🗊Презентация Основы электроэнергетики: история развития, понятия, определения

Основы электроэнергетики: история развития, понятия, определения

Вопросы темы Электричество и его проявления Основные понятия электротехники (переменный и постоянный ток, напряжение, индукция, емкость, активная и реактивная мощность, сопротивление, изоляция) Потребители электроэнергии (источники света, электропривод, электротехнологии) Источники электроэнергии (гальванические элементы, генераторы постоянного и переменного тока) Средства передачи электроэнергии (провода и кабели) Электрические сети (линии электропередачи, подстанции) Электроэнергетические системы (определения, первые энергосистемы промышленного типа, план ГоэлРО, ЕЭС России, электроэнергетическая система и рынки электроэнергии, мощности мощности).

Энергия. Общие представления об электричестве и электрической энергии. Все живые существа на Земле потребляют энергию для своего существования и деятельности. Точно так же обстоит дело со всеми действующими техническими устройствами и системами Энергия в понимании обычного человека проявляется как ТЕПЛО (выделение и поглощение энергии в химических реакциях, например, при сжигании топлива), ХОЛОД (в холодильных термодинамических циклах), МЕХАНИЧЕСКАЯ энергия (пружина, движущееся тело, падающая вода), ЯДЕРНАЯ энергия, ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Действия электрического тока – тепловое, химическое, электромагнитное.Тепловое действие Мы не можем видеть , что происходит в металлическом проводнике, в растворе электролита, в газе. О наличии электричества мы можем судить лишь по различным явлениям, которые в них возникают. Такие явления называют действиями электрического тока. Некоторые из этих действий легко наблюдать на опыте. Тепловое действие тока можно наблюдать, например, присоединив к полюсам источника тока железную или никелиновую проволоку. Проволока нагревается и, удлинившись поэтому, слегка провисает. Её даже можно раскалить докрасна. В электрических лампах накаливания, например, тонкая вольфрамовая проволочка накаливается током до яркого свечения.

Химическое действие электрического тока Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот (солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ, содержащихся в растворе, которые откладываются на электродах, опущенных в этот раствор. Например , при пропускании тока через раствор медного купороса (CuSO4) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Cu). Этим пользуются для получения чистых металлов Химическое действие электрического тока применяют в гальванопластике (например, при никелировании), в аккумуляторных батареях, при электролизе алюминия и пр.

Электромагнитное действие электрического тока Электромагнитное действие тока также можно наблюдать на опыте. Для этого медный провод, покрытый изоляционным материалом, нужно намотать на железный гвоздь, а концы провода соединить с источником тока. Когда цепь замкнута, гвоздь становится магнитом (намагничивается) и притягивает небольшие железные предметы: гвоздики, железные стружки, опилки. С исчезновением тока в обмотке (при размыкании цепи) гвоздь размагничивается. Рассмотрим теперь взаимодействие между проводником с током и магнитом. На рисунке изображена висящая на нитях небольшая рамочка, на которую навито несколько витков тонкой медной проволоки. Концы обмотки присоединены к полюсам источника тока. Следовательно, в обмотке существует эл. ток, но рамка висит неподвижно. Если эту рамку поместить теперь между полюсами магнита, то она станет поворачиваться. Явление взаимодействия катушки с током и магнита используют в устройстве приборов, измеряющих электрические величины. Стрелка прибора связана с подвижной катушкой, находящейся в магнитном поле. Когда в катушке существует электрический ток, стрелка отклоняется. Таким образом можно судить о наличии тока в цепи. Следует заметить, что из всех рассмотренных нами действий электрического тока магнитное действие наблюдается всегда, какой бы проводник ни был: твёрдый, жидкий или газообразный.

Электрические и магнитные явления. Их единство. Электромагнетизм «Тот факт, что у некоторых тел после их натирания появляется способность притягивать другие тела, был известен ещё в древности. В наше время обнаружено множество других разнообразных явлений и установлено, что они связаны с этими явлениями притяжения. Все они были отнесены к классу Электрических явлений, названных по имени янтаря - ἤλεκτρον (электрон) – вещества, для которого впервые было дано их описание. Давно известно также, что феномен действия на расстоянии проявляют и другие тела, в частности, магнитный железняк или куски железа и стали, подвергнутые определенной обработке. Оказалось, что эти явления вместе с другими им родственными явлениями отличаются от электрических; они были отнесены к классу явлений Магнитных, поскольку в фессальской магнезии был обнаружен магнитный железняк - μαγνης (магнес). В дальнейшем было установлено, что явления этих двух классов связаны между собой, и эти связи между различными явлениями обоих классов, насколько их удалось выявить, составили содержание учения об электромагнетизме». Джеймс Кларк Максвелл. Трактат об электричестве и магнетизме

Электричество. Заряды Первое представление об электричестве человек получает при расчесывании волос (разделение положительных и отрицательных зарядов и разряды, проявляющиеся в потрескиваниях и слабом свечении в темноте) Наиболее яркое и привычное восприятие проявления электричества у большинства людей связано с природными явлениями – молниями. Накопление статического электричества в грозовых облаках при взаимодействии мощных разнонаправленных воздушных потоков вызывает разряды длиной в несколько сотен и тысяч метров напряжением в миллионы вольт с токами в сотни тысяч и миллионы ампер.

Источники зарядов: атомы. Свободные заряды

Электрические заряды в электролите

Магниты. Постоянные магниты

Электромагниты

Постоянный электрический ток. Представляет собой один из параметров модели электромагнитных явлений Постоянный ток трактуется как движение зарядов или заряженных частиц (электронов, ионов). Постоянный ток называется так потому, что заряженные частицы движутся (говорят – ток течёт) всегда в одном направлении, от одного полюса источника энергии (от одного заряда) к другому. Постоянный ток стал предметом первоначального внимания ученых и инженеров: создание источников электрической энергии (гальванических элементов – батарей), исследование влияния тока на живые организмы, использование тока для нанесения покрытий на металлы, освещение.

Постоянный электрический ток: проявление и параметры

Напряжение

Основной закон электротехники – закон Ома - связывает ток и напряжение Для любого участка электрической цепи постоянного тока справедливо соотношение - закон Ома (немецкий физик Георг Ом, 1827 г) I = U / R, где I – ток, R – электрическое сопротивление участка, U = U1-U2 – падение напряжения (или разность электрических потенциалов) на участке. Мощность Р, выделяющаяся на участке электрической цепи, где протекает ток I, а падение напряжения равно U, составляет Р = U × I, или, что то же самое, P = U2 / R

Переменный электрический ток. Закон электромагнитной индукции – Закон Фарадея Опытным путем установлено, что перемещение (вращение) петли проводника относительно постоянного магнитного поля вызывает появление на его концах электрического напряжения (английский физик Майкл Фарадей, 1831 г., закон электромагнитной индукции). Чем быстрее перемещается проводник (скорость изменения магнитного потока - ddt), чем больше витков () в петле, тем выше напряжение, точнее, электродвижущая сила ЭДС (E). Математическое выражение, описывающее закон электромагнитной индукции или закон Фарадея: E = -*ddt Электродвижущая сила, э.д.с. - E) на концах петли, вращающейся в таком поле с постоянной скоростью, меняется по синусоидальному закону. Такое напряжение называется переменным. Ток, вызванный переменным напряжением, называется переменным током, поскольку все время меняет величину и направление своего движения в замкнутой цепи.

Сопротивления в цепях постоянного и переменного токов. Активное сопротивление Когда ток течет по проводу, он встречает сопротивление. Это заставляет проводник нагреваться. Если электрическое устройство используется как нагреватель, то оно содержит проводники с высоким сопротивлением – к примеру, тонкую никелевую или хромовую проволоку Сопротивление или «активное сопротивление» в цепи переменного тока – это один из важнейших параметров модели электромагнитных явлений Изменение тока в активном сопротивлении в точности повторяет изменение напряжение переменного тока, не смещаясь относительно него На активном сопротивлении в цепи переменного тока выделяется ровно столько же тепла, что и в цепи постоянного тока (при том же значении падения напряжения на этом сопротивлении)

Зависимость сопротивления от геометрии проводника, его строения и температуры

Сопротивления в цепях постоянного и переменного токов. Индуктивное сопротивление Все материальные предметы, а также искусственно созданные специальные устройства (такие как обмотки трансформаторов) обладают индуктивностью (это обобщающая характеристика магнитных свойств). В идеальной индуктивности переменный ток «отстает» от напряжения во времени ровно на четверть периода или на 90° ПРИМЕР: трансформатор. К первой обмотке (где витков в обмотке w1) подходит переменный ток напряжением U1 и создает переменное магнитное поле в сердечнике, а напряжение U2, наведенное этим полем, снимается со второй обмотки с числом витков w2. В упрощенном расчете можно полагать, что напряжение U2 будет равно U2 = U1 * ( w2 / w1 )

Сопротивления в цепях постоянного и переменного токов. Емкостное сопротивление Электрическая ёмкость, характеристика проводника, количественная мера его способности удерживать электрический заряд Все материальные тела и искусственно созданные технические устройства, например, линии электропередач, обладают электрической емкостью (способность предмета накапливать электрический заряд), и переменный ток в идеальной емкости «опережает» напряжение во времени ровно на четверть периода или на те же 90 Математически электрическая емкость С представляет собой коэффициент пропорциональности между электрическим зарядом проводника и его электрическим потенциалом: q=CU. Отсюда при U=1,С=q

Проводники и изоляторы Проводник - это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов (электронов или ионов), способных перемещаться под действием электрического поля. В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля. Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных - хорошие проводники электрических зарядов. Изолятор или диэлектрик - тело не содержащее внутри свободных электрических зарядов. В «идеальных» изоляторах электрический ток (ток проводимости) невозможен. К диэлектрикам можно отнести - стекло, пластик, резину, картон, воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами. Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная, вода. (любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)

Мощность в цепях переменного тока

Активная, реактивная и полная (кажущаяся) мощность. Пояснения Активной мощности соответствует наблюдаемая механическая работа или тепло, электрохимические явления. Активная мощность переменного тока – среднее за период значение мгновенной мощности. Материального аналога реактивной мощности нет, потому будем считать реактивную мощность удобным математическим понятием, которое вполне реально используется профессионалами при обсуждении, например, распределения напряжения между узлами сети. Полная (кажущаяся) мощность является векторной суммой активной и реактивной мощностей в выбранной системе координат и также не имеет материального аналога. Она определяет ток в сетевом элементе Профессиональными выражениями являются также «потоки активной и реактивной мощности по линиям электропередач», или «выработка активной и реактивной мощности».

Реактивная мощность: понятие и суть

Повышение коэффициента мощности в сети (cos φ) – эффективное мероприятие по энергосбережению Для управления реактивной мощностью в электрических сетях применяют специальные устройства, конденсаторы и реакторы. Конденсатор – устройство, при протекании тока по которому, создается электрическое поле, и его называют источником реактивной мощности. В реакторе – создается магнитное поле, то есть он является потребителем реактивной мощности. Большинство современных потребителей электрической энергии имеют индуктивный характер нагрузки, токи которой отстают по фазе от напряжения источника. Так для асинхронных двигателей, трансформаторов, сварочных аппаратов и других реактивная мощность (связанная с реактивным током) необходима для создания вращающегося магнитного поля у электрических машин и переменного магнитного потока трансформаторов. Снижение коэффициента мощности приводит к увеличению тока. cos φ особенно сильно снижается при работе двигателей и трансформаторов вхолостую или при большой недогрузке. Если в сети есть реактивный ток мощность генератора, трансформаторных подстанции и сетей используется не полностью. С уменьшением cos φ значительно возрастают потери энергии на нагрев проводов, обмоток трансформаторов и катушек электрических аппаратов. Таким образом, чем выше cos φ потребителя, тем меньше потери мощности в линии и дешевле передача электроэнергии. Для повышения коэффициента мощности (cosφ) электрических установок применяют компенсацию реактивной мощности. Увеличения коэффициента мощности (уменьшения угла φ - сдвига фаз тока и напряжения) можно добиться следующими способами: 1) заменой мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности, 2) понижением напряжения 3) выключением двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу, 4) включением в сеть специальных компенсирующих устройств, являющихся генераторами опережающего (емкостного) тока, например КОНДЕНСАТОРОВ

Энергия

Основные размерности электрических величин:

Электротехнологии

Электроснабжение потребителей. Технологический аспект Передача энергии в направлении потребителей происходит по линиям электропередач. Единичная длина таких линий может достигать нескольких сотен километров. В центрах потребления энергия вновь преобразуется каскадом трансформаторов до уровня, удобного потребителю, вплоть до 220В. Для надежности к центрам потребления подводят энергию из нескольких источников, собирая линии на подстанциях, где и осуществляется включение и отключение линий и преобразование напряжения.

Гальванические элементы

Генератор постоянного тока

Генераторы переменного тока Вращающийся проводник в магнитном поле – самый простой генератор переменного электрического тока. Если же несколько таких проводников-петель скрепить механически между собой со смещением в пространстве, то получим несколько элементарных генераторов переменного тока (фаз), напряжения на выводах которых меняются по синусоидальному закону, и сдвинуты относительно друг друга во времени. Такое устройство, совмещающее в себе несколько простых генераторов, является многофазным (обычно – трехфазным) генератором переменного тока. В промышленных генераторах в качестве источника магнитного поля используются не постоянные магниты. Магнитное поле создается за счет постоянного тока, протекающего в проводниках обмотки возбуждения, расположенной на вращающемся роторе генератора. Фазные обмотки закрепляют на неподвижной части генератора – статоре. На схемах и в натуре трем фазам соответствуют буквы A, B, C, и цвета – желтый, зеленый, красный соответственно (4).

Электрические станции На классических тепловых электростанциях топливо (уголь, газ, мазут, торф) сжигается в котлах, отдавая тепло горения водяному пару, который под большим давлением и при высокой температуре поступает в паровые турбины, вращение которых в свою очередь передает механическую энергию генераторам, вырабатывающим электрический ток. В современных парогазовых установках (ПГУ) топливо (газ) также сжигается, вращая газотурбинную установку (ГТУ), после чего в котле за счет высокой остаточной температуры уходящие газы превращают воду в пар, который вращает турбину, на валу которой есть генератор, вырабатывающий ток. Атомные станции (АЭС)принципиально очень похожи на классические тепловые, только источником тепла здесь является ядерное топливо. Гидроэлектростанции (ГЭС) используют энергию падающей природной воды, запасенной в гигантских водохранилищах. Здесь нет горения, и ступеней преобразования намного меньше, но расходование драгоценной воды не может быть подчинено исключительно цели выработки электроэнергии.

Элементы электрических сетей Любой физически существующий элемент в электрической сети постоянного и переменного тока (линия электропередачи, трансформатор и т.д.)может быть логически смоделирован с помощью всего лишь трёх принципиально различающихся составляющих, а именно: активного сопротивления (R), индуктивности (L) и электрической емкости (С) Это дает возможность создать математическую модель любой электрической системы или ее части для решения определенной задачи Расчеты на основе математической модели базируются на классических законах электротехники, и производятся с использованием специализированных программ, использующих достаточно сложные математические методы.

Провода и кабели

Определения Единая энергетическая система России (ЕЭС России)- совокупность производственных и иных имущественных объектов электроэнергетики, связанных единым процессом производства (в том числе производства в режиме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии) и передачи электрической энергии в условиях централизованного оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике (ФЗ «Об электроэнергетике») Объекты электроэнергетики - имущественные объекты, непосредственно используемые в процессе производства, передачи электрической энергии, оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике и сбыта электрической энергии, в том числе объекты электросетевого хозяйства (ФЗ «Об электроэнергетике») Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии - режим работы теплоэлектростанций, при котором производство электрической энергии непосредственно связано с одновременным производством тепловой энергии (ФЗ «Об электроэнергетике») Электрические сети – «объекты электросетевого хозяйства - линии электропередачи, трансформаторные и иные подстанции, распределительные пункты и иное предназначенное для обеспечения электрических связей и осуществления передачи электрической энергии оборудование» (ФЗ «Об электроэнергетике»)

Первая энергосистема   Принцип параллельной работы электростанций, впервые осуществлен в Пятигорске в 1913 году 26 марта параллельно работали две электростанций — «Тепловая» и «Белый Уголь».

План ГОЭЛРО

Упрощенная схема электроэнергетической системы

Устройство оптового и розничных рынков электроэнергии на основе ЕЭС

Вопросы для самоконтроля

Спасибо за внимание!

Зарождение электричества Само свойство электризации (от греческого названия янтаря — электрон) при трении тела о шерсть было известно ещё древним грекам (его первооткрывателем считают философа Фалеса из Милета, жившего в 640—550 годах до нашей эры), но только после становления физики как экспериментальной науки, заложенной Галилео Галилеем, это явление стало изучаться как средство для исследования и использования свойств физических тел.

Термин ЭЛЕКТРИЧЕСТВО Термин электричество (electricity) введён английским естествоиспытателем, лейб-медиком королевы Елизаветы Тюдор Вильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами.

Первая электростатическая машина

Лейденская банка (конденсатор)

Закон взаимодействия зарядов Закон взаимодействия зарядов был экспериментально изучен в 1785 году Шарлем Кулоном с помощью разработанных им чувствительных крутильных весов — он нашёл, что сила взаимодействия между заряженными телами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, и это поставило науку об электричестве в ранг точных дисциплин, в которых можно применять математические методы.

Луиджи Гальвани

Алессандро Вольта

История создания проводов и кабелей Первые публичные опыты иллюстрирующие принципы проводимости и изоляции электрической энергии продемонстрировал Stephen Gray (1666-1736) приблизительно в 1730 году. В качестве проводника статического электричества использовалась мокрая пеньковая веревка, а в качестве изолятора – шелковая нить. Протяженность такой линии электропередачи составила 800 английских футов (≈243,84 метра).

Павел Львович Шиллинг (1786-1837) Осень 1812 - Шиллинг производит взрыв на Неве подводной мины. В качестве проводника электрического тока использовались медные провода покрытые двумя слоями изоляции: сначала шелковой нитью, а затем, после пропитки шелковой обмотки смолистым составом, второй обмоткой из пеньковой пряжи и вторично пропитывать обмотку смолистым составом. В качестве смолистого состава использовался – озокерит. Из изолированных таким образом проволок сплетался двухпроводный шнур, соединявший батарею Шиллинга (вольтов столб) с запалом.

Открытие явления электромагнитной индукции В ноябре 1831 года Майкл Фарадей сделал доклад в Королевском обществе в котором была изложена сущность явления электромагнитной индукции.

В 1802 году В.В. Петров установил, что при помощи электрической дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может». В 1802 году В.В. Петров установил, что при помощи электрической дуги «темный покой довольно ясно освещен быть может». В 1876 году П.Н. Яблочков создает свою знаменитую свечу. В отличие от ранних дуговых ламп, он располагает угольные стержни не на встречу друг другу, а параллельно. Время горения одной свечи около 2 часов. В это время впервые введено стандартное напряжение 110 В. Связано это было с расширением количества электроприемников – дуговых ламп.

Первые электрические машины В 1834 году Борис Семенович Якоби сконструировал первый электродвигатель. Этот электродвигатель работал по принципу взаимодействия двух комплектов электромагнитов, один из которых располагался на подвижной раме, другой на неподвижной. Источником питания являлась гальваническая батарея.

Увеличение номинальных напряжений В 1882 г. Томас Алва Эдисон и Дж. Гопкинсон совместно разработали трехпроводную систему, в которой два генератора постоянного тока по 110 В соединялись последовательно и от средней точки выводился нейтральный или компенсационный провод. Между ним и основными проводами было напряжение 110 В, а между основными проводами – 220 В. При равенстве нагрузок в нейтральном проводе ток был равен нулю, а при неравенстве ток определялся как разность токов в основных проводах. Это давало возможность иметь нейтральный провод меньшего сечения (до 1/2, 1/3 от сечения основных проводов). Применение такой системы позволило увеличить радиус экономичной передачи энергии до 1200 м. По аналогии с этой системой стали создаваться многопроводные линии с большим числом последовательно соединенных генераторов, вплоть до четырех в пятипроводной линии. Это давало экономию меди проводов и позволяло увеличить радиус до 1500 м. Так исторически сложились величины напряжений 220, 330, 440, 550 В. Некоторые из них применяются редко (330 В), другие нашли узкую область применения. Так, городской трамвай имеет напряжение 550 В.

Сооружение системы переменного тока В 1891 г. на Франкфуртской электротехнической выставке была представлена система передачи энергии на трехфазном токе из Лауфена на реке Некар (приток Майна) во Франкфурт на Майне. Длина линии 170 км, провода воздушные, расстояние между опорами около 60 м. В состав системы входили: водяная турбина мощностью 304 л.с.; трехфазный синхронный генератор 230 кВА, 95 В, соединение обмоток статора в «звезду», частота 30-40 Гц, 150 об/мин; повышающий и понижающий трансформатор; трансформаторы для питания освещения и асинхронный короткозамкнутый двигатель мощностью 100 л.с. с числом полюсов, равным восьми, что соответствовало синхронной скорости 450-600 об/мин. Двигатель приводил во вращение гидронасос. На выставке имитировался водопад на реке Некар, приводивший во вращение турбину. Напряжение в линии передачи вначале было 15 кВ, а затем после установки новых трансформаторов оно было доведено до 28,3 кВ.

Появление первых электростанций в Москве

Появление первых электростанций в Москве 1897 г. – на Раушской набережной построена электростанция переменного тока напряжением 2 кВ мощностью 3,3 МВт; 1902 г. – мощность 6,5 МВт; 1905 – 10,5 МВт; 1917 – 57 МВт. Первые годы электроэнергия распределялась по трехжильным кабелям с джутовой изоляцией (напряжение 2 кВ). 1912 г. – трехжильные КЛ с бумажной поясной изоляцией на напряжение до 20 кВ; Пропускная способность не удовлетворяла потребностям поэтому напряжение подняли сначала с помощью трансформаторов, а затем заменив генераторы, до 6 кВ.