Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
36. Передача энергии переменным током
Многолетняя борьба за выбор рода тока закончилась в свое время полной победой переменного тока, причем решающую роль в этой победе сыграла 3-х фазная система.
В настоящее время передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется, за редким исключением, только переменным током.
Уже отмечалось, что вся история электропередачи сопровождалась увеличением передаваемых мощностей, напряжений и протяженностью линий.
На первом этапе преобладающей по важности проблемой было уменьшение потерь в линии, что требовало повышение напряжения.
В течение первого десятилетия XX века на первый план выдвинулась проблема изоляции линий. Применявшиеся штаревые изоляторы не позволяли поднять напряжение выше 60 - 70 кВ. Это ограничивало пропускную способность линий: для увеличения мощности передачи приходилось сооружать несколько параллельных цепей, что было весьма дорого. Только изобретение в конце 1906 г. подвесных изоляторов (Хьюлетт, США) позволило увеличить применявшееся напряжение.
В 1908 - 1912 гг. в Америке и Германии были построены первые линии 110 кВ, а следующее десятилетие дало увеличение напряжения еще в два раза (1920 Г.-165 кВ, 1922 Г.-220 кВ) [2].
Новое затруднение на пути роста напряжения возникло в связи с увеличением потерь на корону. Многочисленные теоретические исследования, проводившиеся в 1910 - 1914 годах (В.Ф. Миткевич в России, Пик в Америке, Г. Капп в Англии и другие) показали, что уменьшение потерь на корону (повысить критическое коронное напряжение) можно путем увеличения действительного или "электрического" диаметра провода. Первое направление привело к применению алюминиевых, сталеалюминиевых и полых проводов большого диаметра. Второе направление (В.Ф. Миткевич) расширило указанные возможности при-менения расщепленных проводов, когда каждая фаза линии состоит, например, из трех проводов. При этом увеличивается "электрический" диаметр провода и к тому же снижается индуктивность проводов. Последнее обстоятельство оказалось очень важным в дальнейшем развитии техники электропередачи.
Первая линия 220 кВ с расщеплением фазы на 2 провода была построена в 1956 г. на Урале, а затем с расщеплением на 3 провода стали строить все линии 400 и 500 кВ.
Следующим этапом борьбы за освоение высоких напряжений явилась разработка методов компенсации индуктивного падения напряжения в линии. При напряжении больше 110 кВ и дальности больше 150-200 км индуктивное падение напряжения принимает такие размеры, что становится невозможным поддерживать постоянным напряжение в конце линий. Эта проблема была решена путем применения статических конденсаторов и синхронных компенсаторов. Впервые синхронный компенсатор был использован по предложению Доливо-Добровольского еще в 1892 г. на линии Бюлах-Эрликон (Швейцария) [1].
Наконец, одной из наиболее серьезных проблем в развитии электропередачи явилась возникшая в 20-х гг. проблема устойчивости параллельной работы электростанций.
Известно, что при нарушении статической (при малых нарушениях режима работы) или динамической (при резких и глубоких нарушениях) устойчивости синхронные генераторы на станциях выпадают из синхронизма и происходит распад энергетической системы.
Если при протяженности линий 200 - 300 км нет опасений за нарушение статической устойчивости и удается обеспечить динамическую устойчивость при быстром (0,1 сек. и меньше) отключении аварийного участка, то при дальности передачи 500 - 1000 км наиболее сложной задачей является обеспечение статической устойчивости.
Основополагающие работы по анализу этой проблемы выполнили в 30-е годы А.А. Горев, П.С. Жданов и другие в СССР; Парк, Робертсон и другие в США. В результате удалось найти ряд методов повышения устойчивости (регулирование турбин, аварийная разгрузка системы по частоте, фазировка возбуждения, внедрение быстродействующих защит, компенсация параметров линии и др.).
39.ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ КАК ТОВАР
Качество электроэнергии- объединение свойств электрической энергии, которые определяют ее потребительские качества.
Сегодня электроэнергия это самый важный ресурс. Ею пользуются в разных областях деятельности человека, заменить ее использование другим каким-либо источником просто невозможно. Электроэнергия производится, покупается и продается, а точнее это некий товар и как любому товару, к его качеству предъявляют особые требования.
Правда, нужно понимать под электроэнергией нечто другое, ведь это товар абсолютно другого рода. Его свойства изменяются во времени, этот товар, если вдруг к нему возникнут претензии нельзя будет обменять у продавца на подобный товар, но лучшего качества, как обычно мы это делаем с большинством товаров. Еще одна особенность электроэнергии это то, что ее свойства касаются не только поставщика, но многого другого, начиная с самого потребителя. Рассмотрим пример, тот, кто поставляет электроэнергию может поддерживать напряжение и частоту электрического тока в месте подключения потребителя в пределах возможного, правда фазу и силу тока, которая потребляется из сети, абсолютно полностью определяет потребитель.
Важные особенности экономики энергосистем, основанные на специфике электроэнергии которые нужно учитывать при организации рынка электроэнергии это:
- Производство, доставка и потребление электроэнергии происходит одно-временно и она не складируется в больших количествах.
- Еще электроэнергия стандартизированный про¬дукт, поставляемый многими производителями в общие электрические сети. Поэтому кто произвел электроэнергию определить просто невозможно.
– Электроэнергия это товар первой необходимости. Из-за этого потребители очень сильно реагируют к перерывам в электроснабжении, а энергосистема должна быть надежной.
Или по-другому, спрос не всегда равен потреблению на рынке электроэнер¬гии.
Запросы к свойствам электроэнергии прописаны в нормативных документах – или по-другому, в стандартах, технических условиях, договорах между потребителем и поставщиком. На сегодняшний день в России такие требования установлены в ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Контакт между техническими средствами электромагнитный. Норма качества электрической энергии в системе электроснабжения общего назначения». В стандарте прописаны показатели, соответствующие контролю, а также их максимально допустимые значения.
40. Усовершенствование конструкции линий электропередачи
В конце XIX века при сооружении первых промышленных систем передачи электрической энергии на значительные расстояния было разработано и усовершенствовано огромное количество новых технических решений. В частности, в процессе эксплуатации электропередачи Лауфен – Франкфурт-на-Майне был получен бесценный опыт организации передачи электрического тока с использованием воздушной линии, выполненной неизолированными проводами на деревянных опорах.
Первые воздушные линии электропередачи, предназначенные для уличного и квартирного электрического освещения, проходили по крышам домов и состояли из металлической проволоки, прикрепленной к деревянным шестам. Однако вскоре было обнаружено, что при дожде мокрые шесты давали току возможность уходить из проволоки, и чем длиннее была линия, тем больше побочных путей находил себе ток и тем слабее становилась та его часть, которая достигала конца линии. Это вызвало необходимость изолировать проволоку от шестов в местах крепления. Первые промышленные изоляторыКларка (рис. 11.10) появились в 40-х годах XIX века и использовались при прокладке городских телеграфных и телефонных сетей.
С увеличением протяженности воздушных телефонных и телеграфных линий возрастали и требования к диэлектрическим свойствам изоляторов. Конструкция первого колоколообразного изолятора (рис. 11.11) была предложена Сименсом в 1848 г. Такой изолятор изготавливался из фарфора, обожженной глины либо стекла и с начала 50-х годов XIX века широко использовался в Европе и Америке. В 1856 г. Кларк получил привилегию на усовершенствованный изолятор Сименса. Внутренняя поверхность изолятора имела более сложный «двухюбочный» профиль (рис. 11.12), в котором обмен воздуха был затруднен, что препятствовало проникновению влаги и пыли. Такие изоляторы во второй половине XIX века были повсеместно распространены в Европе и стали использоваться при сооружении первых воздушных линий электропередачи.
Провода первых воздушных телеграфных линий изготавливались из обычной железной оцинкованной проволоки, сечение которой определялось как электрическими (сила тока, проходящего по проводу, и сопротивление линии), так и механическими (условия прокладки и длина пролетов между опорами) параметрами. Впоследствии вместо металлический проволоки стали применять также и проволоку из чистой меди, которая проводит ток гораздо лучше железной и, следовательно, может быть меньшего сечения, а, кроме того, не ржавеет. Недостатками медной проволоки были ее значительно меньшая механическая прочность и способность вытягиваться, причем уже в то время она значительно больше, чем железная, соблазняла любителей чужой собственности.
Значительный прогресс в деле сооружения воздушных линий был достигнут с применением алюминиевых проводов. При этом значительно уменьшались вес проводов и нагрузка на опоры линий. По мере снижения стоимости алюминий постепенно вытеснял медь и стал основным материалом при сооружении силовых линий электропередачи.
Самый простой способ изолирования заключался в обматывании проводов слоем хлопчатобумажной, джутовой, шелковой или пеньковой изолирующей нити. Первые обматывающие машины для изолировки проводов (рис. 11.15) были разработаны в Берлине на фирме Штейна. Впоследствии изоляционную оплетку стали выполнять не из ниток, а из плоских лент, а, кроме того, для улучшения изоляционных свойств при применении повышенных напряжений стали использовать ленточную намотку в несколько слоев. Общий вид машины для двойной ленточной оплетки приведен на рис.11.16.
Первое время основными материалами для пропитки изоляционных нитей и лент являлись пчелиный воск и озокерит. Очень качественная изоляция получалась при использовании гуттаперчи – сгущенного сока деревьев, растущих в Сингапуре и на острове Борнео. Не менее качественная изоляция проводов выполнялась из каучука, однако в отличие от гуттаперчи каучук перед использованием в качестве изоляции подвергался вулканизации, то есть смешению с серой при одновременном подогревании.
Для изготовления первых силовых кабелей, используемых в городских системах распределения электрической энергии, вырабатываемой центральными электрическими станциями, швейцарскими электротехниками был разработан способ покрытия проводов и силовых кабелей свинцовой изоляцией аналогично покрытию их гуттаперчей, т.е. путем прессования. Такой способ давал не только полное прилегание свинцовой оболочки к проводу, но и устранял необходимость спаивания отдельных частей оболочки.
Необходимость постоянного увеличения требуемой длины линий и передаваемой мощности заставляла инженеров-электротехников искать новые пути преодоления недостатков, свойственных системе передачи энергии постоянным током. Синхронные генераторы и асинхронные электродвигатели переменного тока были значительно более экономичными и надежными аппаратами, чем динамо-машины постоянного тока.
41.Трехфазная линия
Организаторы Франкфуртской выставки по инициативе видного немецкого электротехника О. фон Миллера предложили фирме АЭГ, в которой в то время работал Доливо-Добровольский, передать посредством электричества энергию водопада на р. Неккар (близ местечка Лауфен) на территорию выставки во Франкфурт. Расстояние между этими двумя пунктами составляло 170 км. В Лауфене в распоряжение строителей передачи выделялась турбина, дававшая полезную мощность около 300 л.с.
До этого времени дальность электропередачи, не считая нескольких опытных установок, не превышала 15 км, и некоторые компетентные специалисты полагали, что кпд установки может оказаться ниже 50 %
Правление фирмы АЭГ согласилось осуществить электропередачу, и Доливо-Добровольскому предстояло в течение года (!) спроектировать и построить асинхронный двигатель мощностью около 75 кВт и трехфазные трансформаторы мощностью 100 - 150 кВА.
Что же представляла собой эта первая трехфазная линия?
На гидроэлектростанции в Лауфене энергия, развиваемая турбиной, передавалась через коническую зубчатую передачу на вал трехфазного генератора 230 кВ, 150 об/мин, соединение обмоток в звезду. От генератора медные шины вели к распределительному щиту. На последнем были установлены амперметры и вольтметры, свинцовые предохранители и максимально-минимальные токовые реле, воздействовавшие на цепь возбуждения.
В Лауфене и Франкфурте находилось по три трехфазных трансформатора с магнитопроводом призматической формы. В начале испытаний на каждом конце линии было включено по одному трансформатору мощностью 150 кВА каждый, с коэффициентами трансформации 154 в Лауфене и 116 во Франкфурте. Поскольку приборов для измерения высокого напряжения не было, вторичное напряжение определяли простым умножением первичного на коэффициент трансформации. Трансформаторы были погружены в баки, наполненные маслом.
Трехпроводная линия была выполнена на деревянных опорах со средним пролетом около 60 м. Медный провод диаметром 4 мм крепился на штыревых фарфорово-масляных изоляторах. Интересной деталью линии являлась установка плавких предохранителей со стороны высокого напряжения. В начале линии в разрыв каждого провода был включен участок длиной 2,5 м, состоявший из двух медных проволок диаметром 0,5 мм каждая. Для отключения линии во Франкфурте посредством простого приспособления устраивалось трехфазное короткое замыкание, плавкие вставки перегорали, турбина начинала развивать большую скорость, и машинист, заметив это, останавливал ее.
На выставочной площадке во Франкфурте был установлен понижающий трансформатор, от которого при напряжении 65 В питались 1000 ламп накаливания, расположенных на огромном щите. Здесь же был установлен трехфазный асинхронный двигатель Доливо-Доброгидравлический насос мощностью окаю 100 л.с. Двигатель был выполнен обращенным, то есть с питанием со стороны ротора.
Одновременно с этим мощным двигателем Доливо-Добровольский экспонировал асинхронный трехфазный двигатель мощность около 100 Вт, с вентилятором на его валу и двигатель мощностью 1,5 кВт с сидящим на его валу генератором постоянного тока, последний питал лампы накаливания.
Перед пуском электропередачи возникли неожиданные затруднения. Дело в том, что линия пересекала территории четырех германских земель, и местные власти очень опасались высокого напряжения. Люди испытывали страх перед деревянными столбами с табличками, на которых был изображен череп. Знающих людей смущало то, что оборудование на электростанции было заземлено, как заземлена была и нейтраль трансформатора. В связи с этим очень опасались обрыва провода и падения его на землю.
Выставочный комитет провел огромную разъяснительную работу, убеждая местных правительственных чиновников в том, что все опасности предусмотрены и линия надежно защищена. Доливо-Добровольскому пришлось провести опасный, но убедительный эксперимент. На границе двух земель собрались представители местных властей. Включили линию под напряжение и на глазах у присутствующих искусственным путем оборвали провод, который с яркой вспышкой упал на рельсы железной дороги. Доливо-Добровольский сейчас же подошел и поднял провод голыми руками — настолько он был уверен, что спроектированная им защита сработает надежно.
25 августа 1891 г. официальный пуск линии состоялся. Несмотря на то, что линия, машины, трансформаторы, распределительные щиты изготовлялись в спешке, что некоторые детали но свидетельству Доливо-Добровольского придумывались в течение часа, вся установка, включенная без предварительных испытаний, сразу же стала работать вполне хорошо. Доливо-Добровольский, ставший знаменитым изобретателем, рассказывал, что среди непосвященной публики существовало мнение, будто в этом выставочном водопаде журчит «настоящая вода из Неккара», переданная во Франкфурт по проводам.
Испытания электропередачи, которые проводились Международной комиссией, дали следующие результаты: минимальный кпд электропередачи (отношение мощности на вторичных зажимах трансформатора во Франкфурте к мощности на валу турбины в Лауфене) — 68,5 %, максимальный кпд — 75,2 %; линейное напряжение при испытаниях составляло около 15 кВ.