Электроэнергетика — ведущая область энергетики

Энергетика

Лекция № 3-4

1) энергетическая наука — наука о закономерностях процессов и явлений, прямо или косвенно связанных с получением, преобразованием, передачей, распределением и использованием различных видов энергии, о совершенствовании методов прогнозирования и эксплуатации энергетических систем, повышении кпд энергетических установок и уменьшении их экологического влияния на природу.

2) Энергосистема — топливно-энергетический комплекс страны, область народного хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии. Ведущая область энергетики — электроэнергетика. В энергосистему входят системы электроэнергетические, снабжения различными видами топлива (продукцией нефтедобывающей, газовой, угольной, торфяной и сланцевой промышленности), ядерной энергетики, обычно объединяемые в масштабах страны в Единую энергетическую систему.

Электроэнергетика, ведущая составляющая часть энергетики, обеспечивающая электрификацию хозяйства страны на основе рационального производства и распределения электроэнергии. Э. имеет важное значение в хозяйстве любой промышленно развитой страны, что объясняется такими преимуществами электроэнергии перед энергией других видов, как относительная лёгкость передачи на большие расстояния, распределения между потребителями, а также преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.). Отличительной чертой электроэнергии является одновременность её генерирования и потребления.

Основная часть электроэнергии вырабатывается крупными электростанциями: тепловыми (ТЭС), гидравлическими (ГЭС), атомными (АЭС). Электростанции, объединённые между собой и с потребителями высоковольтными линиями электропередачи (ЛЭП), образуют электрические системы. В Советском Союзе вопросы развития Э. всегда были в числе основных вопросов развития народного хозяйства. Советская Э. занимает передовые позиции в мире. Электрификация страны базируется, с одной стороны, на научных достижениях, с другой — на успехах промышленности.

В СССР основные научные исследования в области Э. проводятся в Государственном научно-исследовательском энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва), НИИ Энергосеть-проект (Москва), Всесоюзном электротехническом институте им. В. И. Ленина (ВЭИ, Москва), Всесоюзном НИИ постоянного тока (НИИПТ, Ленинград), Всесоюзном НИИ источников тока (ВНИИТ, Москва), Всесоюзном НИИ электромашиностроения (Ленинград), Сибирском энергетическом институте СО АН СССР (Иркутск), институте электродинамики АН УССР (Киев), многих вузах (Московском энергетическом институте, Ленинградском политехническом и электротехническом институтах) и др. Существенный вклад в развитие Э. внесли советские учёные Г. М. Кржижановский, А. В. Винтер, Р. Э. Классон, В. Ф. Миткевич, М. П. Костенко, Л. Р. Нейман, М. А. Шателен, А. А. Горев, П. С. Жданов, С. А. Лебедев, К. А. Круг, Г. Н. Петров и др., а также И. А. Глебов, Д. Г. Жимерин, Н. С. Лидоренко, М. В. Костенко, В. И. Попков, В. М. Тучкевич и многие другие.

На базе научных достижений Э. созданы электротехническая промышленность и энергетическое машиностроение, которые производят практически все основные виды электротехнического и энергетического оборудования: котло- и турбоагрегаты, электродвигатели и электромашинные генераторы, трансформаторы, электрические аппараты, средства автоматики и защиты, оборудование для ЛЭП. Значительно возрос уровень проектирования энергетических объектов и эксплуатации электроэнергетических систем, разработаны методы достижения совместной устойчивой работы электрических сетей большой протяжённости. Принцип концентрации реализован при сооружении тепловых электростанций единичной мощностью до 3 Гвт (Криворожская ГРЭС-2 и др.), гидроэлектростанций мощностью 4—6 Гвт (Братская, Красноярская и др.), атомных электростанций мощностью 4 Гвт (Ленинградская) и др.

Создание материальной базы Э. идёт, с одной стороны, в направлении строительства АЭС, ТЭЦ, работающих на органическом топливе, манёвренных ТЭС и ГЭС, а также гидроаккумулирующих установок в Европейской части страны, и, с другой стороны,— по пути расширения строительства ТЭС и ГЭС в восточных районах, где для производства электроэнергии выгодно использовать дешёвые гидроресурсы и угли Северного Казахстана и Сибири. Наряду с этим проводятся исследования и промышленные эксперименты в области новых методов получения электроэнергии (реакторы на быстрых нейтронах, магнитогидродинамические генераторы и др.). Развитие принципа централизации электроснабжения логически привело вначале к образованию районных, затем 9 объединённых электроэнергетических систем и впоследствии к формированию Единой электроэнергетической системы (ЕЭЭС) Европейской части СССР, а затем всей страны, как важнейшей основы планомерной электрификации. С 1976 ЕЭЭС СССР работает совместно с электроэнергетическими системами стран — членов СЭВ.

К середине 70-х гг. она имела общую установленную мощность (в пределах СССР) более 150 Гвт при общей мощности электростанций СССР около 220 Гвт. Для централизации электроснабжения потребовалось строительство новых высоковольтных (напряжением 35 кв и выше) линий электропередачи. Их протяжённость возросла со 167 тыс. км в 1960 почти до 600 тыс. км в 1975. Централизация производства электроэнергии в 1976 составила 97% от общего производства. Получили развитие также автономные электрические системы, как правило, — специального назначения (например, космические, судовые и др.). Э. занимает ведущее место в энергетике страны, является материальной основой роста обществ. производительности труда. Производство электроэнергии к 1977 превысило 1 триллион квт·ч (см. Электрификация). Постоянное повышение доли электроэнергии в конечном потреблении энергии (с 5—6% в 1960 до 15—18% в 1975) является важной тенденцией развития Э. Так, за 20 лет (начало 50-х — начало 70-х гг.) уровень потребления подведённой электроэнергии по всем группам процессов (силовым, высокотемпературным и др.) повысился на 350 млрд. квт·ч, прирост полезного потребления электроэнергии составил 200 млн. Гкал, что обеспечило экономический эффект в 12—13 млрд. руб. К 1977 в СССР завершена экономически обоснованная электрификация силовых стационарных процессов. Возросло использование электроэнергии в промышленности на технологические нужды (в т. ч. особенно в станкостроении, с.-х. машиностроении, электротехнической и химической промышленности и в цветной металлургии), на ж.-д. транспорте (доля перевозок по электрифицированным железным дорогам составила около 50%); на нужды городского и трубопроводного транспорта, с.-х. производства, быта. В зарубежных социалистических странах развитие Э. характеризуется увеличением объёмов производства Э. нарастающими темпами. Производство электроэнергии на душу населения в год в 1975 составило от 1,9 тыс. квт·ч (ВНР) до 5 тыс. квт·ч (ГДР).

Электротехника (от электро... и техника) – это отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека.

Исторический обзор. Возникновению Э. предшествовал длительный период накопления знаний об электричестве и магнетизме, в течение которого были сделаны лишь отдельные попытки применения электричества в медицине, а также для передачи сигналов. В 17—18 вв. исследованию природы электрических явлений были посвящены труды М. В. Ломоносова. Т. В. Рихмана, Б. Франклина, Ш. О. Кулона, П. Дивиша и др. Для становления Э. решающее значение имело появление первого источника непрерывного тока — вольтова столба (А. Вольта, 1800), а затем более совершенных гальванических элементов, что позволило в 1-й трети 19 в. провести многочисленные исследования химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим током (труды В. В. Петрова, X. К. Эрстеда, Д. Ф. Араго, М. Фарадея, Дж. Генри, А. М. Ампера, Г. С. Ома и др.). В этот период были заложены основы электродинамики, открыт важнейший закон электрической цепи — Ома закон. Среди попыток практического использования результатов этих достижений наиболее значительными были работы в телеграфии (электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга, 1832), в военном деле (гальваноударные морские мины Б. С. Якоби, 1840-е гг.), в области электрических измерений (индикатор электрического тока, т. н. мультипликатор, австрийского учёного И. К. Швейгера, 1820).

Создание надёжных источников тока сделало возможным удовлетворение возросших потребностей в электрической энергии для практических целей. Дальнейшее развитие Э. связано с возникновением электротехнической промышленности и массовым распространением электрического освещения, которое в 50—70-х гг. 19 в. заменило газовое. Идея применения электрической энергии для освещения была высказана Петровым в 1802 после открытия дуги электрической. Первыми электрическими источниками света были разнообразные дуговые угольные лампы, среди которых наиболее дешёвой и простой была «свеча Яблочкова» (П. Н. Яблочков, 1876). В 1870—75 А. Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания, усовершенствованных позднее Т. А. Эдисоном и получивших преимущественное распространение к 90 м гг. 19 в. Достижения в создании и применении электрических источников света оказали существенное влияние на становление и развитие светотехники. С распространением электрического освещения связано создание электроэнергетических систем. Уже в первых осветительных устройствах Яблочкова имелись все основные элементы энергосистем: первичный двигатель, генератор, линия электропередачи, трансформатор, приёмник энергии.

Начало применению электроэнергии для технологических целей положили ещё работы Якоби (1838), предложившего использовать электрический ток для получения металлических копий и для нанесения металлических покрытий (см. Гальванотехника). Но расширение области практического использования электрической энергии стало возможно лишь в 70—80-е гг. 19 в. с решением проблемы передачи электроэнергии на расстояние. В 1874 Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об экономической целесообразности производства электроэнергии в местах, где имеются дешёвые топливные или гидроэнергетические ресурсы, с последующей передачей её к потребителю. В 1880—81 Д. А. Лачинов и М. Депре независимо друг от друга предложили для уменьшения потерь электроэнергии в линии электропередачи (ЛЭП) использовать ток высокого напряжения. Первая линия электропередачи на постоянном токе была построена Депре в 1882 между городами Мисбахом и Мюнхеном (длина линии 57 км, напряжение в ней 1.5—2 кв). Однако попытки осуществить электропередачу на постоянном токе оказались неэффективными, т. к., с одной стороны, технические возможности получения постоянного тока высокого напряжения были ограничены, а с другой — было затруднено его потребление. Поэтому наряду с использованием для передачи электроэнергии постоянного тока велись работы по применению в тех же целях однофазного переменного тока, напряжение которого можно было изменять (повышать и понижать) с помощью однофазного трансформатора. Создание промышленного типа такого трансформатора (О. Блати, М. Дери, К. Циперновский, 1885, и др.) по существу решило проблему передачи электроэнергии. Однако широкое распространение однофазного переменного тока в промышленности было невозможно из-за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли требованиям промышленного электропривода, и поэтому применение однофазного переменного тока ограничивалось лишь установками электрического освещения.

В 70—80-е гг. 19 в. электроэнергию начали использовать в технологических процессах: при получении алюминия, меди, цинка, высококачественных сталей: для резки и сварки металлов; упрочнения деталей при термической обработке и т. д. В 1878 Сименс создал промышленную конструкцию электроплавильной печи. Методы дуговой электросварки были предложены Н. Н. Бенардосом (1885) и Н. Г. Славяновым (1891).

К концу 70-х гг. относятся также первые попытки использования электроэнергии на транспорте, когда Пироцкий провёл испытания вагона, на котором был установлен электрический тяговый двигатель. В 1879 Сименс построил опытную электрическую дорогу в Берлине. В 80-е гг. трамвайные линии были открыты во многих городах Западной Европы, а затем в Америке (США). В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892. В 90-е гг. электрическая тяга была применена и на подземных железных дорогах (в 1890 в Лондонском метрополитене, в 1896 — в Будапештском), а затем на магистральных железных дорогах.

В конце 19 в. промышленное использование электроэнергии превратилось в важнейшую комплексную технико-экономическую проблему — наряду с экономичной электропередачей необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания многофазных, в частности трёхфазных, систем (см. Трёхфазная цепь) переменного тока. Над этой проблемой работали многие инженеры и учёные (Н. Тесла, американский учёный Ч. Брэдли, немецкий инженер Ф. Хазельвандер и др.), но комплексное решение предложил в конце 80-х гг. М. О. Доливо-Добровольский, который разработал ряд промышленных конструкций трёхфазных асинхронных двигателей, трёхфазных трансформаторов, и в 1891 построил трёхфазную линию электропередачи Лауфен — Франкфурт (длина линии 170 км).