27.3. Электростанции, линии электропередач, трансформаторы

Электрическая энергия вырабатывается в процессе преобразо­вания (на электрических станциях) первичных видов энергии в электрическую. По источнику первичной энергии различают электростанции тепловые (ТЭС), гидроэлектрические (ГЭС) и атомные (АЭС).

На тепловых электростанциях происходит преобразование хи­мической энергии твердого (уголь, торф, сланцы), жидкого (ма­зут, нефть, соляровое масло), газообразного (природный и ис­кусственный газ) или смешанного (например, газ и угольная пыль) топлива в электрическую. В качестве первичных двигате­лей используют паровые и газовые турбины, двигатели внутрен­него сгорания (дизельные, газовые, бензиновые). Тепловые элек­тростанции, снабжающие потребителей тепловой энергией в виде пара и горячей воды, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). На долю таких электростанций приходится около 85 % всей вырабатываемой электроэнергии.

На гидроэлектрических станциях первичной энергией являет­ся механическая энергия водных потоков, которая приводит во вращение гидротурбины (за счет перепада верхнего и нижнего уровней воды). Гидротурбина непосредственно соединена с электрическим генератором, вырабатывающим электрический ток.

На атомных электростанциях используется ядерное топливо. При цепной реакции ядерного распада оно выделяет теплоту, расходуемую на нагрев и превращение воды в пар, который по­ступает к паровой турбине и приводит ее во вращение. В осталь­ном атомные электростанции подобны тепловым.

Электрические станции, как правило, строят в районах на­хождения запасов топлива или на полноводных реках. Основные потребители находятся от источника энергии за десятки и сотни километров.

Электроэнергия передается по линиям электрических передач (ЛЭП), что сопровождается потерями на нагрев, которые опре­деляют в джоулях по формуле (27.9). Для снижения потерь на на­грев необходимо уменьшить силу тока или сопротивление прово­да. При снижении силы тока в 20 раз потери тепла уменьшаются в 400 раз.

Полная мощность трехфазного тока, Вт,

(27.10)

Одной из составляющих полной мощности является активная мощность Р = 1/_Л1_Л cosqyjT, используемая на создание магнитно­го поля и зарядку конденсаторов.

Чтобы при изменении силы тока не менялась вырабатываемая полная мощность W, необходимо изменять напряжение тока, так как сила тока обратно пропорциональна напряжению:

(27.11)

Таким образом, для уменьшения (или увеличения) силы тока в несколько раз нужно во столько же раз увеличить (или умень­шить) напряжение. Для этого используют специальные устрой­ства — трансформаторы.

Трансформатор — это электромагнитный аппарат, который служит для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения. В зависимости от вида переменного тока различают одно- и трехфазные трансформаторы.

Для передачи электрической энергии от электростанции к потребителю сооружают повышающие трансформаторные подстанции, линии электропередачи высокого напряжения, понижающие подстанции и линии низкого напряжения (рис. 27.7). Генератор Г вырабатывает электроэнергию напря­жением 10 кВ. Трансформатор ТР1, установленный на элект­ростанции, повышает напряжение до 35 кВ, и электроэнергия подается по ЛЭП к трансформатору ТР2, гд£ напряжение по­нижается до 380 В и передается по линии низкого напряжения

к потребителям.

В сельскохозяйственном производстве в основном при­меняют воздушные ЛЭП с на­пряжением 10, 20, 35 и ПОкВ. Кабельные внешние сети ис­пользуют чаще в населенных пунктах.

Рис. 27.7. Схема передачи электро­ энергии на расстояние

Комплектные трансформаторные подстанции (КТП) состоят из двух основных частей (рис. 27.8): распределительного устрой­ства закрытого типа и трансформатора.

Распределительное устройство КТП состоит из высоковольт­ного 3 и низковольтного 4 шкафов, в которых в соответствии с электрической схемой размещена аппаратура. К подстанции мо­гут быть подключены три низковольтные линии с автоматичес­кой токовой защитой и линия уличного освещения.

Воздушные или кабельные линии, идущие от подстанций к потребителям, присоединяют к распределительным шкафам (пунктам) серии СП, СПУ и др. Силовые распределительные шкафы ПР-9000 содержат до 30 встроенных автоматов А 3100.

Простейший по устройству однофазный трансформатор со­стоит из сердечника, набранного из отдельных листов электро­технической стали, и двух обмоток 1 и 3 (рис. 27.9). Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Когда по первичной обмотке протекает переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток Ф, который пересекает витки обеих обмоток, индуцируя в первичной ЭДС взаимоиндукции Е_ъ а во вторичной — ЭДС взаимоиндукции Е₂. При определенной частоте тока и неизменном магнитном потоке значение ЭДС в каждой обмотке зависит от числа ее витков.

Отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной равно отношению чисел их витков и называется коэффициентом трансформации к = Е\/Е₂ ⁼ щ/щ (здесь w_h w₂— число витков первичной и вторичной обмоток).

В трехфазном двухобмоточном трансформаторе (рис. 27.10) стержень сердечника помещен в первичной обмотке, имеющей меньшее число витков провода большего сечения и присоеди­ненной к сети с относительно низким напряжением (обмотка низкого напряжения). Первичная обмотка, в свою очередь, рас­положена во вторичной обмотке с большим числом витков про­вода сравнительно малого сечения (обмотка высокого напряже­ния). У понижающего трансформатора число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной {к > 1), у повышающе­го — наоборот.

С целью охлаждения обмоток и усиления изоляции магни-топроводную систему с обмотками помещают в бак, заполнен­ный трансформаторным маслом. Для интенсивного отвода теплоты от масла в конструкции предусмотрен радиатор. Тем­пературу масла определяют по термометру, а уровень резерв­ного масла в расширительном бачке контролируют с помощью маслоуказателя.