Введение в электроэнергетику и электротехнику
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 204
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0997-1
Артикул: 786152.02.99
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 электро-энергетических систем.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
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 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 CИ – 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