Від електростанції до нашого будинку
Темніє. У будинках запалюють світло. Проходить півгодини, і рідкісне вікно залишається темним. А коли стрілка годинника підходить до восьми, в деяких кімнатах світло гасять, але вмикають телевізори.
Що ж тут особливого?
У кожній кімнаті є лампи, штепсельні розетки і вимикачі. Потрібен світло - включають. Мало однієї лампи - запалюють люстру. Захотілося чаю - включають чайник. Ми так звикли до того, що в квартирах є достатня кількість електроенергії, що не замислюємося над тим, звідки вона береться і чи багато ми її витрачаємо.
А тим часом електричні лампи, телевізори, печі, холодильники та інші прилади (інакше електроприймачі) представляють для електростанцій навантаження. Це означає, що їх включення і відключення не проходять для електростанцій безслідно: чим більше електроприймачів включено, тим більша робота повинна бути проведена, щоб виробити необхідну кількість енергії. Про обсяг цієї роботи можна судити, наприклад, за сумарною потужністю телевізорів: у великих містах вона обчислюється десятками і навіть сотнями тисяч кіловат. Річні витрати електроенергії на освітлення оцінюється мільярдами кіловат-годин.
Зазначимо як приклад, що в СРСР щорічно випускається понад два мільйони переносних побутових опалювальних електроприладів.
В даний час переважна кількість всієї електроенергії дають теплові електричні станції (рис. 1, а).
Щоб уявити собі масштаби теплових електростанцій (ТЕС), досить сказати, що в даний час експлуатуються десятки електростанцій потужністю понад 1 млн. КВт і серед них кілька таких, потужність яких перевищує 2 млн. КВт. На сучасних ТЕС працюють енергоблоки по 300, 500 і 800 тис. КВт.
Де будують електростанціі..Чтоби здешевити перевезення палива і не спалювати на електростанціях першокласний вугілля і нафту, що є найціннішим сировиною для промисловості, а використовувати торф, буре вугілля, сланці, штиб (дрібниця, відходи вугілля), теплові електростанції будують там, де паливо видобувається , а вироблену електроенергію передають споживачам по дротах.
Річки - невичерпне джерело енергії для електростанцій. Вони течуть з височин в низини і, отже, здатні здійснювати механічну роботу. На гірських річках споруджують гідроелектростанції, використовуючи природний натиск води. На рівнинних річках напір створюється штучно за допомогою гребель (рис. 1,6).
Першою гідроелектростанцією (ГЕС) в нашій країні була Волховська потужністю 58 тис. КВт. Потужність Красноярської ГЕС досягла 6 млн. КВт.
У багатих сировиною, густонаселених і віддалених від джерел енергії районах будують атомні електростанції (рис. 1, в). Вони працюють на паливних елементах, що містять так зване ядерне пальне; сірникову коробку його замінює залізничний склад вугілля. І тут перевозити пальне, яке вертоліт може доставляти на електростанцію, розташовану в будь-якому районі, паливо, наприклад вугілля, по естакаді надходить в бункер, а звідти в пилоприготувальних пристрій.
Мал. 1. Електростанції. а - теплова електростанція
Вугільний пил спалюється в топці парового котла. Пар високого тиску, обертає парову турбіну, що приводить в рух ротор електричного генератора - гідроелектростанція вода по напірним водоводах надходить в гідравлічну турбіну, а потім йде в русло реви. Турбіна надає руху ротор електричного генератора - атомна електростанція: в ядерному реакторі атомна енергія перетворюється в теплоту, яка нагріває воду, яка циркулює в трубах під високим тиском. Гаряча вода надходить на теплообмінник - парогенератор, де віддає тепло іншій воді, звертаючи її в робочий пар. Пар обертає парову турбіну, з'єднану з електричним генератором.
Перша в світі атомна електростанція була споруджена в СРСР в 1954 р що стало початком розвитку принципово нового напрямку в енергетиці.
В даний час атомна енергетика швидко розвивається.
Яка електростанція живить нашу квартиру?
Як не дивно, але відповісти на цей природний і простий питання неможливо. Справа в тому, що електростанції працюють на загальну мережу, пов'язані лініями електропередачі, утворюючи енергетичні системи (Мосенерго, Лененерго і т. П.), Які спільно живлять споживачів. В СРСР створено великі об'єднані енергосистеми.
Мережі ЕЕЕС переступили за Урал, в Казахстан і в Сибір. Об'єднання енергетичних систем, пов'язаних єдиним режимом, характеризує сучасний стан Єдиної енергетичної системи всієї країни (ЄЕС).
Для чого створюються і об'єднуються енергосистеми. Об'єднання електростанцій в енергосистеми і енергосистем між собою здешевлює електроенергію і забезпечує безперебійність електропостачання споживачів. Це пояснюється тим, що вироблення електроенергії, її передача споживачам і витрачання відбуваються одноврьмгнно так як вироблену енергію не можна запасти на складах. Значить, електростанції повинні мати достатній резерв потужності, щоб в будь-який час задовольнити попит споживачів. А цей попит різко змінюється не тільки протягом доби, а й в різні пори року.
Взимку, наприклад, темніє раніше, ніж влітку. Тому лампи включають раніше і горять вони довше. У сільському господарстві електроенергія в великих кількостях потрібна саме влітку, коли виробляються польові роботи і зрошення, а в містах в цей час витрата електроенергії знижується. Нарешті, на сході світлішає і темніє раніше, ніж на заході, отже, максимальні навантаження східних і західних електростанцій не збігаються При спільній роботі електростанцій вони допомагають одна одній, завантажуються більш рівномірно і їх коефіцієнт корисної дії вище.
На електростанціях, що працюють ізольовано від енергосистеми, не можна застосовувати агрегати дуже великої потужності, так як вихід одного з них з ладу відразу ж паралізує роботу багатьох підприємств, позбавляє цілі райони світла, загрожує зупинкою трамваю, водогону і т. П. В енергосистемах немає причин відмовлятися від агрегатів великої потужності, так як навантаження вийшов агрегату негайно підхоплюють інші, що залишилися в роботі. Вони перевантажуються незначно і, крім того, набагато економічніше. Економічність великих агрегатів привела до різкого збільшення потужності в кожній одиниці. Так, в початковий період виконання плану ГОЕЛРО встановлювалися турбоагрегати по 10 16 тис. КВт. В даний час широко застосовуються енергоблоки (котел-турбіна - генератор) потужністю 300 тис. КВт, експлуатуються енергоблоки потужністю 500 і 800 тис. КВт. Виготовляється обладнання для блоку 1200 тис. КВт.
Значно зросла потужність гідроагрегатів, досягнувши 500 тис. КВт в одиниці на Красноярської ГЕС.
Якими шляхами електроенергія надходить до споживачів. На шляху від електростанції до споживачів електроенергія зазнає змін: вона трансформується з одного напруги на інше. Приклад трансформації для невеликої ділянки енергосистеми показаний на рис. 2, а.
Спочатку напруга, наприклад 10 500 вольт (В), що отримується від генератора, підвищується трансформатором і при напрузі 110 000 В йде передача по лінії на відстань 100-150 кілометрів (км). Потім на районній підстанції напруга знижується до 10 500 В і по підземному кабелю надходить на трансформаторну підстанцію, що знаходиться в декількох сотнях метрів від споживачів. На цій підстанції трансформатор знижує напругу до такої величини, щоб в квартирах було 127 або 220 В (про це докладніше див. Нижче).
Кожному напрузі відповідають певні способи виконання електропроводки. Це пояснюється тим, що чим напруга вище, тим ізолювати дроти важче. Наприклад, в квартирах, де напруга не вище 220 В, проводку виконують шнуром або проводами в гумовою або пластмасовою ізоляції. Ці дроти прості по пристрою і дешеві. Незрівнянно дорожче і складніше влаштований кабель (рис. 2, в), прокладений між трансформаторами (рис. 2, а).
На рис. 2, б зліва направо зображені опори для повітряних ліній електропередачі напругою 500 000, 220 000, 110 000, 35 000 і 10 000 В. Вони дані в одному масштабі. Зауважте, як збільшуються розміри і ускладнюються конструкції з ростом робочої напруги! Опора ЛЕП напругою 500 кіловольт (кВ) має висоту семиповерхового будинку. Висота підвісу проводів 27 метрів (м), відстань між проводами 10,5 м, довжина гірлянди ізоляторів більше 5 м. Висота опор для переходів через річки сягає 70 м. Але 500 кВ - це не межа. Вже працюють лінії електропередачі змінного струму напругою 750 кВ, споруджуються лінії змінного струму напругою 1150 кВ і постійного струму 1500 кв.
Мал. 2. Передача електроенергії. а - приклад трансформації: 1 - генератор; 2 - підвищувальний трансформатор; 3 - лінія електропередачі; 4 - районна підстанція; 5 - підземний кабель; 6 - понижуючий трансформатор; б - опори повітряних ліній різних напруг; в - кабель: струмопровідні жили; 7 - мають ізоляцію; 8 - і, крім того, додатково ізольовані паперовою стрічкою; 9 - від водонепроникної оболонки; 10 - Броня; 11 - зі сталевих стрічок і джутовий покрив; 12 - оберігають кабель від механічних пошкоджень
Складно і дорого обладнання високовольтних підстанцій.
Навіщо застосовує високу напругу?
Вирішити питання про те, скільки разів і як потрібно трансформувати, - справа складна, воно вимагає спеціальних знань. Але суть справи легко зрозуміти на підставі простого прикладу.
Припустимо, що з електростанції в місто потрібно передавати по одній лінії 30 ТОВ кВт. Через те що дроти лінії мають електричний опір, струм їх нагріває. А так як це тепло розсіюється і не може бути використано, енергія, що витрачається на нагрівання, являє собою втрати.
Звести втрати до нуля неможливо - проводів без опору не буває. Але обмежити величину втрат, щоб на електростанціях поменше палива спалювалося на «опалення» лугів і полів, за якими проходять лінії електропередачі, необхідно. Тому величина допустимих втрат нормується, т. Е. При розрахунку проводів лінії і виборі її напруги виходять з того, щоб втрати не перевищували певної величини, наприклад 10% корисної потужності, що передається по лінії. У нашому прикладі це 0,1-30 000 = 3000 кВт.
Зробимо тепер так само, як надходять при проектуванні, а саме - намітимо варіанти виконання електропередачі, зробимо обчислення і порівняємо.
1-й варіант. Трансформація не застосовується і передача відбувається при напрузі 220 В.
2-й варіант. На ділянці від електростанції до міста напругу 110 000 В.
Застосовуючи трансформацію, т. Е. Підвищуючи напругу в лінії, а потім знижуючи його поблизу розташування споживачів, користуються іншим способом зниження втрат: зменшують струм в лінії. Цей спосіб дуже ефективний, так як втрати пропорційні квадрату сили струму. Дійсно, при підвищенні напруги вдвічі ток знижується вдвічі, а втрати зменшуються в чотири рази. Якщо напруга підвищити в 100 разів, ток -Зменшити в 100 разів, а втрати в 1002, т. Е. 10 000 разів.
В якості ілюстрації ефективності підвищення напруги вкажемо, що по лінії електропередачі трифазного змінного струму напругою 500 кВ передають 1 000 000 кВт на 1000 км.
Введення в будинок. Отже, на підстанції поблизу нашого будинку або вбудованої в будинок, встановлений трансформатор. Від нього через ввідно-розподільний пристрій в різні приміщення розходиться мережа проводів і кабелів. За ним електроенергія передається електродвигунів вентиляторів, встановленим в котельні для створення дуття в топках опалювальної системи і для вентиляції приміщень; електродвигунів насосів при централізованому теплопостачанні від ТЕЦ і для підйому води на верхні поверхи; для загального освітлення території двору і сходових кліток; для харчування трансляційних вузлів радіо- і телевізійної мережі; нарешті, по кожній сходовій клітці проходить так званий стояк - магістральні дроти, від яких зроблені відгалуження в.квартіри. З цих проводів і почнеться детальний розгляд пристрою квартирної електромережі та її обслуговування.