – створ, залежить від витрати води QВ (м3/с), напору Н (м), густини води ρ (кг/м3) та коефіцієнта корисної дії η гідравлічних споруд, турбіни і генератора:

РП=9,81· ρ· QВ· Н·η·10-3 (кВт).

Гідроакумулювальна електростанція має оборотний гідроагрегат, який може працювати у режимі генератора або у режимі двигуна, що обертає помпу. У час мінімального навантаження у системі помпою перекачують воду з нижньої водойми у верхню, накопичуючи (акумулюючи) її там. Таким чином створюється необхідний напір для роботи станції у часи найбільшого навантаження у системі.

Дериваційні ГЕС споруджують на річках переважно у гірській місцевості. У них вода з русла води (з верхнього рівня) подається до турбін спеціальними водоводами. Різниця рівнів між забиранням і скиданням використаної води складає необхідний напір для турбінної установки. Іноді на верхньому рівні ріки споруджують водосховища для створення необхідного запасу води. Такі станції за потужністю можна віднести до

малих ГЕС.

Існують також мікроГЕС, потужність агрегатів яких не перевищує 50 кВт. Для їх роботи як правило не потрібна гребля,- їх занурюють у русло ріки і для обертання турбіни використовують кінетичну енергію водного потоку.

Атомні електростанції – це промислові підприємства, де атомну енергію перетворюють на електричну. Основною частиною атомної станції

єатомний реактор (рис. 1.3) .

Уреактор завантажують ядерне паливо, що складається з урану-238, збагаченого до 5 % ураном-235. Під час розщеплення урану-235 температура у реакторі значно підвищується. Для уповільнення ядерної реакції між урановими стержнями розташовують стержні з карбідом бору. На час роботи реактора стержні з карбідом бору підняті (вийняті з активної

зони реактора). Опускаючи ці стержні, ядерну реакцію можна

10