Введение в электроэнергетику и электротехнику


Д. В. Полковниченко, И. Б. Гуляева







                ВВЕДЕНИЕ




В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКУ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ





Рекомендовано ученым советом
ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для обучающихся образовательных учреждений высшего профессионального образования

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.3
ББК 31.2
     П51




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горной электротехники и автоматики Донецкого национального технического университета Маренич Константин Николаевич; доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электроэнергетики Луганского государственного университета им. В. Даля
Захарчук Александр Сидорович

     Полковниченко, Д. В.
П51       Введение в электроэнергетику и электротехнику : учебное пособие /
      Д. В. Полковниченко, И. Б. Гуляева. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2022. - 204 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0997-1

      Представлена краткая история становления и развития электроэнергетики, основные законы и общие вопросы электротехники. Даны характеристики электроэнергетических систем и сетей, общие закономерности генерирования, преобразования, накопления, передачи и использования электрической энергии, а также основы построения релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем. Приведены краткие сведения об электробезопасности и экологические проблемы, обусловленные ростом производства и потребления энергии.
      Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 13.00.00 «Электро- и теплоэнергетика». Может быть полезно для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и эксплуатацией электроэнергетических систем.

                                                           УДК 621.3
                                                           ББК 31.2








ISBN 978-5-9729-0997-1

     © Полковниченко Д. В., Гуляева И. Б., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

    СОДЕРЖАНИЕ


Предисловие........................................................6
Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов.........................................................8
Введение..........................................................10

Раздел № 1. Работа обучающегося в высшем учебном заведении........11

Раздел № 2. История развития электроэнергетики. Основные законы электротехники....................................................22
2.1. История открытий в электроэнергетике.........................23
2.2. Основные законы электротехники...............................27

Раздел № 3. Общие вопросы электротехники..........................36
3.1. Электрический ток и его параметры............................36
3.2. Электрическое поле...........................................37
3.3. Магнитное поле...............................................39
3.4. Источники напряжения (ЭДС) и тока............................40
Вопросы для самопроверки..........................................42

Раздел № 4. Электрические цепи и электрические величины...........44
4.1. Электрическое сопротивление и проводимость цепи..............44
4.2. Электрическая цепь...........................................45
  4.2.1. Элементы электрической цепи..............................45
  4.2.2. Способы соединения элементов электрической цепи..........47
  4.2.3. Электрические цепи переменного тока......................48
4.3. Электроизмерительные приборы.................................53
Вопросы для самопроверки..........................................59

Раздел № 5. Введение в электроэнергетику. Основные понятия........61
5.1. Физическая природа электричества.............................61
5.2. Свойства электроэнергии......................................61
5.3. Понятие об энергетической системе............................62
5.4. Классификация электрических сетей............................68
5.5. Режимы работы нейтрали электрических сетей...................71
  5.5.1. Сети с глухозаземленной нейтралью........................72
  5.5.2. Сети с эффективнозаземленной нейтралью...................72
  5.5.3. Сети с изолированной нейтралью...........................73
  5.5.4. Сети с компенсированной нейтралью........................75
5.6. Короткие замыкания в электрических системах..................76
  5.6.1. Общие сведения о коротких замыканиях......................76
  5.6.2. Причины и последствия возникновения коротких замыканий....78
Вопросы для самопроверки...........................................79

3

Раздел № 6. Способы производства электроэнергии. Типы электростанций...............................................81
6.1. Тепловые электрические станции...............................81
6.2. Атомные электрические станции................................89
6.3. Газотурбинные электростанции.................................93
6.4. Электростанции на основе использования возобновляемых источников энергии................................................94
  6.4.1. Гидравлические электрические станции.....................95
  6.4.2. Ветровые электростанции..................................98
  6.4.3. Солнечные электростанции................................100
  6.4.4. Геотермальные электростанции............................101
  6.4.5. Приливные гидроэлектростанции...........................102
6.5. Промышленные устройства хранения электроэнергии.............103
  6.5.1. Аккумуляторные электростанции...........................104
  6.5.2. Гидроаккумуляторное хранилище энергии...................107
  6.5.3. Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии.......109
  6.5.4. Другие способы накопления энергии.......................110
Вопросы для самопроверки.........................................113

Раздел № 7. Принцип работы и конструктивное исполнение основных элементов электроэнергетической системы..........................114
7.1. Синхронный генератор........................................114
7.2. Синхронный двигатель........................................120
7.3. Асинхронный двигатель.......................................122
7.4. Электродвигатели постоянного тока...........................125
7.5. Трансформаторы..............................................128
7.6. Воздушные линии электропередачи.............................132
7.7. Кабельные линии электропередачи.............................135
7.8. Самонесущие изолированные провода...........................139
Вопросы для самопроверки.........................................141

Раздел № 8. Передача электроэнергии на расстояние................142
8.1. Актуальность проблемы повышения пропускной способности ЛЭП...142
8.2. Современные тенденции и пути повышения пропускной способности линий электропередачи............................................144
  8.2.1. Использование современных конструкций проводов..........144
  8.2.2. Использование ЛЭП постоянного тока......................149
  8.2.3. Использование сверхпроводимости.........................151
  8.2.4. Другие способы повышения эффективности передачи электроэнергии.................................................152
Вопросы для самопроверки.........................................153

Раздел № 9. Преимущества объединения электроэнергетических систем.154
Вопросы для самопроверки.........................................160

4

Раздел № 10. Основы построения релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем.....................................161
10.1. Назначение релейной защиты и автоматики....................161
10.2. Функции и эффективность релейной защиты и автоматики.......162
10.3. Требования к релейной защите...............................163
10.4. Структурная схема релейной защиты..........................164
10.5. Основные алгоритмы функционирования защит..................166
10.6. Измерительные преобразователи..............................168
Вопросы для самопроверки.........................................170

Раздел № 11. Краткие сведения об электробезопасности.............171
11.1. Факторы, влияющие на степень поражения человека
электрическим током..............................................171
11.2. Причины поражения человека электрическим током и электротравмы..................................................176
11.3. Технические способы и средства защиты человека от поражения электрическим током..............................................179
11.4. Меры первой помощи при поражении человека электрическим током..............................................184
Вопросы для самопроверки.........................................185

Раздел № 12. Влияние энергетики на окружающую среду..............186
12.1. Влияние человеческой деятельности на биосферу..............186
12.2. Воздействие электростанций на окружающую среду.............188
12.3. Воздействия на окружающую среду при транспортировке и распределении электроэнергии...................................191
Вопросы для самопроверки.........................................193

Глоссарий........................................................194
Перечень рекомендуемой литературы................................201

5

    ПРЕДИСЛОВИЕ

кжгжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжжгжйжжжжжжжжжажйжажйжаа


     В учебном процессе для начинающего студента, мало знающего о своей профессии, очень важное место занимают дисциплины, дающие представление обо всех разделах электроэнергетики и электротехники, их взаимосвязях, об электроэнергетических системах и основных, происходящих в них процессах преобразования, передачи и потребления электроэнергии.
     К таким общеэлектроэнергетическим дисциплинам, которые читаются на электротехническом факультете ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» студентам по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» при подготовке бакалавров по профилю «Электроэнергетические системы и сети», относятся: «Введение в специальность» и «Технология производства электроэнергии».
     Учебное пособие разработано в полном соответствии с рабочими программами дисциплин, утверждёнными в ДОННТУ для указанного профиля подготовки.
     Целью дисциплин «Введение в специальность» и «Технология производства электроэнергии» является освоение дисциплинарных компетенций по общему представлению о направлении подготовки бакалавров 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», которые позволят студентам адаптироваться к обучению в университете, сформировать у них представление о требованиях, предъявляемым к бакалаврам, будущей специальности и её месте в современном обществе, а также получение студентами базовых знаний в вопросах производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии для дальнейшего углублённого изучения специальных дисциплин.
     Для успешного усвоения дисциплин необходимо знание математики и физики в объеме программы средней школы. Усвоение дисциплины должно способствовать успешному изучению общеобразовательных и специальных дисциплин.
     Авторами учтён опыт многолетнего преподавания дисциплин на кафедре «Электрические системы» ДОННТУ.
     В учебном пособии рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с работой обучающегося в вузе; краткой историей становления и развития электроэнергетики и электротехники; основными законами и общими вопросами электротехники; характеристиками электроэнергетических систем и сетей; принципами выработки электроэнергии на электростанциях различного типа (в том числе, с использованием возобновляемых источников энергии); конструкцией и принципом действия основных элементов по выработке, передаче, преобразованию, потреблению и накоплению электроэнергии; основами построения релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем; краткими сведения об электробезопасности и экологическими проблемами, обусловленными ростом производства и потребления энергии.

6

      Авторы стремились изложить материал компактно, логично в той последовательности, в которой он преподаётся, в соответствии с учебно-методическими картами дисциплины.
      При этом построение учебного пособия таково, что легко предусматривает возможность выборочного использования его материала во всех случаях, когда данная дисциплина, по каким-либо причинам, излагается в несколько изменённой или сокращенной форме.
      Для контроля степени усвоения изучаемого материала по всем темам (кроме 1-2) разработаны контрольные вопросы для осуществления самопроверки.
      При подготовке настоящего учебного пособия авторы пользовались многочисленными работами, связанными с историей развития и основными вопросами электротехники и электроэнергетики, характеристиками электроэнергетических систем и сетей, принципами работы электростанций и основного электротехнического оборудования и др. Учитывая его характер, соответствующие ссылки на первоисточники осуществлялись в тексте не всегда. Отметим также, что приведенный в пособии перечень использованных литературных источников, не является полным и рассчитан, в основном, на возможности обучающихся.
      Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам: Мареничу Константину Николаевичу - д.т.н., профессору, заведующему кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р. М. Лейбова» ГОУВПО «ДОННТУ» и Захарчуку Александру Сидоровичу - д.т.н., профессору, профессору кафедры «Электроэнергетика» ГОУВО ЛНР «ЛГУ им. В. Даля», а также Ларину Аркадию Михайловичу - профессору кафедры «Электрические системы» ГОУВПО «ДОННТУ» за замечания и полезные советы, позволившие улучшить учебное пособие.

7

    ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ




     АВР - автоматическое включение резерва
     АД - асинхронный двигатель
     АРВ - автоматическое регулирование возбуждения
     АПВ - автоматическое повторное вкючение
     АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом
     АЧР - автоматическая частотная разгрузка
     АЦП - аналого-цифровой преобразователь
     АЭС - атомная электрическая станция
     ВАХ - вольт-амперная характеристика
     ВИЭ - возобновляемые источники энергии
     ВЛЭП - воздушная линия электропередачи
     ВН - высшее напряжение
     ВЭС - ветровая электрическая станция
     ВЭУ - ветроэнергетическая установка
     ГАЭС - гидроаккумулирующая электрическая станция
     ГеоТЭС - геотермальная электрическая станция
     ГТУ - газотурбинная установка
     ГТУЭС - газотурбинная электрическая станция
     ГЭС - гидравлическая электрическая станция
     ДПТ - двигатель постоянного тока
     ДЭС - дизельная электрическая станция
     КГЭС - когенерационная электрическая станция
     КЗ - короткое замыкание
     КЗР - короткозамкнутый ротор
     КЛЭП - кабельная линия электропередачи
     КПД - коэффициент полезного действия
     ЛЭП - линия электропередачи
     НН - низшее напряжение
     ПГУ - парогазовая установка
     ПДК - предельно допустимая концентрация
     ПВД - подогреватель высокого давления
     ПНД - подогреватель низкого давления
     ПТУ - паротурбинная установка
     ПТЭ - Правила технической эксплуатации

8

     ПУЭ - Правила устройства электроустановок
     ПЭС - приливная электрическая станция
     РЗ - релейная защита
     РЗА - релейная защита и автоматика
     РП - распределительный пункт
     РПН - регулирование напряжения под нагрузкой
     РУ - распределительное устройство
     СВН - сверхвысокое напряжение
     СГ - синхронный генератор
     СД - синхронный двигатель
     СИ - Международная система единиц
     СИП - самонесущий изолированный провод
     СКД - сверхкритическое давление
     СН - среднее напряжение
     СПИН - сверхпроводниковый индуктивный накопитель
     СЭС - гелиоэлектростанция или солнечная электрическая станция
     ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент
     ТН - трансформатор напряжения
     ТТ - трансформатор тока
     ТЭС - тепловая электрическая станция
     ТЭЦ - теплоэлектроцентраль
     УВБ - уровень верхнего бьефа
     УЗО - устройство защитного отключения
     УНБ - уровень нижнего бьефа
     ЭДС - электродвижущая сила
     ЭИП - электроизмерительный прибор
     ЭС - электрическая станция
     ЭЭС - электроэнергетическая система

9

    ВВЕДЕНИЕ



     Современную человеческую цивилизацию невозможно представить без использования электрической энергии. Электрическая энергия широко используется в промышленности для приведения в действие самых различных механизмов и непосредственно в технологических процессах, на транспорте и бытовом уровне. Работа всех современных средств коммуникации основана на применении электрической энергии. Без неё невозможно было бы развитие кибернетики, вычислительной и космической техники и т. д.
     Среди различных видов энергии, используемой людьми, электроэнергия выделяется рядом существенных достоинств. К ним относятся относительная простота её производства, возможность передачи на очень большие расстояния, простота преобразования в механическую, тепловую, световую и иную энергию, что делает электроэнергетику важнейшей отраслью жизнедеятельности человека.
     Процессы, происходящие при производстве, распределении, потреблении электрической энергии, неразрывно взаимосвязаны. Также взаимосвязаны и объединены установки по выработке, преобразованию, передаче, распределению и потреблению электроэнергии. Такие объединения называются электроэнергетическими системами (ЭЭС).
     Электроэнергия вырабатывается на специальных предприятиях - электростанциях (ЭС), преобразующих в электрическую другие виды энергии: химическую энергию топлива, энергию воды и ветра, атомную энергию и др. Выработанная электростанцией электроэнергия передаётся по воздушным или кабельным линиям электрических сетей различным потребителям.
     Помимо основных силовых элементов ЭЭС (генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, электродвигатели) для повышения надёжности электроснабжения потребителей и обеспечения качества электроэнергии используются различные вспомогательные устройства и аппараты (коммутационная аппаратура, измерительные трансформаторы, устройства защиты от перенапряжений и т. д.), а также устройства релейной защиты и автоматики.
     Поскольку энергетика - это та область хозяйственно-экономической деятельности человека, которая касается всех отраслей промышленности и народного хозяйства, то данное учебное пособие будет полезно не только для студентов и абитуриентов - будущих электроэнергетиков, но и для обучающихся других специальностей. Общие представления о производстве, преобразовании, распределении и использовании энергетических ресурсов всех видов - необходимы любому образованному человеку. Поэтому учебное пособие можно рекомендовать в качестве ознакомительной литературы для специалистов всех уровней образования любого технического направления подготовки.

10

    РАЗДЕЛ № 1.
    РАБОТА ОБУЧАЮЩЕГОСЯ
    В ВЫСШЕМ УЧЕБНОМ ЗАВЕДЕНИИ



     Процесс обучения имеет три составляющие: понимание, знание, умение.
     Каждая из этих составляющих требует своего подхода, и все эти составляющие необходимы для самостоятельной деятельности специалиста. Можно, например, понимать явление, однако, не обладая соответствующими навыками, не уметь спроектировать, сделать ту или иную установку. Понимание, в свою очередь, предполагает самостоятельность при подходе к решению задач, возникающих во время обучения в высшей школе. Основным при выработке самостоятельности является организация работы студентов, включая и работу во время слушания лекций. Иногда справедливо говорят, что высшее образование - это умелая ориентация учащейся молодежи, плюс её самостоятельная работа.
     Отдельные составляющие учебного процесса, такие как лекции, упражнения, лабораторные работы и т. д., закрепляются и превращаются в единую систему знаний только самостоятельной работой студентов. Лекции, кажущиеся на первый взгляд пассивной формой учебного процесса, в действительности должны быть активными. Для студента они не должны сводиться к переписыванию в тетрадку слов лектора и выписываемых им на доске формул. Лекции -это творческое, активное восприятие слушателями материала, тут же, на лекции, осмысливаемого.
     Для слушателя наиболее важно научиться выделять в лекции изложение логики основного содержания, канву математического доказательства, не запутавшись при этом в деталях. Манерой изложения, интонацией голоса лектор подчеркивает главные, принципиальные положения лекции, на которые нужно студентам обратить внимание.
     Важность работы с книгой очевидна. Но очевидно и то, что книга остаётся равнодушной к переживаниям учащихся, а лектор реагирует на то, как воспринимает материал аудитория. Если нужно повторить отдельные части, положения или замедлить темп чтения лекции, то лектор всегда может делать это для лучшего усвоения материала учащимися. Слушая лекцию, не нужно распылять внимание на мелочи, если они даже и непонятны, их следует отмечать на полях конспектов, позднее выясняя у лектора или его ассистента.
     На лекции излагается не только конкретное содержание предмета, например доказательство теоремы, но и происходит демонстрация лектором того, как наука вообще подходит к доказательству своих положений, как в технике решаются такого рода задачи.
     На лекции в концентрированном виде даётся историческое развитие техники, излагается научный метод, обобщается опыт многих лет. Поэтому следует обращать внимание на широту постановки задачи и стремиться получить представление о затронутой технической и научной проблеме в целом.

11

      Нельзя не повторить, хотя это звучит и тривиально, что студенту в университете нужно, прежде всего, научиться учиться, получить прочный запас знаний. А получить этот запас знаний студенту не просто. Здесь имеется ряд трудностей.
      Во-первых, те конкретные знания, которые даются в вузе, могут со временем устареть, и выпускник в своей практической работе столкнётся с совершенно иной техникой. Поэтому за годы учёбы важно усвоить основные принципы развития, получить фундаментальные знания, овладеть методологией исследований, чтобы впоследствии можно было быстро, «на ходу» подключиться к развитию техники.
      Во-вторых, прочные знания нельзя получить заучиванием. Прочные знания предполагают глубокое понимание изучаемого материала. И эту способность глубоко проникать в суть рассматриваемых вопросов нужно развивать, стремиться быстро схватывать новые идеи и использовать их при решении своих практических задач и, главное, нужно воспитывать в себе интеллигентность, подвижность и остроту ума. При такой постановке задачи обучение не исчерпывается только знаниями. Знание - это необходимое, но ещё не достаточное условие, чтобы быть хорошим инженером.
      Известный немецкий физик Лауэ говорил, что образование - это то, что остаётся, когда всё выученное забывается. Это изречение несколько рискованное, если попытаться дословно его применять при подготовке к экзаменам, и его, конечно, нельзя понимать буквально, но к мудрому зерну, заключённому в нём, полезно отнестись серьёзно. Здесь верно подмечено, что самое важное -развивать свой ум, учиться мыслить критически, творчески и активно. Эти качества рождаются в процессе обучения.
      Если не подходить к изучаемым предметам с широких позиций, заниматься зазубриванием конкретного материала, то настоящего инженера, в полном смысле этого слова, из такого студента не получится - из стен института выйдет монтёр с дипломом инженера.
      Лекция относится к одному из наиболее ответственных видов учебного процесса. Именно лекция должна продемонстрировать логику рассуждений, дать сжатый обзор научной мысли за десятилетия и столетия, ввести слушателя в храм современной науки, а не только в ремесленную мастерскую техники.
      Между тем во многих, а может быть и в большинстве случаев, на лекциях именно те важные мысли, которые излагаются лектором, те основные физические соображения, те предположения и канва, вокруг которой строится ход доказательства, те условия, которые кладутся в основу доказательства, самостоятельная убеждённость и истинное усвоение постановки вопроса, меньше всего привлекают внимание аудитории. Зачастую принципиальные мысли и положения лектора просто не отражаются в студенческом конспекте, и напротив, в любом конспекте наверняка достаточно тщательно оказываются записанными все математические преобразования, хотя бы самые элементарные, которые можно было бы принять «на веру», предполагая, что в своё время они были правильно сделаны, и которые легко найти в учебнике. Очень плохо, когда нет мыслей в конспекте, на много такого рода записей. Даже в математике, где раз

12

личные выводы - выкладки обычно занимают много места, всё же они играют только вспомогательную роль; ими надо владеть, но они должны рассматриваться в качестве вспомогательных операций; иными словами, их не надо выделять на первый план.
     Часто слушание лекций, работа на лекции сводятся только к тому; чтобы проследить и переписать в конспект математические выкладки лектора и окончательную формулу. Эта неправильно, и здесь слушатель должен заставить себя обращать внимание на качественную сторону дела.
     Инженер с математическими выкладками имеет дело всю жизнь, но математику надо правильно оценивать, как мощный вспомогательный аппарат, как острое оружие, которым можно ранить и себя, если неумело им пользоваться.
     Часто очень серьёзный вывод можно получить и без сложных математических выкладок, но бывает и наоборот: громоздкие математические вычисления являются только видимостью, никакого серьёзного подтверждения важного технического решения не дают.
     У инженера, который ни в высшей школе, будучи студентом, ни в своей последующей деятельности не получил достаточной интеллигентности ума, обычно появляется своеобразная фетишизация математических формул и математических методов без оценки заложенных в них ограничений, без учёта условий их получения и, следовательно, условий их практического использования. Таким инженерам кажется, что длинная формула, в которой очень много интегралов, всегда весьма «научна», и «строга», и «полезна». Когда же начинают применять такую формулу, то нередко оказывается, что она для данных условий ошибочна или не представляет практической ценности, так как математика вообще, а инженерная математика особенно, нуждаются в правильной постановке задачи, т. е. в первую очередь, в соответствии поставленной цели принятым допущениям - аппарату математики.
     В математических выкладках и формулах надо стремиться разглядеть физический и логический смысл. Именно поэтому студенту нужно, прежде всего, понять важность концентрации основного внимания на ходе рассуждений лектора, на тех идеях, положениях и допущениях, которые показывают подход к решению проблемы. Нужно обратить особое внимание на критический подход к идеям и фактам, высказываемым лектором.
     Как же нужно слушать лекции? Часто внимание слушателя сосредотачивается только на механической записи того, что появляется на доске (экране), поэтому за ходом рассуждения, за его логикой он следить уже не может, хотя именно это должно быть наиболее существенным. Основным на лекции должно быть понимание мыслей и идей лекции, а не только фактов и формул. Как говорил И. П. Павлов, если в голове нет идеи, то не видишь и фактов.
     Слушателю надо уметь отдыхать во время лекции, но при этом и не упускать основных мыслей, высказываемых лектором, фиксируя, прежде всего, именно их. Главное внимание должно быть сосредоточено вокруг основных идей рассматриваемого вопроса, вокруг того стержня идей, которые преподносятся на лекции и составляют её главную ценность.

13