Общая энергетика

Министерство образования и науки Российской Федерации 

ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический 
университет имени И. И. Ползунова» 

Л. В. Куликова 
О. Н. Дробязко 

ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА 

Учебное пособие по дисциплине 
«Общая энергетика» 
для студентов, обучающихся по направлению 
«Электроэнергетика и электротехника» 

Издание 2-ое,  
переработанное 

Москва 
Берлин 
2020 

УДК 620.9(075) 
ББК  31.1я7 
 К90 

Рецензент: 
А. А. Багаев — заведующий кафедрой электрификации и автоматизации сельского 
хозяйства ФГБОУ ВО «Алтайский государственный аграрный университет», 
д.т.н., профессор.  

        Куликова, Л. В. 
К90       Общая энергетика : учебное пособие / Л. В. Куликова, 
О. Н. Дробязко. — 2-ое изд. перераб. — Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2020. — 178 с.  

ISBN 978-5-4499-1475-0 

Изложен материал по темам, которые необходимо изучить по этой дисциплине, разработаны расчетные задания и составлены контрольные вопросы. Приведены исходные и справочные данные и представлены примеры решения рассматриваемых задач. 
Для студентов направления «Электроэнергетика и электротехника». 

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры 
«Электрификация производства и быта». 

УДК 620.9(075) 
ББК 31.1я7 

ISBN 978-5-4499-1475-0
© Куликова Л. В., Дробязко О. Н., текст, 2020
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................... 5 
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ...................................................... 6 
ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ ............................................................ 8 
1. МЕСТО ЭНЕРГЕТИКИ В ОБЩЕСТВЕ.................................................. 10 
1.1. Состояние и тенденции развития мировой и российской 
энергетики ............................................................................................... 10 
1.1.1. Европейский союз...................................................................... 10 
1.1.2. Россия ......................................................................................... 13 
1.1.3. Перспективы мировой электроэнергетики ............................... 20 
1.2. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года .......... 24 
2. ЭНЕРГЕТИКА АЛТАЙСКОГО КРАЯ ................................................... 34 
2.1. История развития ............................................................................ 34 
2.2. Генерирующие компании .................................................................. 38 
2.3. Электросетевые компании .............................................................. 39 
2.4. Сбытовые компании ......................................................................... 41 
2.5. Диспетчерское управление ............................................................... 42 
2.6. Основные потребители электрической энергии ............................. 43 
3. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ, ТРАНСПОРТЕ И ПОТРЕБЛЕНИИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. ГОСУДАРСТВЕННАЯ
ПРОГРАММА РФ «ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ НА ПЕРИОД
ДО 2020 ГОДА» ........................................................................................... 44 
3.1. Энергосбережение при производстве и транспорте 
электрической энергии ............................................................................ 44 
3.2. Энергосбережение при потреблении электрической энергии ........ 55 
4. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ
ЭНЕРГИИ..................................................................................................... 66 
4.1. Ветроэнергетические установки .................................................... 69 
4.2. Солнечные энергетические станции................................................ 71 
5. ОТОПЛЕНИЕ И ГОРЯЧЕЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ ................................. 72 
5.1. Тепловые сети ................................................................................... 73 
5.2. Горячее водоснабжение ................................................................... 75 

6. СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ТРАДИЦИОННЫХ
НЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ ....................................... 78 
6.1. Паротурбинные электрические станции (КЭС и ТЭЦ) [1] ........... 84 
6.1.1. Требования, предъявляемые к тепловым электростанциям .... 85 
6.1.2. Основные элементы паровой электростанции ......................... 86 
6.1.3. Принципиальная тепловая схема электростанции ................... 87 
6.2. Гидроэлектрические станции (ГЭС) ............................................... 92 
6.3. Атомные электростанции..............................................................103 
7. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ .........................................................109 
7.1. Классификация электрических сетей ............................................113 
7.2. Параметры электрических сетей ..................................................120 
7.3. Режимы и параметры системы и сети ........................................121 
8. ВОЗДУШНЫЕ И КАБЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ..........124 
8.1. Воздушные линии электропередач..................................................124 
8.1.1. Изоляторы .................................................................................126 
8.2. Кабельные линии электропередач ..................................................129 
8.3. Линия электропередачи как элемент электрической сети ..........133 
8.3.1. Погонные (удельные) параметры линий .................................134 
8.3.2. Схемы замещения ЛЭП ............................................................134 
8.3.3. Характерные соотношения между параметрами линий .........139 
9. ТРАНСФОРМАТОРНАЯ ПОДСТАНЦИЯ ...........................................141 
9.1. Классификация подстанций ...........................................................142 
9.2. Принцип работы .............................................................................144 
9.2.1. Дополнительные функции трансформаторов: ........................146 
9.3. Виды трансформаторных подстанций .........................................147 
9.4. Подстанции и безопасность людей, проживающих рядом 
с ними ......................................................................................................148 
10. ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ................................................150 
11. РАСЧЁТНОЕ ЗАДАНИЕ .....................................................................153 
11.1. Разработка мероприятий по энергосбережению........................153 
СПИСОК ВОПРОСОВ КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ  ПО ДИСЦИПЛИНЕ 
«ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА» .........................................................................171 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..........................................................................................174 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ...................................176 

ВВЕДЕНИЕ 

Настоящее учебное пособие изложено в виде конспектов лекций, которые помогут студентам ознакомиться с дисциплиной «Общая энергетика». 
Материал содержит общие сведения об энергии и энергетике. 
Приведены основные сведения о первичных энергоносителях. Представлен весь путь преобразований энергии, начиная от энергии первичных энергоносителей и кончая потребителями электрической 
и тепловой энергии. 
Значительное внимание уделено физической сущности всех 
описываемых явлений, при этом математический аппарат использован только в самом минимально необходимом уровне. Приняты 
также значительные упрощения при описании процессов преобразования энергии, при описании принципиальных схем энергоустановок. При этом, однако, сохранена их физическая сущность, что позволит читателям свободно знакомиться с соответствующими 
специальными курсами. Ознакомление с лекциями будет полезно 
для студентов всех энергетических специальностей как с основой 
их узкой специализации. 

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

Энергетика — это совокупность естественных, природных 
и искусственных, созданных человеком систем, предназначенных 
для получения, преобразования, распределения и использования 
энергетических ресурсов всех видов. Энергоресурсами являются все 
материальные объекты, в которых сосредоточена энергия для возможного использования ее человеком. 
Среди различных видов энергии, используемых людьми, электроэнергия выделяется рядом существенных достоинств. Это относительная 
простота 
ее производства, 
возможность 
передачи 
на очень большие расстояния, простота преобразования в механическую, тепловую, световую и иную энергию, что делает электроэнергетику важнейшей отраслью жизнедеятельности человека. 
Энергетика определяется, как отрасль хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу 
и использование различных видов энергии и которая включает 
в себя и научно-техническое направление, занимающееся изучением сути всех энергетических преобразований, а также созданием 
новых направлений использования энергии в интересах человека. 
Научно-технический прогресс немыслим без развития энергетики и электрификации производств. Для повышения производительности труда первостепенное значение имеет автоматизация производственных 
процессов, 
базирующаяся, 
прежде 
всего, 
на применении электрической энергии. Основными потребителями 
электроэнергии в производстве продукции являются электрические 
машины, мощность которых варьируется от единиц ватт до десятков 
мегаватт, причем рост планетарного населения, с одной стороны, 
и рост материальных потребностей, с другой, неизбежно ведут 
к наращиванию потребляемой электроэнергии с каждым годом. Для 
производства электрической энергии применяются различные электростанции, базирующиеся на сжигании природных энергетических 
ресурсов. Вместе с тем, запасы традиционных природных топлив 
(нефти, угля, газа и др.) не бесконечны. Ограничены запасы и ядерного топлива — урана и тория, из которого с помощью реакторов 
можно получать плутоний. Поэтому на сегодняшний день важно 
не только развивать добычу экономически выгодных источников 
энергии, но и рационально использовать имеющиеся природные ресурсы для производства электроэнергии без существенного ущерба 

окружающей среде. Отсюда — широчайший комплекс проблем технико-экономического, экологического и социального характера 
в области энергетики. Учебная дисциплина «Общая энергетика» 
рассматривает общие вопросы формирования и функционирования 
топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны, основу которого составляют районные энергетические системы (РЭС), объединенные в единую энергетическую систему (ЕЭС) России. Энергетическая система представляет собой совокупность электрических 
станций, электрических и тепловых сетей и узлов потребления, объединенных процессом производства, передачи и распределения 
электроэнергии и тепловой энергии по потребителям. Электроэнергетика — ведущая часть энергетики, обеспечивающая электрификацию страны на основе рационального производства и распределения электрической энергии. Электроэнергетика имеет важнейшее 
значение в хозяйстве любой страны, что объясняется такими преимуществами электрической энергии перед энергией других видов, 
как относительная легкость передачи ее на большие расстояния, 
распределения между потребителями, а также преобразования 
в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.). В силу специфики своего производства электроэнергетика занимает особое положение. В электроэнергетике химическая 
энергия, запасенная в топливе, энергия падения воды, солнечная, 
ветровая и другие виды энергии проходят путь последовательного 
преобразования в тепловую, механическую и, наконец, в электрическую энергию. В основе такого преобразования лежат термодинамические циклы тепловых двигателей. Промежуточным продуктом 
в этом процессе преобразования энергии, получившим широкое потребительское значение, является тепловая энергия. 

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ 

Явления электризации были известны человеку довольно 
давно. Также он сталкивался и с явлениями магнитными, которые 
проявлялись притягиванием или отталкиванием некоторых пород 
или притягиванием железных изделий. В 1570 году английский ученый У. Гильберт выполнил описание этих явлений, однако он пришел к ошибочному выводу, что эти явления не имеют связи между 
собой. Эту неточность исправил русский ученый Ф. Эпинус, который в 1758 году в докладе АН излагал идею «О родстве электрической силы и магнетизма». Американский ученый Б. Франклин сумел 
понять, что существует два состояния наэлектризованных тел, которым он придал смысл двух различных зарядов (положительных 
и отрицательных). 1785 год ознаменовался значительным открытием французского ученого Ш. О. Кулона, который сформулировал 
закон взаимодействия двух электрически заряженных тел. Как говорят современные физики из этого закона можно вывести почти все 
другие законы электротехники. В результате работ Л. Гальвани 
(около 1738 года) и А. Вольта (1799 год) был создан гальванический 
элемент, который сыграл значительную роль в изучении законов 
электротехники. Датский ученый Х. К. Эрстед в 1819 году установил, что существует влияние электрического тока на магнитную 
стрелку компаса, а в 1920 году А. М. Ампер показал, что электрический ток создает точно такое же магнитное поле, как и постоянный 
магнит. Более того он определил силу взаимодействия между собой 
двух токов, протекающих по проводам. Английский ученый М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, один из основополагающих законов электротехники. Русский ученый Э. Х. Ленц 
в 1833 году открыл правило, которое связывало направление магнитного поля, движение в нем проводника и направление тока 
в проводнике (или направление ЭДС в проводнике). Русский изобретатель Якоби в 1834 году изобрел и применил первый практически пригодный электродвигатель. Немецкий ученый Г. Р. Кирхгоф 
в 1847 году 
сформулировал 
законы 
электрических 
цепей. 
В 1873 году английский ученый Д. К. Максвелл, обобщив все 
предыдущие знания, создал обобщенную теорию электромагнитных 
явлений, которая была усовершенствована немецким ученым Генрихом Герцем, именно в его интерпретации эта теория излагается 
во всех 
учебниках. 
В 1873 году 
русским 
изобретателем 

А. Н. Лодыгиным была сконструирована лампа накаливания с вольфрамовой нитью, запатентованная во многих странах. В 1880 году 
русским электротехником Д. А. Лачиновым была доказана возможность передачи электроэнергии на большие расстояния путем увеличения напряжения. 
В 1888 году, было теоретически доказаны преимущества трехфазного переменного тока, а в 1891 году была построена первая 
энергосистема трехфазного переменного тока. Она состояла из: 
трехфазного генератора, установленного на ГЭС, где до этого стоял 
генератор постоянного тока, трехфазного повысительного трансформатора, трехфазной линии электропередачи напряжением 14 кВ, 
трехфазного понизительного трансформатора и трехфазного асинхронного двигателя, который вращал насос фонтана очередной электротехнической выставки в немецком городе Франкфурте-наМайне. Это был прообраз современной электроэнергетической системы. После этого трехфазный переменный ток разошелся по всему 
миру. В России к 1913 году имела на электростанциях 1141 МВт 
установленной мощности. К 1930 году добавилось еще 1750 МВт. 
В дальнейшие годы регулярно вводились новые электрические мощности. Так в 1975 году было введено 12000 МВт электрических 
мощностей. Одновременно строились линии электропередачи все 
более высоких напряжений: 110, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ. Формировалась Единая энергетическая система. 

1. МЕСТО ЭНЕРГЕТИКИ В ОБЩЕСТВЕ

1.1. Состояние и тенденции развития мировой и российской 
энергетики 

Электроэнергетика переживает не менее радикальные перемены, чем во время массового строительства ядерных реакторов 
в 1960–1970-е годы. Растет доля альтернативных источников энергии, усиливается диспропорция цен на уголь и природный газ, переосмысливается роль атомной энергетики. Мировая экономика превращается из энергодефицитной в энергоизбыточную. 
Широкомасштабные изменения, которые происходят в настоящее время в мировой энергетике, идут достаточно медленно и зачастую малозаметно для окружающих. Однако перед энергокомпаниями и политиками уже стоят новые вызовы, и от того, какие 
на них будут найдены ответы, зависит будущее отрасли на много 
лет вперед. 

1.1.1. Европейский союз 

По сравнению со среднемировой структурой генерации электроэнергии, в странах Евросоюза заметно выше доля АЭС (почти 
30 %), а также альтернативных источников энергии — ветра, биомассы и др. (около 8 %). 

Рисунок 1.1. Структура генерации электроэнергии по видам топлива 

Основным органом, ответственным за разработку и согласование энергетической политики ЕС, является Генеральная дирекция 
по энергетике (до 2010 г. — Генеральная дирекция по энергетике 
и транспорту). Последующие ступени регулирования относятся 
к уровню отдельных стран-участниц ЕС, в каждой из которых могут 
действовать различные системы управления отраслью. Один представитель от каждой страны ЕС входит в ассоциацию регуляторов 
ERGEG (European Regulators' Groupfor Electricity and Gas). Ассоциация была образована Еврокомиссией в качестве консультативного 
органа по вопросам создания внутреннего рынка электроэнергии. 
Основной деятельностью ассоциации является разработка законопроектов и стратегических документов по развитию отрасли. 
Либерализация рынков ЕС не предполагала обязательной 
приватизации электроэнергетики. Во многих странах по-прежнему 
остались крупные генерирующие компании, большая часть акций 
которых принадлежит государству (Италия, Швеция). Компании, 
обладающие большой долей и властью на рынках соответствующих 
стран, характерны и в целом для ЕС: это EdF во Франции, EdP 
в Португалии, «Electrabel» в Бельгии и т. д. 
Функции передачи электроэнергии и управления режимами 
энергосистем в большинстве стран выполняются системными операторами. На территории ЕС действуют в настоящий момент 34 системных оператора, объединенных в ассоциацию ENTSO-E. В соответствии 
с Третьим 
пакетом 
энергетических 
законов 
она 
осуществляет общеевропейское планирование и координацию параллельно работающих энергосистем. 
Директива EC от 26.06.2003 накладывала на страны-участницы 
Евросоюза обязательства по дерегулированию и либерализации электроэнергетики. Директива также предполагала последующее объединение локальных рынков электроэнергии в единый внутренний рынок ЕС. В качестве целей реформы были названы повышение 
эффективности электроэнергетики, снижение цен на электроэнергию, 
улучшение качества обслуживания и рост конкуренции. 
В первую очередь предусматривалось разделение вертикально-интегрированных энергокомпаний по видам деятельности 
и обеспечение конкуренции в секторах генерации и сбыта. Речь 
не шла об обязательной смене владельца, если при этом операторы 
передающих и распределительных сетей обеспечивали недискриминационный доступ к сети с экономически обоснованной ценой 

подключения. Ключевым элементом разделения было формирование независимых органов управления и принятия решений в передающих, распределительных и генерирующих компаниях. 
Директива была нацелена на создание совместимых условий 
поставки электроэнергии потребителям в странах-членах ЕС, что позволит в дальнейшем прийти к единому европейскому рынку электроэнергии. К таким условиям относятся: уровень конкуренции 
на рынке, экономическая обоснованность стоимости электроэнергии, 
возможность свободного выбора поставщика, система тендеров для 
введения новой мощности, снижение выбросов CO2 в атмосферу и др. 
В результате реформы европейский рынок электроэнергии 
представляет собой конгломерат соединенных между собой региональных рынков (Балтия; Восточная Центральная Европа; Западная 
Центральная Европа; Южная Центральная Европа, Северная Европа; 
Юго-Западная Европа и Франция, Великобритания, Ирландия). 
Одна из главных проблем на пути формирования единого 
рынка — наличие перегрузок на трансграничных сечениях между 
региональными рынками. Предполагается решить эту проблему посредством стимулирования инвестиций в сетевую инфраструктуру 
и завершить формирование единого рынка к 2014 г. Наиболее развитым считается рынок Северной Европы, в особенности его скандинавская часть. На этом рынке наблюдаются одни из самых низких 
цен в Европе, а ликвидность превышает 30 %. 
На территории ЕС действуют 9 основных бирж электроэнергии: «NordPool», EEX, IPEX, «Powernext», APX NL, APX UK, 
«Belpex», «Endex» и «Omel». В последние годы отмечается тенденция к слиянию бирж и расширению охватываемой ими территории. 
На всех биржах торговля осуществляется в режиме «на сутки вперед», на некоторых также существуют внутридневные, балансирующие и фьючерсные рынки. 
Несмотря на проведенную либерализацию, во многих странах 
сохраняется существенная доля регулируемых поставок электроэнергии. В большей степени это касается новых членов ЕС — Болгарии, Эстонии, Литвы, Латвии, Венгрии, Польши, Румынии, Словакии, однако регулируемые тарифы для населения сохраняются 
и в некоторых странах с развитыми рынками, таких как Франция 
и Италия.