Передача электроэнергии на расстояния

Министерство общего и профессионального образования

ГОУ НПО Свердловской области

Нижнетагильский профессиональный лицей «Металлург»

РЕФЕРАТ

Передача электроэнергии на расстояния

Исполнитель: Бахтер Николай и Борисов Ярослав Руководитель: преподаватель физики Реддих Людмила Владимировна Нижний Тагил 2008 год

Введение

Глава 1. Электрический ток Глава 2. Генерирование электрической энергии

2.1 Генератор переменного тока

2.2 МГД-генератор

2.3 Плазменный генератор — плазмотрон Глава 3. Передача электроэнергии

3.1 Линий электропередачи

3.2 Трансформатор Глава 4. Энергетика для сталевара

4.1 Производство стали в электрических печах

4.2 Характерные приёмники электрической энергии Заключение Список литературы

Электросетевой комплекс Свердловской области, в том числе и Нижнетагильский энергоузел, на пороге больших преобразований. Во избежание энергокризиса на Среднем Урале правительством Свердловской области были разработаны и приняты основные направления развития электроэнергетики на ближайшие десять лет. Речь идёт прежде всего о строительстве новой генерации, то есть электростанций, вырабатывающих электроэнергию, и о дальнейшем развитии электросетевого комплекса — строительстве и реконструкции подстанции, трансформаторных пунктов и линий электропередачи самого разного напряжения. Ещё в прошлом году у нас была свёрстана и утверждена долгосрочная — до 2012 года, инвестиционная программа — с указанием конкретных объектов электроэнергетики, подлежащих реконструкции, и тех, которые необходимо построить.

До 2001 года в тагильском регионе дефицита энергомощности не было. Но затем наши промышленные предприятия после многих лет кризиса пошли, что называется, в гору, активно начал развиваться средний и малый бизнес, и потребление электроэнергии выросло в разы. На сегодня дефицит энергомощностей составляет по Нижнему Тагилу свыше 51 мегаватта. Это… почти две Вагонки. Но сравнение с Вагонкой условное. На самом деле проблемы дефицита энергомощностей на данное время более всего актуально для центральной части Нижнего Тагила. Построенная сорок лет тому назад подстанция «Красный Камень», от которой, собственно, и зависит энергоснабжение центра города, морально и физически давно устарела и работает на пределе своих возможностей. Новым потребителям приходится, к сожалению, отказывать в подключении к энергосети.

Нижнему Тагилу необходима новая подстанция — ПС «Приречная» напряжением 110/35/6 кВ. по предварительной оценке величина капиталовложений в строительство «Приречной» составит около 300 миллионов рублей. В плане инвестиционной программы Свердловэнерго по Нижнему Тагилу также реконструкция подстанции «Союзная», строительство подстанции «Алтайская» на Вагонке и переключательного пункта «Демидовский» в районе Гальянки, который позволит кардинально улучшить систему энергоснабжения города в целом. Главное событие этого года — подстанция «Старатель», в реконструкцию которой Свердловэнерго вложило 60 миллионов рублей. Ещё одно, тоже значимое, событие 2007 года — ввод нового, второго трансформатора на подстанции «Гальянка».

Началом строительства ЛЭП Черноисточинск — Белогорье напряжением 110 кВ и общей протяжённостью почти 18 километров. Этот объект то же входит в инвестпрограмму Свердловэнерго. Ввод в эксплуатацию новой высоковольтной линии электропередачи позволит сделать более надёжным энергоснабжение не только не только горнолыжного комплекса «Гора Белая», но и всей прилегающей территории — посёлков Уралец, Висим, Висимо-Уткинск и других населённых пунктов. Скажу больше: проектом «Белогорье» предусмотрено ещё строительство новой подстанции «Белогорье» в посёлке Уралец и реконструкция всего сетевого комплекса Уральца, а это не менее 20 километров сетей напряжением 0,4−6 кВ.

Целью нашего реферата мы решили поставить вопрос о передаче электроэнергии не только на расстоянии, но и использовании её как необходимого компонента в сталеваренье, так как наша профессия неразлучно связана с этим электросталеплавильным процессом.

Для достижения данной цели мы решили поставить перед собой несколько важнейших задач: 1) изучить дополнительную литературу, связанную с передачей электроэнергии и электрометаллургией; 2) познакомиться с новыми видами генераторов и трансформаторов; 3) рассмотреть электрический ток от его получения до поставки потребителю; 4) рассмотреть физико-механические процессы производства стали в электропечах.

Первоначально люди не умели сталь и для изготовления различных орудий труда применяли материалы самородного происхождения (медь, золото и метеоритное железо). Однако этих способов было недостаточно для нужд человека. Часто люди искали возможность получить металл из руды, встречающейся на поверхности земли.

И вот на рубеже второго и первого тысячелетий до нашей эры зародился первый этап металлургии. Человечество перешло к прямому получению железа из руды путём его восстановления в примитивных горнах. Поскольку в этом процессе применялось «сырое» дутьё (не подогретый воздух), способ получил название сыродутного.

Второй этап производства стали (XIV-XVIII вв.) характеризовался усовершенствованием горнов, ростом объёма сыродутных печей. Появление водяного колеса и применение его для привода кузнечных мехов позволили интенсифицировать дутьё, повысить температуру в горне печи и ускорить протекание химических реакций.

Третьим этапом явилось изготовление более совершенного и производительного способа получения малоуглеродистого железа в тестообразном состоянии — так называемого пудлингового процесса — процесса передела чугуна в железо на поду пламенной отражательной (пудлинговой) печи.

Четвёртый этап (конец XIX и середина XX в.) характеризуется внедрением в производство четырёх способов получения стали — бессемеровского, томасовского, мартеновского, конвертерного и электросталеплавильного, о котором, кстати, мы бы и хотели рассказать в своём реферате, как пример использования электроэнергии подручным сталевара.

Глава 1. Электрический ток

Соединим проводами электрическую лампочку с электрической батарейкой. Провода, нить лампочки образовали замкнутый контур — электрическую цепь. В этой цепи течёт электрический ток, который разогревает до свечения нить лампы. Что же такое электрический ток? Это направленное движение заряженных частиц.

В батарейке происходят химические реакции, в результате которых на выводе, помеченном значком «-» (минус), накапливаются электроны — частицы вещества, имеющие самый маленький заряд. Металл, из которого сделаны провода и нить лампочки, состоит из атомов, образующих кристаллическую решётку. Сквозь эту решётку могут свободно проходить электроны. Поток электронов по проводникам (так называют вещества, пропускающие электрический ток) от одного вывода батарейки к другому — это и есть электрический ток. Чем больше электронов пройдёт через проводник, тем больше сила электрического тока. Измеряют силу тока в амперах (А). Если по проводнику течёт ток силой в 1 А, то через сечение проводника каждую секунду пролетает 6,24*1018 электронов. Такое количество электронов несёт заряд в 1 Кл (кулон).

Электрический ток в цепи, образованной проводами, нитью лампы и батарейкой, можно сравнить с потоком жидкости, двигающейся по трубам водопровода. Соединительные провода — это участки трубы с большим сечением, нить лампочки — тонкая трубка, а батарейка — насос, создающий напор. Чем больше напор, тем больше поток жидкости. Батарейка в электрической цепи создаёт напряжение (напор). Чем больше напряжение, тем больше ток в цепи. Напряжение измеряют в вольтах (В). чтобы пропустить через лампочку карманного фонаря ток, который заставил бы светиться её нить, необходимо напряжение 3−4 В. В квартиры домов электрическая энергия подводится под напряжением 127 или 220 В, а по линиям электропередачи (ЛЭП) ток передаётся под напряжением в сотни киловольт (кВ). Электрическая энергия, которая выделяется в 1 с (мощность), равна произведению силы тока на напряжение. Мощность при силе тока 1 А и напряжении 1 В равна 1 ватту (Вт).

Не все вещества свободно пропускают электрический ток, например, стекло, фарфор, резина почти не пропускают электрического тока. Такие вещества называют изоляторами, или диэлектриками. Резиной изолируют проводники, из стекла и фарфора изготавливают изоляторы для высоковольтных ЛЭП. Однако даже металлы оказывают сопротивление электрическому току. Электроны при движении «расталкивают» атомы, из которых состоит металл, заставляют их быстрее двигаться — нагревают проводник. Нагрев проводников электрическим током впервые исследовали русский учёный Э. Х. Ленц и английский физик Д. Джоуль. Свойство электрического тока нагревать проводники широко используется в технике. Электрический ток накаляет нити электрических ламп и электронагревательных приборов, плавит сталь в электропечах.

В 1820 г. датский физик Г.-Х. Эрстед обнаружил, что вблизи проводника с током отклоняется магнитная стрелка. Так было открыто замечательное свойство электрического тока создавать магнитное поле. Это явление подробно исследовал французский учёный А. Ампер. Он установил, что два параллельных провода, по которым течёт ток в одинаковом направлении, притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, провода отталкиваются. Ампер объяснил это явление взаимодействием магнитных полей, которое создают токи. Эффект взаимодействия проводов с током и магнитных полей используется в электродвигателях, в электрических реле и во многих электроизмерительных приборах.

Ещё одно свойство электрического тока можно обнаружить, если пропустить ток через электролит — раствор соли, кислоты или щёлочи. В электролитах молекулы вещества расщеплены на ионы — частицы молекул с положительными или отрицательными зарядами. Ток в электролите — это движение ионов. Чтобы пропустить ток через электролит, в него опускают две металлические пластины, соединённые с источником тока. Положительные ионы движутся к электроду, соединённому с отрицательным зажимом. Ионы создают на электродах. Этот процесс называют электролизом. С помощью электролиза можно из солей выделять чистые металлы, хромировать и никелировать различные предметы, производить сложнейшую обработку изделий, которую невозможно делать на простых металлорежущих станках, разделять воду на её составные части — водород и кислород.

В ваннах для электролиза, в лампочке, подключённой к батарейке карманного фонаря, ток течёт всё время в одном направлении и сила тока не изменяется. Такой ток называется постоянным током. Однако в технике чаще используется переменный ток, направление и сила которого периодически изменяются. Время полного цикла изменения направления тока называется периодом, а число периодов в 1 с — частотой переменного тока. Промышленный ток, который приводит в движение станки, освещает улицы и квартиры, изменяется с частотой 50 периодов в 1 с. Переменный ток можно легко трансформировать — повышать и понижать его напряжение с помощью трансформаторов.

С изобретением телеграфа и телефона электрический ток применяется для передачи информации. Вначале по проводам предавали длинные и короткие импульсы постоянного тока, соответствующие точкам и тире азбуки Морзе. Такие импульсы тока, или пульсирующий ток, но с более сложной системой кодирования информации применяются в современных электронных вычислительных машинах (ЭВМ) для передачи чисел, команд и слов от одного устройства машины к другому.

Переменный ток тоже можно использовать для передачи информации. Информацию переменным током можно передавать, изменяя определённым образом амплитуду колебаний тока. Такое кодирование информации называется амплитудной модуляцией (АМ). Можно также изменять частоту колебаний переменного тока так, чтобы некоторому изменению частоты соответствовала определённая информация. Такое кодирование называется частотной модуляцией (ЧМ). В радиоприёмниках есть каналы АМ и ЧМ, которые «расшифровывают» — превращают в звук — амплитудно или частотно модулированные колебания радиоволн, принимаемых антенной.

В наше время электрический ток нашёл применение во всех сферах человеческой деятельности. Привод станков и машин, системы автоматического контроля и управления, многочисленные приборы исследовательских лабораторий и бытовые приборы немыслимы без применения электрического тока. Современный телефон и телеграф, радио и телевидение, электронные вычислительные машины от карманных калькуляторов до машин, управляющих полётами космических кораблей, — это все устройства, в основу которых положены сложнейшие цепи электрического тока.

Глава 2. Генерирование электрической энергии

2.1 Генератор переменного тока

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Её можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю (нагревание тел), энергию света и т. д.

Переменный ток имеет то преимущество перед постоянным, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать (трансформировать) почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электрои радиотехнических устройствах. Но особенно большая необходимость в трансформации напряжения и тока возникает при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Электрический ток вырабатывается в генераторах — устройствах, преобразующих энергию того или иного вида в электрическую энергию. К генераторам относятся гальванические элементы, электростатические машины, термобатареи, солнечные батареи и т. п. Исследуются возможности создания принципиально новых типов генераторов. Например, разрабатываются так называемые топливные энергии, в которых энергия, освобождающаяся в результате реакции водорода с кислородом, непосредственно превращается в электрическую. Ведутся успешные работы по созданию магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторы). В МГД-генераторах происходит прямое превращение механической энергии струи раскалённого ионизированного газа (плазмы), движущейся в магнитном поле, в электрическую энергию.

Область применения каждого из перечисленных видов генераторов электроэнергии определяется их характеристиками. Так, электростатические машины создают высокую разность потенциалов, но не способны создать в цепи сколько-нибудь значительную силу тока. Гальванические элементы могут дать большой ток, но продолжительность их действия не велика.

Преобладающую роль в наше время играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую. Их действие основано на явлении электромагнитной индукции. Такие генераторы имеют сравнительно простое устройство и позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В дальнейшем, говоря о генераторах, мы будем иметь в виду именно индукционные электромеханические генераторы.

В настоящее время имеется много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (в рассмотренной модели генератора это вращающаяся рамка). Так как ЭДС, наводимые в последовательно соединённых витках, складываются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока Фm = BS через каждый виток.

Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, — в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором (или якорем). Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором (или индуктором). Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим обеспечивают наибольшее значение потока магнитной индукции.

Так как стальные сердечники являются проводниками, то при работе генератора в них индуцируются паразитные вихревые потоки. Эти токи бесполезно нагревают сердечники. Соответствующие потери энергии ведут к уменьшению КПД генератора. Для ослабления вихревых токов и уменьшения потерь энергии сердечники генераторов набирают из отдельных тонких изолированных друг от друга стальных пластин.

В изображённой на рисунке 19 модели генератора вращается проволочная рамка, которая является ротором (правда, без железного сердечника). Магнитное поле создаёт неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот — вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазах статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор снабжается контактными кольцами, присоединёнными к концам его обмотки. Неподвижные пластины — щётки — прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерированный ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу.

В маломощных генераторах магнитное поле создаётся вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щётки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порождённого изменением магнитного потока при вращении ротора.

Если в однородном магнитном поле вращается плоская рамка, то период генерируемой ЭДС равен периоду вращения рамки. Это не всегда удобно. Например, для получения переменного тока с частотой 50 Гц рамка должна в однородном магнитном поле совершить 50 об/с, т. е. 3000 об/мин. Такая же частота вращения потребуется и в случае вращения двухполюсного постоянного магнита или двухполюсного электромагнита. Действительно, период изменения магнитного потока, пронизывающего витки обмотки статора, должен быть равен 1/50 с. Для этого каждый из полюсов ротора должен проходить мимо витков 50 раз в секунду. Скорость вращения можно уменьшить, если использовать в качестве ротора электромагнит, имеющий 2, 3, 4 … пар полюсов. Тогда период генерируемого тока будет соответствовать времени, необходимому для поворота ротора соответственно на ½, 1/3, ¼ … доли окружности. Следовательно, ротор можно вращать в 2, 3, 4 … раза медленнее. Это важно, когда генератор приводится во вращение тихоходными двигателями, например гидравлическими турбинами. Так, роторы генераторов Угличской ГЭС на Волге делают 62,5 об/мин и имеют 48 пар полюсов.

2.2 МГД-генератор

Основу современной энергетики составляют теплоэлектростанции (ТЭС). Действие ТЭС основано на преобразовании тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива, сначала в механическую энергию вращения вала паровой или газовой турбины, а затем с помощью электрогенератора в электрическую энергию. В результате такого двойного преобразования много энергии теряется впустую — выделяется в виде тепла в воздух, расходуется на нагрев оборудования и т. д.

А нельзя ли уменьшить эти непроизвольные расходы энергии, сократить процесс преобразования энергии, исключить промежуточные стадии преобразования энергии? Оказывается, можно. Одной из энергетических установок, преобразующих энергию движущейся электропроводной жидкости или газа непосредственно в электрическую, является магнитогидродинамический генератор, или сокращённо МГД-генератор.

Так же как и в обычных электрогенераторах, в МГД-генераторе основан на явлении электромагнитной индукции: в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, возникает электрический ток. В МГД-генераторе таким проводником является так называемое рабочее тело — жидкость, газ или жидкий металл, обладающие высокой электрической проводимостью. Обычно в МГД-генераторах используется раскалённый ионизированный газ, или плазма. При движении плазмы поперёк магнитного поля в ней возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов — свободных электронов и положительных ионов.

Состоит МГД-генератор из канала, по которому движется плазма, электромагнита для создания магнитного поля и электродов, удавливающих носители зарядов. В результате между противоположно расположенными электродами возникает разность потенциалов, которая вызывает в подключенной к ним внешней цепи электрический ток. Таким образом, в МГД-генераторе осуществляется преобразование энергии движущейся плазмы непосредственно в электроэнергию, без каких-либо промежуточных преобразований.

Основное преимущество МГД-генератора по сравнению с обычными электромагнитными генераторами — отсутствие в нём движущихся механических узлов и деталей, таких, например, как в турбоили гидрогенераторе. Это обстоятельство позволяет существенно повысить начальную температуру рабочего тела, а, следовательно, и коэффициент полезного действия генератора.

Первый экспериментальный МГД-генератор мощностью всего в 11,5 кВт был построен в 1959 г. в США. В 1965 г. в СССР был исследован первый советский МГД-генератор, а в 1971 г. состоялся пуск опытно-промышленной установки — своеобразной электростанции с МГД-генератором мощностью 25 МВт. Такие энергетические установки могут применяться, например, как резервные или аварийные источники электроэнергии, а также в качестве источников электропитания таких устройств, которые требуют значительного потребления электроэнергии за короткий промежуток времени.

2.3 Плазменный генератор — плазмотрон

Если твёрдое вещество сильно нагреть, оно превратится в жидкость. Если поднять температуру ещё выше — жидкость испарится и превратится в газ.

Но что произойдёт, если продолжать увеличивать температуру? Атомы вещества начнут терять свои электроны, превращаясь в положительные ионы. Вместо газа образуется газообразная смесь, состоящая из свободно движущихся электронов, ионов и нейтральных атомов. Она называется плазмой.

В наше время плазма находит широкое применение в самых разных областях науки и техники: для термической обработки металлов, нанесение на них различных покрытий, плавки и других металлургических операций. В последнее время плазму стали широко использовать химики. Они выяснили, что в струе плазмы сильно увеличивается скорость и эффективность многих химических реакций. Например, вводя в струю водородной плазмы метан, можно превратить его в очень ценный ацетилен. Или расположить пары нефти на ряд органических соединений — этилен, пропилен и другие, которые служат в дальнейшем важным сырьём для получения различных полимерных материалов.

Схема плазменного генератора — плазмотрона

1 — плазменная струя;

2 — вода;

3 — дуговой разряд;

4 — каналы «закрутки» газа;

5 — катод из тугоплавкого металла;

6 — плазмообразующий газ;

7 — державка электрода;

8 — разрядная камера;

9 — соленоид;

10 — медный анод.

Как создать плазму? Для этой цели и служит плазмотрон, или плазменный генератор.

Если поместить в сосуд с газом металлические электроды и приложить к ним высокое напряжение, произойдёт электрический разряд. В газе всегда имеются свободные электроны. Под действием электрического тока они разгоняют и, сталкиваясь с нейтральными атомами газа, выбивают из них электроны и образуют электрически заряженные частицы — ионы, т. е. ионизируют атомы. Освободившиеся электроны тоже ускоряются электрическим полем и ионизируют новые атомы, ещё увеличивая количество свободных электронов и ионов. Процесс развивается лавинообразно, атомы вещества очень быстро ионизируются и вещество превращается в плазму.

Этот процесс происходит в дуговом плазмотроне. Высокое напряжение создаётся в нём между катодом и анодом, в качестве которого может служить, например, металл, который нужно обработать с помощью плазмы. В пространство разрядной камеры подаётся плазмообразующее вещество чаще всего газ — воздух, азот, аргон, водород, метан, кислород и т. д. Под действием высокого напряжения в газе возникает разряд, и между катодом и анодом образуется плазменная дуга. Чтобы избежать перегрева стенок разрядной камеры, их охлаждают водой. Устройства такого типа называют плазмотронами с внешней плазменной дугой. Применяются они для резки, сварки, расплавления металлов и др.

Несколько иначе устроен плазмотрон для создания плазменной струи. Плазмообразующий газ с большой скоростью продувается через систему спиральных каналов и «поджигается» в пространстве между катодом и стенками разрядной камеры, которые являются анодом. Плазма, закрученная благодаря спиральным каналам в плотную струю, выбрасывается из сопла, причём её скорость может достигать от 1 до 10 000 м/с. «Отжать» плазму от стенок камеры и сделать её струю более плотной помогает магнитное поле, которое создаётся катушкой индуктивности. Температура струи плазмы на выходе из сопла — от 3000 до 25 000 К.

Вглядитесь ещё раз в этот рисунок. Не напоминает ли он вам что-то хорошо известное?

Конечно, это реактивный двигатель. Силу тяги в реактивном двигателе создаёт струя горячих газов, выбрасываемых с большой скоростью из сопла. Чем больше скорость, тем больше сила тяги. А чем хуже плазма? Скорость у струи вполне подходящая — до 10 км/с. А с помощью специальных электрических полей плазму можно ускорить ещё больше — до 100 км/с. Это примерно в 100 раз больше скорости газов в существующих реактивных двигателях. Значит, и тяга у плазменных или электрореактивных двигателей может быть больше, и расход топлива можно будет намного уменьшить. Первые образцы плазменных двигателей уже испытаны в космосе.

Глава 3. Передача электроэнергии

3.1 Линии электропередачи

От всех видов энергии электрическая выгодно отличается тем, что её мощные потоки можно практически мгновенно передавать на тысячекилометровые расстояния. «Руслами» энергетических рек служат линий электропередачи (ЛЭП) — основные звенья энергосистем.

В настоящее время сооружаются ЛЭП двух видов: воздушные, которые несут ток по проводам над поверхностью земли, и подземные, которые передают ток по силовым кабелям, проложенным, как правило, в траншеях под землёй.

ЛЭП состоят из опор — бетонных или металлических, к плечам которых прикрепляются гирлянды фарфоровых или стеклянных изоляторов. Между опорами протягиваются медные, алюминиевые или сталеалюминевые провода, которые подвешиваются к изоляторам. Опоры ЛЭП шагают через пустыни и тайгу, взбираются высоко в горы, пересекают реки и горные ущелья.

Изоляторами между проводами служит воздух. Поэтому, чем выше натяжение, тем большее расстояние должно быть между проводами. ЛЭП проходят и через поля, рядом с населёнными пунктами. Поэтому провода должны быть подвешены на безопасной для людей высоте. Свойства воздуха как изолятора зависят от климата и метеорологических условий. Строители ЛЭП должны учитывать силу господствующих ветров, перепады летних и зимних температур и многое другое. Вот почему строительство каждой новой ЛЭП требует серьёзной работы изыскателей наилучшей трассы, научных исследований, моделирования, сложнейших инженерных расчётов и ещё высокого мастерства строителей.

Одновременное создание мощных электрических станций и электрических сетей было предусмотрено ещё в плане ГОЭРЛО. При передаче электроэнергии по проводам на расстояние неизбежны потери энергии, ведь, проходя по проводам, электрический ток их нагревает. Поэтому передавать ток низкого напряжения, 127 — 220 В, каким он поступает в наши квартиры, на расстояние более 2 км невыгодно. Чтобы снизить потери в проводах, напряжение электрического тока, перед тем как подавать на линию, повышают на электрических повышающих подстанциях. С увеличением мощности электрических станций, расширением территорий, охваченных электрификацией, напряжение переменного тока на передающих линиях последовательно увеличивается до 220, 380, 500 и 750 кВ. Для объединения энергосистем Сибири, Северного Казахстана и Урала построена ЛЭП напряжением 1150 кВ. Подобных линий нет ни в одной стране мира: высота опор до 45 м (высота 15-этажного дома), расстояние между проводами каждой из трёх фаз — 23 м.

Однако провода, находящиеся под высоким напряжением, опасны для жизни, и вести их в дома, на фабрики и заводы нельзя. Вот почему, прежде чем передавать электроэнергию потребителю, ток высокого напряжения понижают на понижающих подстанциях.

Схема передачи переменного тока такова. Ток низкого напряжения, вырабатываемый генератором, подаётся на трансформатор повышающей подстанций, преобразуется в нём в ток высокого напряжения, далее по линии электропередачи поступает к месту потребления энергии, здесь преобразуется трансформатором в ток низкого напряжения, после чего поступает к потребителям.

Наша страна — родоначальник и другого типа линий электропередачи — линий постоянного тока. Передавать по ЛЭП постоянный ток выгоднее, чем переменный, так как если длина линии превышает 1,5−2 тыс. км, то потери электроэнергии при передаче постоянного тока будут меньше. Перед тем как ввести ток в дома потребителей, его снова преобразуют в переменный.

Чтобы ввести ток высокого напряжения в города и распределить его по электрическим понижающим подстанциям, под землёй прокладывают кабельные линии электропередачи. Специалисты считают, что в будущем воздушные линии электропередачи вообще уступят место кабельным. У воздушных линий есть недостаток: вокруг высоковольтных проводов создаётся электрическое поле, превосходящее магнитное поле Земли. А это неблагоприятно сказывается на организме человека. Ещё большую опасность это может представлять в будущем, когда напряжение и сила тока, передаваемые по ЛЭП, ещё более возрастут. Уже сейчас, чтобы избежать нежелательных последствий, вокруг ЛЭП приходится создавать «полосы отчуждения», где запрещено что-либо строить.

Испытана кабельная линия, моделирующая будущие сверхпроводящие линии электропередачи. Внутри металлической трубы, покрытой несколькими слоями самой совершенной тепловой изоляции, проложена медная жила, состоящая из многих проводников, каждый из которых покрыт плёнкой из ниобия. Внутри трубы поддерживается настоящий космический холод — температура 4,2 К. При такой температуре потери электроэнергии из-за сопротивления отсутствуют.

Для передачи электроэнергии учёные разработали газонаполненные линии (ГИЛ). ГИЛ — это металлическая труба, заполненная газом — шестифтористой серой. Газ этот — отличный изолятор. Расчёты показывают, что при повышенном давлении газа по проводам, проложенным внутри трубы, можно передать электрический ток напряжением до 500 кВ.

Уложенные под землёй кабельные ЛЭП сэкономят сотни тысяч гектаров драгоценной земли, особенно в крупных городах.

Как мы уже говорили, такая передача электроэнергии связана с заметными потерями. Дело в том, что электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля-Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

Q = I²Rt

где R — сопротивление линии. При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить сопротивление линии практически весьма трудно. Поэтому приходится уменьшать силу тока.

Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причём, чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кВ. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжение, не превышающие 16−20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятие сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока.

Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электродвигателя станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов.

Обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока проходит в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится всё меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, — всё шире (рис. 4).

Рис. 4

При очень высоком напряжении между проводами начинается коронный разряд, приводящий к потерям энергии. Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие коронного разряда были незначительными.

Электрические станции ряда районов страны объединены высоковольтными линиями передач, образуя общую электрическую сеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение, называемое энергосистемой, даёт возможность сгладить «пиковые» нагрузки потребления энергии в утренние и вечерние часы. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям вне зависимости от места их расположения. Сейчас почти вся территория страны обеспечивается электроэнергией объединёнными энергетическими системами.

Потеря 1% электроэнергии в сутки для нашей станы приносит убыток около половины миллиона рублей.

3.2 Трансформатор

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что относительно легко можно изменять его силу. Аппараты, преобразующие переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, называются электрическими трансформаторами (от латинского слова «трансформо» — «преобразую»). Изобрёл трансформатор русский электротехник П. Н. Яблочкин в 1876 г.

Трансформатор состоит из нескольких катушек (обмоток), намотанных на каркас изолированным проводом, которые размещают на сердечнике из тонких пластин специальной стали.

Переменный электрический ток, текущий по одной из обмоток, называемой первичной, создаёт вокруг неё и в сердечнике переменное магнитное поле, пересекающее витки другой — вторичной — обмотки трансформатора, возбуждая в ней переменную электродвижущую силу. Достаточно к выводам вторичной обмотки подключить лампу накаливания, как в получившейся замкнутой цепи потечёт переменный ток. Таким образом, электрическая энергия передаётся из одной обмотки трансформатора в другую без непосредственного их соединения, только за счёт связывающего обмотки переменного магнитного поля.

Если обе обмотки имеют разное число витков, то во вторичной обмотке наведется такое же напряжение, какое приводится к первичной. Например, если подать на первичную обмотку трансформатора переменный ток напряжением 220 В, то и во вторичной обмотке возникнет ток напряжением 220 В. Если обмотки разные — тогда и напряжение во вторичной обмотке не будет равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку. В повышающем трансформаторе, т. е. в трансформаторе, повышающем напряжение электрического тока, вторичная обмотка содержит витков больше, чем первичная, поэтому и напряжение на ней больше чем на первичной. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная, поэтому и напряжение на ней меньше.

Трансформаторы находят широкое применение в промышленности и быту. Силовые электрические трансформаторы дают возможность передавать переменный ток по линиям электропередачи на большое расстояние с малыми потерями энергии. Для этого напряжение переменного тока, вырабатываемого генераторами электростанции, с помощью трансформаторов повышают до напряжения в несколько сотен тысяч вольт и посылают по линиям электропередачи в различных направлениях. В месте потребления энергии, на расстоянии многих километров от электростанции, это напряжение понижают трансформаторами.

Во время работы мощные трансформаторы сильно нагреваются. Чтобы уменьшить нагрев сердечника и обмоток, трансформаторы помещают в специальные баки с минеральным маслом. Электрический трансформатор, оборудованный такой системой охлаждения, имеет весьма внушительные размеры: его высота достигает нескольких метров, а масса составляет сотни тонн. Кроме таких трансформаторов существуют и трансформаторы-карлики, работающие в радиоприёмниках, телевизорах, магнитофонах, телефонных аппаратах. С помощью таких трансформаторов получают несколько напряжений, питающие разные цепи устройства, производят эстафетную передачу сигналов от одной электрической цепи в другую, от каскада к каскаду, разделяют электрические цепи.

Как мы уже сказали, трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками (рис. 5). Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Схема устройства трансформатора с двумя обмотками приведены на рисунке 6.

Рис. 5

Рис. 6

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, которой возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки одинаково. Согласно закону Фарадея оно определяется формулой

е = - Ф, где Ф — производная потока магнитной индукции по времени. Если

Ф=Ф_m cos wt, то Ф = - wФ_m sin wt.

Следовательно, е = wФ_m sin wt,

е = Е_m sin wt,

где Е_m = wФ_m — амплитуда ЭДС в одном витке.

Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, или, как говорят, нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю. Появившийся ток по правилу Ленца должен уменьшить изменения магнитного поля в сердечнике.

Но уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока должно, в свою очередь, уменьшить ЭДС индукции в первичной обмотке. Однако это невозможно, так как согласно u₁ ~ e₁. поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной обмотке. Его амплитуда возрастает таким образом, чтобы восстановить прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока.

Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединённую ко вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой. Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, приблизительно равна мощности во вторичной цепи: U₁I₁ ~ U₂I₂.

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока (и наоборот).

В современных мощных трансформаторах суммарные потери энергии не превышают 2−3%.

Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Это достигается тем, что передача электроэнергии на большие расстояния ведётся под высоким напряжением. Дело в том, что при повышении напряжения ту же самую энергию можно передавать при меньшей силе тока, это ведёт за собой уменьшение нагревания проводов, а следовательно, и уменьшение потерь энергии. На практике при передаче энергии пользуются напряжением 110, 220, 380, 500, 750 и 1150 кВ. Чем длиннее линия электропередачи, тем более высокое напряжение используется в ней.

Генераторы переменного тока дают напряжение несколько киловольт. Перестройка генераторов на более высокие напряжения затруднительна — в этих случаях потребовалось бы особо высокое качество изоляции всех частей генератора, находящихся под током. Поэтому при передаче энергии на большие расстояния приходится повышать напряжение при помощи трансформаторов, устанавливаемых на повышающих подстанциях.

Схема работы электрических подстанций: повышающих, преобразовательных (тяговых), понижающих.

Рис. 7

Трансформированное высокое напряжение передаётся по линиям электропередачи к месту потребления. Но потребителю не нужно высокое напряжение. Его необходимо понизить. Достигается это на понижающих подстанциях.

Понижающие подстанции подразделяются на районные, главные понижающие и местные подстанции. Районные принимают электроэнергию непосредственно от высоковольтных ЛЭП, понижают напряжение и передают её на главные понижающие подстанции, где напряжение понижается до 6,10 или 35 кВ. С главных подстанций электроэнергия подаётся на местные, где напряжение понижается до 500, 380, 220 В и распределяется на промышленные предприятия и жилые дома.

Иногда за повышающей подстанцией располагается ещё подстанция преобразовательная, где переменный электрический ток преобразуется в ток постоянный. Здесь имеет место выпрямление тока. Постоянный ток передаётся по линиям электропередачи на большие расстояния. В конце линии на такой же подстанции он снова преобразуется (инвертируется) в ток переменный, который подаётся в главные понижающие подстанции. Для питания электрифицированного транспорта и промышленных установок постоянным током преобразовательные подстанции (на транспорте они называются тяговыми) строятся рядом с главными понижающими и местными подстанциями.

электрический ток трансформатор генератор

Глава 4. Энергетика для сталевара

4.1 Производство стали в электрических печах

Электрическая печь — это агрегат, в котором тепло, полученное за счёт превращения электрической энергии в тепловую, передаётся расплавляемому материалу. По способу преобразования электрической энергии в тепловую, электропечи делят на следующие группы:

1) дуговые, в которых электроэнергия превращается в тепловую в дуге;

2) печи сопротивления, в которых тепло выделяется в специальных элементах или исходных материалах в результате прохождения через них электрического тока;

3) комбинированные, работающие одновременно как дуговые и как печи сопротивления (рудотермические печи);

4) индукционные, в которых металл нагревается вихревыми потоками, возбуждаемыми в нём путём электромагнитной индукции;

5) электронно-лучевые, в которых при помощи электрического тока в вакууме создаётся строго направленный поток электронов, бомбардирующих и расплавляющих исходные материалы;

6) плазменные, в которых нагрев и плавление металла осуществляются низкотемпературной плазмой.

В электропечи можно получать легированную сталь с низким содержанием серы и фосфора, неметаллических включений, при этом потери легирующих элементов значительно меньше. В процессе электроплавки можно точно регулировать температуру металла и его состав, выплавлять сплавы почти любого состава.

Электрические печи обладают существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные инструментальные сплавы, нержавеющие шарикоподшипниковые, жаростойкие и жаропрочные, а также многие конструкционные стали выплавляют только в этих печах. Мощные электропечи успешно применяют для получения низколегированных и высокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в электропечах получают различные ферросплавы, представляющие собой сплавы железа с элементами, которые необходимо выводить в сталь для легирования и раскисления.

Устройство дуговых электропечей.

Первая дуговая электропечь в России была установлена в 1910 г. на Обуховском заводе. За годы пятилеток были построены сотни различных печей. Вместимость наиболее крупной печи в СССР 200 т. Печь состоит из железного кожуха цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом.

Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным желобом. Питание печи осуществляется трехфазным переменным током. Нагрев и плавление металла осуществляются электрическими мощными дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине. Наклон печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощи реечного механизма. Перед загрузкой печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем портал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей.

Механическое оборудование дуговой печи.

Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла. Его делают сварным из листового железа толщиной 16−50 мм в зависимости от размеров печи. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства дуговой электропечи. Наиболее распространенным в настоящее время является кожух конической формы. Нижняя часть кожуха имеет форму цилиндра, верхняя часть—конусообразная с расширением кверху. Такая форма кожуха облегчает заправку печи огнеупорным материалом, наклонные стены увеличивают стойкость кладки, так как она дальше расположена от электрических дуг. Используют также кожухи цилиндрической формы с водоохлаждаемыми панелями. Для сохранения правильной цилиндрической формы кожух усиливается ребрами и кольцами жесткости. Днище кожуха обычно выполняется сферическим, что обеспечивает наибольшую прочность кожуха и минимальную массу кладки. Днище выполняют из немагнитной стали для установки под печью электромагнитного перемешивающего устройства.

Сверху печь закрыта сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлаждаемом сводовом кольце, которое выдерживает распирающие усилия арочного сферического свода В нижней части кольца имеется выступ — нож, который входит в песчаный затвор кожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют три отверстия для электродов. Диаметр отверстий больше диаметра электрода, поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые разрушают электрод и выносят тепло из печи. Для предотвращения этого на своде устанавливают холодильники или экономайзеры, служащие для уплотнения электродных отверстий и для охлаждения кладки свода. Газодинамические экономайзеры обеспечивают уплотнение с помощью воздушной завесы вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленных газов и отверстие для кислородной фурмы.

Для загрузки шихты в печи небольшой емкости и подгрузки легирующих и флюсов в крупные, печи скачивания шлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленное литой рамой. К раме крепятся направляющие, по которым скользит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпичом. Для подъема заслонки используют пневматический, гидравлический или электромеханический привод.

С противоположной стороны кожух имеет окно для выпуска стали из печи. К окну приварен сливной желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диаметром 120—150 мм или квадратным 150 на 250 мм. Сливной желоб имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10—12° к горизонтали. Изнутри желоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составляет 1—2 м.

Электрододержатели служат для подвода тока к электродам и для зажима электродов. Головки электрододержателей делают из бронзы или стали и охлаждают водой, так как они сильно нагреваются как теплом из печи, так и контактными токами. Электрододержатель должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление. Наиболее распространенным в настоящее время является пружинно-пневматический электрододержатель. Зажим электрода осуществляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Огжатие плиты от электрода и сжатие пружины происходят при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве — консоли, который скрепляется с Гобразной подвижной стойкой в одну жесткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверх или вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жестко связаны в одну общую конструкцию, которая покоится на платформе опорной люльки печи.

Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощью системы тросов и противовесов, приводимых в движение электродвигателями, или с помощью гидравлических устройств. Механизмы перемещения электродов должны обеспечить быстрый подъем электродов в случае обвала шихты в процессе плавления, а также плавное опускание электродов во избежание их погружения в металл или ударов о не расплавившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5—6,0 м/мин, скорость опускания 1,0— 2,0 м/мин.

Механизм наклона печи должен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40—45° для выпуска стали и на угол 10—15 градусов в сторону рабочего окна для спуска шлака. Станина печи, или люлька, на которой установлен корпус, опирается на два — четыре опорных сектора, которые перекатываются по горизонтальным направляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих — зубцы, при помощи которых предотвращается проскальзывание секторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется при помощи рейки и зубчатого механизма или гидравлическим приводом. Два цилиндра укреплены на неподвижных опорах фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люльки печи.

Система загрузки печи бывает двух видов: через завалочное окно мульдозавалочной машиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах. При загрузке печи сверху в один-два приема в течение 5 мин меньше охлаждается футеровка, сокращается время плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее используется объем печи. Для загрузки печи свод приподнимают на 150—200 мм над кожухом печи и поворачивают в сторону вместе с электродами, полностью открывая рабочее пространство печи для введения бадьи с шихтой. Свод печи подвешен к раме. Она соединена с неподвижными стойками электрододержателей в одну жесткую конструкцию, покоящуюся на поворотной консоли, которая укреплена на опорном подшипнике. Крупные печи имеют поворотную башню, в которой сосредоточены все механизмы отворота свода. Башня вращается вокруг шарнира на катках по дугообразному рельсу.