Выработка электроэнергии и ее распределение

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и распределяется с помощью линий электропередачи и подстанций между потребителями. Совокупность сооружений, производящих и распределяющих электрическую и тепловую энергию и связанных общим режимом работы и непрерывностью процесса, называют энергетической системой (энергосистемой). При производстве электроэнергии на тепловых электростанциях получают большое количество горячей воды, которую используют для промышленных нужд и отопления и распределяют по тепловым сетям. Такие сети также входят в состав энергосистемы.
Электрические части отдельных энергосистем, соединенные одна с другой линиями передачи (межсистемными связями), образуют Единую энергетическую систему (ЕЭС). В настоящее время в Советском Союзе уже действует Единая энергосистема европейской части СССР. Завершаются работы по объединению энергосистем Сибири и Средней Азии. Объединение отдельных энергосистем в ЕЭС позволяет уменьшить общую установленную мощность электростанций, так как время максимальных нагрузок в разных районах страны не совпадает и можно использовать резервную мощность одних станций для покрытия дефицита мощности у других. Кроме того, оказывается возможным увеличивать мощность отдельных электростанций и тем самым уменьшать капиталовложения на единицу установленной мощности, строить тепловые станции вблизи залежей топлива (угля, торфа, сланца), уменьшая расходы на его перевозку, повышать надежность всей системы в целом.
Всякую установку, вырабатывающую, преобразующую, распределяющую, передающую и использующую электроэнергию, называют электротехнической установкой (электроустановкой). В настоящей книге будут рассмотрены типы электроустановок, встречающиеся при выработке, распределении и использовании электроэнергии для нужд электрифицированного транспорта.
Все электроустановки, участвующие в снабжении энергией электротяговых устройств, можно объединить в две основные системы энергоснабжения: внешнюю (от электрической станции до вводов тяговых подстанций) и тяговую (от вводов тяговых подстанций до токоприемников электрического подвижного состава). Рассмотрим внешнюю систему энергоснабжения, включающую в себя электрические станции, линии электропередачи и системные подстанции.
Электрические станции. Электрические станции подразделяют по видам энергии, которую они преобразуют в электрическую, на тепловые, гидравлические, атомные и др.
Тепловые электростанции вырабатывают до 82% всей производимой электроэнергии и могут быть паротурбинными, газотурбинными, дизельными и паровыми в зависимости от типа первичного двигателя.
Основные тепловые электростанции энергосистем — паротурбинные (рис. 1). По энергетическому назначению паротурбинные станции бывают конденсационными (КЭС) и теплофикационными (ТЭС). Последние кроме электроэнергии отпускают тепловую энергию в виде отработавшего пара или воды, нагретой этим паром. Мощность одной тепловой станции может достигать 5 млн. кВт, а отдельных ее агрегатов — до 1200 тыс. кВт.
Газотурбинные станции имеют ограниченное применение, так как мощность газовых турбин пока не превышает нескольких десятков тысяч киловатт. Такие электростанции используют обычно в системах для покрытия пиковых нагрузок (кратковременных максимумов) при совместной работе с паротурбинными станциями. Дизельные и паровые станции используют только в установках малой мощности (до 1000 кВт).
Гидравлические электростанции (ГЭС) преобразуют энергию падающей воды в электрическую. Их подразделяют на приплотинные и деривационные. Для первых обычно характерен сравнительно небольшой напор воды, определяемый разностью высот уровня воды до плотины (верхний бьеф 6 на рис. 2) и после нее (нижний бьеф 2). Вторые отличаются тем, что поток воды отводят от русла реки (отклонение — деривация) и подают к турбинам по тоннелям или трубопроводам, создающим значительный напор. Сооружают также смешанные гидростанции, использующие и напор от плотины, и деривацию. В настоящее время в СССР работает первая гидравлическая «приливная» электростанция, использующая энергию приливов океана.
Гидростанции вырабатывают до 15% производимой электроэнергии и отличаются высоким кпд (0,85—0,87). Ввиду того что основная стоимость строительства ГЭС падает на гидротехнические сооружения (турбогенераторы сравнительно дешевы), а также благодаря водохранилищам, позволяющим широко регулировать мощность ГЭС, гидростанции частично используют в мощных энергосистемах для покрытия пиков нагрузки, подобно тому, как используют газотурбинные станции в системах малой мощности.
Атомные электростанции преобразуют энергию атомного распада в электрическую. В реакторах внутриядерная энергия превращается в тепловую, а в паротурбинной установке тепловая энергия через теплоноситель (воду и пар) преобразуется в электрическую (рис. 3). Кпд таких электростанций в результате повышения параметров пара может быть доведен до 40%. Стоимость атомных станций довольно значительна из-за необходимости создания сложной и тяжелой защиты от радиоактивных излучений как для устройства, где используется ядерное горючее, так и для водоциркулирующей системы, поскольку, проходя через реактор, вода становится радиоактивной.
Линии электропередачи. Высоковольтные линии электропередачи (ВЛ) связывают друг с другом электрические станции, распределительные подстанции и пункты потребления электроэнергии. По назначению BJ1 подразделяют на распределительные линии внутрисистемных связей и линии межсистемных связей. По конструкции они могут быть воздушными и кабельными. Линии электропередачи сооружают для всех напряжений, предусмотренных Государственными стандартами — ГОСТами. По характеру передаваемой по ним электроэнергии ВЛ разделяют также на линии для переменного трехфазного тока и линии для постоянного тока.
Воздушные ВЛ служат для передачи больших мощностей на значительные расстояния. Они дешевле кабельных и позволяют применять более высокие напряжения (практически до 800—1500 кВ). Кроме того, в связи с более благоприятными условиями охлаждения проводов, в воздушных линиях значительно лучше используются проводниковые материалы (допустимы большие плотности тока).
Для воздушных ВЛ применяют голые медные, алюминиевые или сталеалюминиевые провода, подвешиваемые на подвесных или штыревых (для напряжений до 10 кВ включительно) изоляторах к траверсам специальных опор. Провода, как правило, используют многопроволочные, так как их механическая прочность значительно выше, чем одно проволочных. Опоры ВЛ изготовляют из дерева, металла или железобетона и рассчитывают на подвеску одной (одно цепные опоры) или двух (двух цепные опоры) трехфазных линий.
В большинстве случаев провода на опорах располагают несимметрично относительно друг друга, поэтому индуктивные сопротивления отдельных фаз и емкостные сопротивления между ними оказываются различными. Чтобы ликвидировать этот недостаток, ВЛ делят на отдельные участки и в конце каждого участка меняют расположение фаз на опоре; это позволяет уравнять фазные индуктивные и емкостные сопротивления. Такое переключение фаз называют транспозицией.
По механическим нагрузкам опоры ВЛ делят на промежуточные (к ним подвешивают провода), анкерные (на них провода крепят с созданием натяжения), угловые (для изменения направления ВЛ), транспозиционные (для транспозиции проводов) и переходные, устанавливаемые в местах перехода ВЛ через реки, каналы, железные и шоссейные дороги. В. связи с этим конструкции опор ВЛ очень разнообразны й имеют широкую градацию по несущей способности, которая измеряется величиной опрокидывающего момента в месте заделки опоры в грунт или присоединения ее к фундаменту.
Кабельные ВЛ применяют обычно для напряжений до 10 кВ включительно, хотя иногда их сооружают и на более высокие напряжения (до 220 кВ). Кабели прокладывают в земле в траншеях, засыпаемых после укладки кабеля; в металлических, гончарных, асбоцементных трубах или бетонных блоках, проложенных в земле в тех местах, где имеется вероятность механического повреждения кабелей; при большом числе параллельно лежащих кабелей их прокладывают в специальных каналах или тоннелях. Конструкции кабелей чрезвычайно разнообразны в зависимости от назначения, номинального напряжения, условий прокладки.
Системные подстанции. Системные подстанции предназначены, для приема, преобразования и распределения электроэнергии между потребителями. Потребителями могут быть как отдельные установки (двигатели станков, цепи освещения и отопления отдельных помещений и зданий и др.), так и целые предприятия, районы, города. Мощные районные подстанции получают от энергосистемы энергию, преобразуют ее напряжение в более низкое и передают на распределительные подстанции своего района. Распределительные подстанции имеют обычно напряжение б—10 кВ. От них электроэнергия поступает через распределительные сети на подстанции потребителей. Подстанции потребителей снабжают отдельные электроустановки электроэнергией напряжением 220—400, а иногда и 500 В.
В ряде случаев районные и распределительные подстанции преобразуют не только напряжение, но и род тока. Так, тяговые подстанции железных дорог, трамваев, троллейбусов, метрополитена преобразуют трехфазный переменный ток в постоянный (выпрямленный) или однофазный переменный той же или другой частоты. Такие подстанции называют преобразовательными. В дальнейшем будут рассмотрены именно преобразовательные подстанции, применяемые для питания электрифицированных железных дорог и метрополитенов.