Электроэнергетика

Ю.В. Шаров, В.Я. Хорольский,
М.А. Таранов, В.Н. Шемякин

Москва                                        2020

ИНФРА-М

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия для учебных заведений, 
реализующих программу среднего профессионального образования 
по укрупненной группе специальностей 13.02.00 «Электро- и теплоэнергетика» 
(протокол № 12 от 24.06.2019)

Шаров Ю.В. 
Ш26  
Электроэнергетика : учебное пособие / Ю.В. Шаров, В.Я. Хорольский, 
М.А. Таранов, В.Н. Шемякин. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 
384 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-00091-705-3 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-015335-3 (ИНФРА-М)

В учебном пособии в систематизированном виде рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с принципами построения, устройством и особенностями функционирования электроэнергетических систем. Учтены отечественные и зарубежные 
разработки в области создания новейших образцов электротехнических изделий. 
Цель учебного пособия заключается в получении студентами базовых знаний в вопросах производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии для 
дальнейшего углубленного изучения специальных дисциплин.
Предназначено для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по укрупненной группе специальностей 13.02.00 «Электро- 
и теплоэнергетика».

УДК 621.31(075.32)
ББК 31.2я723

ISBN 978-5-00091-705-3 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-015335-3 (ИНФРА-М)

УДК 621.31(075.32)
ББК 31.2я723
 
Ш26

© Шаров Ю.В., Хорольский В.Я., 
Таранов М.А., Шемякин В.Н., 2020
© ФОРУМ, 2020

Р е ц е н з е н т ы:
Ерошенко Г.П. — доктор технических наук, профессор кафедры эксплуатации электрооборудования и электрических машин Саратовского государственного аграрного университета,  заслуженный деятель науки РФ; 
Кононов Ю.Г. — доктор технических наук, заведующий кафедрой автоматизированных электроэнергетических систем и электроснабжения Северо-Кавказского государственного технического университета

Предисловие

Жизнь современного общества трудно представить без использования электрической энергии. Функции обеспечения электроэнергией потребителей возлагаются на энергопредприятия, которые должны бесперебойно поставлять электроэнергию в необходимых количествах и требуемого качества. При этом таким
организациям приходится решать широкий комплекс задач, связанных с производством, передачей, распределением и потреблением электроэнергии.

В настоящее время электроэнергетика Российской Федерации находится в

стадии реформирования и модернизации. Помимо организационных мероприятий, проводимых с целью внедрения оптимальной структуры управления производством электрической энергии и эксплуатацией энергетического оборудования, значительный объем работ проводится по техническому перевооружению
электрических сетей.

Основное направление таких работ связано с применением линий электропередачи с самонесущими изолированными проводами, установкой нового коммутационного оборудования на подстанциях, использованием принципиально новых
устройств релейной защиты и автоматики, широким внедрением диагностических
систем. Серьезные изменения в связи с повсеместным применением цифровых
устройств произошли в разработке оборудования для проведения пусконаладочных работ, профилактических измерений и эксплуатационных испытаний.

В пособии излагаются принцип действия, устройство, электрические схемы

и основные теоретические сведения об электроустановках, входящих в электроэнергетические системы. Последовательность изложения материала в пособии
принята в соответствии с делением всей системы на отдельные подсистемы. Значительное внимание также уделено таким важным общесистемным вопросам,
как автоматика, релейная защита, надежность и экономичность работы электроэнергетических систем, качество электроэнергии, защита оборудования от перенапряжений и др.

При написании материала авторы придерживались позиции, что выпускник

электроэнергетического  профиля  должен  иметь ясное представление о тех
процессах и явлениях, которые происходят в электроустановках, о принципах
построения и функционирования отдельных элементов и электроэнергетической
системы в целом и о тех мерах, которые должен проводить персонал по поддержанию работоспособного состояния электроустановок.

Глава 1
ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1. Понятие об электроэнергетических системах

Электричество играет огромную роль в нашей жизни. Можно без преувеличения сказать, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества. Электрическая энергия широко используется в промышленности для привода в действие различных механизмов и непосредственно в
технологических процессах, на транспорте, в быту. Работа современных средств
связи: телеграфа, телефона, радио, телевидения основана на применении электроэнергии. Без нее невозможно было бы развитие вычислительной техники,
космических аппаратов и т. д.
Электрическая энергия легко передается на расстояния, дробится на части и
с высоким коэффициентом полезного действия (КПД) преобразуется в другие
виды энергии.
Получение электроэнергии из других видов энергии возможно, но с меньшим КПД:
• на тепловых электростанциях (ТЭС) — 35—42 %;
• на атомных электростанциях (АЭС) — 30—35 %;
• на гидроэлектростанциях (ГЭС) — 90—92 %.
Электрическая энергия вырабатывается на специализированных предприятиях — электрических станциях, преобразующих в электричество другие виды
энергии: химическую энергию топлива, энергию воды, ветра, атомную энергию.
Электрические станции могут находиться вблизи потребителей и, наоборот,
могут быть удалены от них. И в том, и в другом случаях передача электрической
энергии от электростанции к потребителям осуществляется по электрическим
линиям. Однако, когда потребители удалены от электростанции, передачу электроэнергии приходится осуществлять на повышенном напряжении. В этом случае между электростанцией и потребителями необходимо сооружать повышающие и понижающие подстанции.
Электрические станции при помощи электрических линий (через подстанции) связывают друг с другом для параллельной работы на общую нагрузку. Такая совокупность электростанций, подстанций и приемников электроэнергии,

связанных между собой линиями электропередачи, называется энергетической
системой.
Электроэнергетической системой (ЭЭС) называется электрическая часть
энергосистемы и питающиеся от нее приемники электроэнергии, объединенные
общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления
электроэнергии.
Производство электроэнергии и электроснабжение потребителей имеют ряд
особенностей.
Накапливать электроэнергию в больших количествах сегодня практически
нельзя, и поэтому с помощью современных средств автоматики постоянно поддерживается равновесие между вырабатываемой и потребляемой электроэнергией.
Другая особенность — это относительная быстрота протекания переходных
процессов в ней. Волновые процессы совершаются в тысячные и даже миллионные доли секунды. Процессы, связанные с короткими замыканиями, качаниями,
нарушениями устойчивости, происходят в течение долей секунды или нескольких секунд.
Электроэнергетическая система тесно связана со всеми отраслями промышленности, связью, транспортом. Эта связь осуществляется через гигантскую совокупность разнообразных электроприемников, получающих питание от электроэнергетической системы. В связи с этим остро ставится вопрос надежности
электроснабжения и наличия достаточного резерва мощности во всех ее элементах.

1.2. Типы электростанций
и особенности их технологических режимов

Электрические станции представляют собой промышленные предприятия,
на которых производится электроэнергия, а в некоторых случаях и тепловая
энергия.
Фактически вся промышленная электроэнергия в стране вырабатывается на
тепловых, гидравлических и атомных электростанциях. В разных странах доля
электроэнергии, производимой на различного вида электростанциях, неодинакова. В России в настоящее время тепловые электростанции дают примерно
70 %, атомные и гидроэлектростанции — по 15 % от общего количества электроэнергии [20]. Основой энергетики в СССР было создание мощных электростанций с установленной мощностью более 1 ГВт. Эта тенденция продолжается и в
настоящее время.
Тепловые электростанции. На тепловых электростанциях используют твердое, жидкое и газообразное топливо. В зависимости от рода первичного двигателя, приводящего во вращение электрический генератор, тепловые электростанции можно подразделить на станции с паровыми турбинами, двигателями внут1.2. Типы электростанций и особенности...
5

реннего сгорания и с газовыми турбинами. Станции с паровыми турбинами,
кроме того, подразделяются на конденсационные (КЭС) и теплофикационные
(ТЭЦ). Первые снабжают потребителей только электроэнергией, а вторые —
электрической и тепловой энергией.
На конденсационных электростанциях широко применяются агрегаты с единичной мощностью 200, 300, а в некоторых случаях и 500 и 800 МВт. Коэффициент полезного действия современных КЭС достигает 40—42 %. Достаточно мощные ТЭС (до 2400—4800 МВт и выше) располагаются почти во всех регионах
России и называются государственными районными электростанциями (ГРЭС).
Эти станции вместе с гидроэлектростанциями служат основной базой энергетики России.
Для каждого типа станции разрабатывается своя технологическая схема превращения первичной энергии в электрическую.
Основным оборудованием паротурбинной электростанции являются котельные и турбинные агрегаты. Котельный агрегат служит для выработки водяного
пара, используемого для вращения турбоагрегата. Турбоагрегат состоит из паровой турбины и электрического генератора, вырабатывающего электроэнергию.
Последняя поступает в электрическое распределительное устройство станции и
из него в электрическую сеть энергосистемы.
На рис. 1.1 приведена технологическая схема паротурбинной конденсационной электростанции, работающей на угольной пыли.
Со склада топлива 1 кусковой уголь У поступает в угледробильное устройство 2, где уголь разбивается на мелкие куски. Дробленый уголь УД подается в
угольный бункер 3, из которого в угольную мельницу 4, размалывающую его до
пылевидного состояния. Из мельницы угольная пыль УП поступает в расположенный у котла бункер 5. Из последнего угольная пыль выдается питателями
пыли 6 и по пылепроводу направляется к горелкам 7 (их несколько в топке) и
через них вдувается в топку котла горячим воздухом ВГ, который подается дутьевым вентилятором 12.
Питатели пыли могут менять количество угольной пыли, поступающей в
топку котла при работе его с разной производительностью.
Горячий воздух ВГ, необходимый для горения угольной пыли, предварительно проходит через воздухонагреватель 10, где он подогревается отходящими дымовыми газами Г, которые отсасываются из газоходов котла дымососом 11 и через дымовую трубу (на схеме не показана) выбрасываются в атмосферу. Холодный воздух В забирается снаружи.
Ввод в топку горячего воздуха улучшает горение топлива и повышает в ней
температуру. Угольная пыль сгорает во взвешенном состоянии, образуя пламя в
виде факела с очень высокой температурой.
Отходящие газы используются также для подогрева в экономайзере 9 питательной воды ПВ, поступающей в котел.
Использование тепла отходящих газов для подогрева питательной воды и
воздуха, поступающего в топку, уменьшает потери тепла с уходящими газами и
повышает КПД котлоагрегата.

6
Глава 1. Производство электроэнергии

Из котла 8 по паропроводу перегретый пар ПП поступает в паровую турбину
13, в которой он проходит ряд ступеней, совершая механическую работу, при
этом давление и теплосодержание его постепенно уменьшается.
Некоторое количество частично отработавшего в турбине пара ПО (пар отбора) отводится от промежуточных ступеней турбины для подогрева питательной
воды. Остальной пар проходит через последующие ступени турбины. Полностью
отработавший в турбине пар ОП поступает в конденсатор 15, где он конденсируется.
Конечное давление отработавшего пара в паровых турбинах обычно составляет 0,03—0,04 атм. Столь глубокий вакуум создается и поддерживается в конденсаторе, прежде всего путем интенсивного охлаждения и быстрой конденсации отработавшего пара, непрерывно поступающего в конденсатор. Достигается
это путем пропуска в должном количестве через трубы конденсатора холодной
циркуляционной воды ЦВ, которую подает циркуляционный насос 17 из какоголибо водоема — реки, пруда, озера.
Если вблизи станции подходящего водоема нет, то используют один и тот же
объем циркуляционной воды, искусственно охлаждая ее в какомлибо специальном сооружении, например башнеохладителе (градирне).
Градирня — это пустотелая вытяжная башня высотой до 150 м и диаметром
40—70 м, которая создает естественную тягу с направлением воздушного потока
снизу вверх. Внутри градирни на высоте 10—20 м устанавливают разбрызгивающее устройство. Капли воды летят вниз навстречу воздуху. При этом часть капель испаряется, за счет чего охлаждается вода, поступающая из конденсатора и
нагретая в нем. Охлажденная вода собирается внизу в бассейне, откуда насосом
подается обратно в конденсатор.
Воздух, проникающий в конденсатор вместе с отработавшим паром и через
неплотности, удаляется паровым эжектором 16.
Из конденсатора конденсат К перекачивается конденсаторным насосом 18
в деаэратор 19, который служит для удаления из питательной воды растворенных в ней газов, особенно кислорода воздуха, так как последний вызывает интенсивную коррозию и быстрое разрушение труб котла. В деаэраторе питательная вода подогревается паром ПО из промежуточного отбора турбины до температуры, при которой происходит интенсивное выделение растворенных в ней
газов.
Из деаэратора питательная вода ПВ откачивается питательным насосом 20.
На пути в котел питательная вода проходит через несколько водоподогревателей
(на схеме показан один водоподогреватель 21), в которых вода подогревается паром из промежуточных отборов турбины. Поступивший в водоподогреватели пар
конденсируется, конденсат КП отводится в деаэратор. Дополнительно питательная вода подогревается в водяном экономайзере 9 дымовыми газами.
Для восполнения потерь в систему питания котла через деаэратор 19 поступает добавочная вода ДВ, химически очищенная в специальной установке 22,
питающейся сырой водой СВ. Механическая энергия, вырабатываемая в паро
вой турбине 13, преобразуется генератором 14 в электроэнергию (ЭЭ), поступающую через трансформатор 23 в распределительное устройство.

1.2. Типы электростанций и особенности...
7

Основным недостатком конденсационных электростанций является низкий
КПД, не превышающий 40—42 % в основном за счет значительных потерь тепловой энергии с охлаждающей водой.
Температура этой воды невысокая, поэтому использовать ее для какихлибо
целей практически невозможно.
Поскольку ТЭС загрязняют атмосферу, они располагаются вдали от крупных
населенных пунктов, как правило, рядом с топливной базой. Такие станции низкоманевренны. Пуск и остановка агрегатов занимает от нескольких часов до нескольких суток. Электростанции обычно работают в базовой части графика нагрузки. Блоки останавливают лишь на дветри недели в летний период для планового ремонта.
Теплоэлектроцентрали. Следующей значительной группой среди ТЭС являются теплоэлектроцентрали, которые предназначены для комбинированной вы8
Глава 1. Производство электроэнергии

Рис. 1.1. Технологическая схема паротурбинной конденсационной электростанции:
1 — склад угля; 2 — угледробильное отделение; 3 — угольный бункер; 4 — угольная мельница; 5 — бункер угольной пыли; 6 — питатели угля; 7 — горелки; 8 — котел; 9 — экономайзер; 10 — подогреватели воздуха; 11 — дымосос; 12 — вентилятор; 13 — паровая турбина; 14 — турбогенератор; 15 — конденсатор; 16 — паровой эжектор; 17 — циркуляционный
насос; 18 — конденсационный насос; 19 — деаэратор; 20 — насос питательной воды; 21 —
водоподогреватель; 22 — химочистка сырой воды; 23 — трансформатор

работки тепловой и электрической энергии. Комбинированная выработка повышает КПД современных ТЭЦ до 65—70 %.
Многие ТЭЦ расположены на предприятиях или вблизи них. При этом тепловая энергия в виде пара или горячей воды идет на производственные и коммунальнобытовые нужды. В последнем случае ТЭЦ является городской и ее главная задача — теплофикация жилых домов и коммунальнобытовых предприятий
города.
Гидроэлектростанции. Работа гидравлических станций основана на использовании водной энергии. По течению рек на отдельных участках создают с помощью плотин необходимые напоры и запасы воды (водохранилища), что позволя

1.2. Типы электростанций и особенности...
9

Рис. 1.2. Внешний вид теплоэлектроцентрали

Рис. 1.3. ГЭС с плотиной арочного типа (внизу виден машзал)

ет размещать в этих местах ряд гидроэлектростанций (каскад). Напор создается в
результате разности уровней верхнего и нижнего бьефов.
Особенностью ГЭС является необходимость создания мощных гидротехнических сооружений: плотин, дамб, каналов, туннелей, необходимых для получения напора воды и пропуска расхода водостока. Часто здание ГЭС с машинным
залом встраивается в основное гидротехническое сооружение. Выбор места сооружения ГЭС является сложной геологической и строительной задачей.
Технологический процесс работы ГЭС можно уяснить из схемы, приведенной на рис. 1.4.
Вода верхнего уровня 1 плотины 3 по напорному трубопроводу 4 поступает в
спиральную камеру 8, охватывающую колесо гидротурбины 9. Из спиральной камеры вода стекает на лопатки колеса турбины, а затем через отсасывающую трубу 10 вода поступает в водное пространство нижнего уровня 2 плотины.
Вертикальный вал турбины соединен с валом гидрогенератора 11. Электроэнергия от генератора поступает в закрытое распределительное устройство генераторного напряжения 14 и далее в повышающий трансформатор 15, а от него по
воздушной линии 16 в открытое распределительное устройство повышенного напряжения и далее в электрическую сеть энергосистемы. Трос 17 защищает воздушную линию от прямых ударов молнии.

10
Глава 1. Производство электроэнергии

Рис. 1.4. Разрез плотинной гидроэлектростанции:
1 — верхний уровень воды; 2 — нижний уровень воды; 3 — плотина; 4 — напорный трубопровод; 5 — ремонтный затвор; 6 — затвор; 7 — кран; 8 — спиральная камера; 9 — гидротурбина; 10 — отсасывающий трубопровод; 11 — гидрогенератор; 12 — здание станции;
13 — кран; 14 — распределительное устройство; 15 — повышающий трансформатор; 16 —
воздушная ЛЭП; 17 — грозозащитный трос

Затвор 6 служит для прекращения поступления воды в напорный трубопровод 4. При ремонтах в пазах 5 опускают ремонтный затвор. Кран 7 служит для
опускания и подъема затворов. Машинный зал оборудован мостовым краном 13,
необходимым при монтаже и ремонте агрегатов.
Технологический процесс производства электроэнергии на ГЭС значительно
проще, чем на ТЭС. Поэтому менее сложным является и обслуживание электрооборудования.
Гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ перед ТЭС: их можно полностью автоматизировать, КПД ГЭС доходит до 92 %, обслуживание требует небольшого количества персонала, стоимость электроэнергии в 3—5 раз меньше,
чем на ТЭС. Однако для строительства ГЭС необходимы большие капитальные
затраты. Кроме того, в Европейской части России, где потребность в электроэнергии особенно велика, большая часть гидроресурсов уже использована.
В России наиболее крупные ГЭС сооружены в Сибири: УстьИлимская
(3500 МВт); Братская (4100 МВт); Красноярская (6000 МВт). На самой крупной
ГЭС СаяноШушенской работает 10 агрегатов по 640 МВт каждый.
Важной задачей ТЭС и ГЭС является покрытие нагрузки в часы пик, которые бывают в течение 2—3 часов в утренние и особенно в вечерние часы.
Для этого обычно используют малоэкономичные агрегаты ТЭС и главным образом агрегаты ГЭС, пуск и останов которых происходит в короткое время —
1—2 мин.
В последнее время стали использовать гидроаккумулирующие станции с гидроагрегатами, работающими в обратимом режиме. В ночное и другое время небольших нагрузок в энергосистеме эти гидроагрегаты, работая как насосы, подают воду из русла реки в специальные водохранилища, расположенные на более
высоком уровне. В часы максимальных нагрузок гидроагрегат, используя напор
и запас воды водохранилища, вырабатывает мощность для покрытия пиковой
части графика нагрузки энергосистемы.
Атомные электростанции, использующие ядерное горючее, получают все более широкое внедрение и в перспективе займут ведущее место в развитии электроэнергетики. Уже введен в действие ряд крупнейших станций мощностью
1,5 млн кВт и более.
История атомной энергетики охватывает период чуть более полувека. Первая
в мире АЭС была пущена в строй 27 июня 1954 г. в СССР в городе Обнинске.
В настоящее время в мире работает более 440 атомных электростанций. Главенствующее значение по доле выработки электроэнергии на АЭС занимает Франция (73 %). По абсолютному производству электроэнергии на АЭС лидируют
США. Установленная мощность АЭС США составляет 90 млн кВт, России — более 22 млн кВт.
Почти все АЭС России сконцентрированы в европейской части, где имеется
серьезный дефицит органического топлива: Балаковская, Нововоронежская,
Кольская, Ростовская, Калининская, Ленинградская, Курская и Белоярская.
Лишь единственная атомная ТЭЦ расположена в Билибино Магаданской области. Крупнейшие из них (Балаковская, Ленинградская и Курская) имеют установленную мощность по 4000 МВт.

1.2. Типы электростанций и особенности...
11