Покорение электротока

Но щелчок выключателя означает, что мы забрали себе «порцию» электроэнергии, поворот водопроводного крана – и уже чуть больше электричества забрал себе насос, который подал вам воду.

И так далее – едва ли не каждый наш шаг на протяжении дня требует больших или маленьких порций электроэнергии.

Она светит, она греет, она подает воду и забирает «продукты жизнедеятельности», она помогает заполнить бак автомобиля, перемещает троллейбусы и вагоны метро, обеспечивает работу всевозможных гаджетов и всех способов связи.

Мы так привыкли к ней, что без нее в наших каменных джунглях мгновенно становимся беспомощными, растерянными. Не работают лифты, темно в подъезде – и мы уже на грани паники, мы уже начинаем метаться из стороны в сторону.

За кулисами нашего комфорта, ставшего привычным, незаметным – работа огромной «вселенной», вселенной электрохозяйства. Стремительно вращаются роторы турбин электростанций, ровно гудят провода линий электропередач и какие-то малопонятные нам «коробки» электрических подстанций и трансформаторов. В этой «вселенной электричества» действуют свои законы – незыблемые, они определяют правила работы для всех генерирующих мощностей, преобразователей электроэнергии и линий передач.

http://geoenergetics.ru/2017/10/10/elektricheskij-tok-otkuda-on-beretsya-i-kak-dobiraetsya-do-nashix-domov/

Законы электричества удивительны тем, что их зачастую открывали не теоретически, а экспериментально, и только после многократного повторения этих экспериментов появлялась теория. Веком электричества стал XIX век – время удивительное, когда ученые вынуждены были быть и экспериментаторами, и теоретиками, когда они, что называется, «работали и головой, и руками».

Но нам повезло – эти люди работали хорошо, законы, выведенные ими, действуют безотказно. Их трудами мы научились управлять могучими потоками электроэнергии, передавая и переделывая их под свои нужды. Рассказать обо всех законах – Фарадея и Ома, Максвелла и Кирхгофа, Джоуля и Ленца – не так просто и не так быстро.

Аналитический онлайн-журнал «Геоэнергетика.ru» расскажет самое главное, самое важное – то, что определяет привычные черты нашего с вами настоящего. Дорогу осилит идущий!

Производство электроэнергии

До сегодняшнего дня мы научились получать электроэнергию четырьмя основными путями, т.е. сразу из одного в другое: 1) преобразуя механическую энергию, 2) химическую энергию, 3) световую энергию — в общем случае фотонов, испускаемых нашим солнцем, 4) тепловую энергию – термопара как пример.

В стороне стоит неосновной, но тоже эффективный способ нагрева теплоносителя нейтронами, испускаемыми в процессе ядерной реакции деления. Это тепло затем переводится в водяной пар, который крутит турбину, а та, в свою очередь, генератор. Т.е. это всё равно частный случай прямого преобразования механической энергии в электрическую, как и использование двигателей всех мастей, включая гидро- и ветро-установки. Очевидно, что на этом же принципе работают все электростанции, использующие ископаемые виды топлива (уголь, газ, мазут и пр.), ведь и тут тепло переводится в водяной пар или поток раскаленных газов, который крутит турбину – и далее по той же схеме.

Преобразованием химической энергии занимаются батареи, включая аккумуляторы. Только в отличие от батарей, делающих это в одну стадию (химическая энергия -> электрическая энергия), аккумуляторы проделывают это в две стадии: электрическая энергия -> химическая -> опять электрическая. Отсюда они и получили название.

Про преобразование энергии фотонов нам прожужжали уши последние годы, поэтому наверняка многие знают, что этим занимаются солнечные батареи.

Как вы видите, именно  преобразованию механической энергии мы обязаны около 98% мирового производства электроэнергии на настоящий день. Но как же мы к этому пришли?

В середине 19-го века был сформулирован и экспериментально подтвержден так называемый закон электромагнитной индукции Фарадея. Есть несколько его формулировок в интегральных и дифференциальных формах, но основную идею можно выразить просто:

E = B x L x V

где Е – электродвижущая сила (ЭДС); В – магнитная индукция, представляющая собой магнитную «силу»; L – длина проводника, которую пересекает магнитное поле; V – скорость движения проводника в поле или, что равнозначно, скорость движения поля по отношению к проводнику.

Большинство ученых того времени отклонили теоретические идеи Фарадея в основном потому, что они не были сформулированы математически, но согласились с ними, когда Максвелл на их базе вывел знаменитые уравнения для уже своей количественной электромагнитной теории, подтверждаемой экспериментально.

Картинка внизу показывает схему эксперимента, который доказывает закон электромагнитной индукции. Несмотря на то, что схема кажется примитивной современному глазу, следует понимать, что додуматься до этой конфигурации в те времена требовало недюжинного интеллекта. Примерно как изобрести колесо.

https://imgprx.livejournal.net/0984628f960b61b0b08c0749fd277ef2e1516776/2aiA9MaZx1aFoxKdL0LqSgK8oRlrWjNEJ6tOb1I3wQSModbSI9o1jUOZScOxwUXSlO7h4JsvqsnlHXOKSqcfksPTielb31SBjVPUl0scKDw

Схема эксперимента Майкла Фарадея

Что мы имеем на этой картинке, определившей наше настоящее? А именно то, что указано в вышеприведенной формуле: чем быстрей крутишь рамку, чем выше ЭДС на зажимах контактных колец; или чем длиннее рамка, тем выше та же ЭДС; а также чем мощней магнит, тем опять же выше ЭДС.

Если представить, что невидимые магнитные линии, соединяющие полюса магнита, это стойки забора, а по ним стучит прутик в руках проходящего мимо человека — прутиком в данном случае выступает рамка, которая может быть и прямым проводником, – то чем быстрее идти / прижимать прутик к забору, тем отчетливее звук (ЭДС).

С самого начала для всех, кто проводил этот эксперимент, было ясно, что схема обратима, а именно точно так же можно вращать постоянный магнит вокруг неподвижного проводника, получая те же результаты.

Однако более всего хотелось заставить рамку или магнит вращаться саму без воздействия внешней механической силы, ведь это был прямой путь к созданию электродвигателя. Но на этом пути стояла проблема создания равномерно вращающегося магнитного поля, чтобы оно вращалось само по себе без приложения механических сил.

Над этой проблемой ломали голову многие умы, и один из них пришел к гениальному решению. Это был русский ученый Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1861-1919). Патенты, полученные им, доживи он до наших дней, сделали бы его даже не мульти-миллиардером, а мульти-триллионером.

Ведь 3-фазный двигатель переменного тока с беличьей клеткой ротора рабочая лошадь нынешней индустрии – это его изобретение, как и в целом переход к трёхфазной системе, создающей равномерно вращающееся магнитное поле. Если лирики-филологи пугаются непонятности слова «ротор», то специально для них физики придумали простое напоминание:

«Статор — это то, что стАит, ротор – то, что врОщается»

Достаточно хорошо знать грамматику русского языка – и вы уже почти инженер!

Отличительной особенностью изобретения явилось использование для создания такого поля всего лишь трёх проводов. Следующая картинка, на которой изображена схема трехфазного генератора, демонстрирует это.

https://imgprx.livejournal.net/b32fd5dccb0d65f25c50cc54227e9b3f9779e92e/2aiA9MaZx1aFoxKdL0LqSgK8oRlrWjNEJ6tOb1I3wQSModbSI9o1jUOZScOxwUXSlO7h4JsvqsnlHXOKSqcfkpfu1dD_lvnmQ1bSiRdgkJs

Трехфазный синхронный двигатель

где 1 – статор c трехфазной обмоткой;
2 – ротор-электромагнит с обмоткой возбуждения;
n1 – направление вращения с частотой n;
ПД – приводной (первичный двигатель);
N – северный полюс магнита;
S – южный полюс магнита.

Знатоки индустрии могут возразить, что картинка относится к 3-х фазному генератору переменного тока, но в ней ценно понимание, как из трех проводов создается вращающееся магнитное поле. Ведь если заменить «ПД» (что означает «первичный двигатель; допустим, турбина) на «ПН» (полезная нагрузка), то картинка начинает относиться уже к синхронному двигателю.

Теперь, как всё это работает?

А очень просто! Любой, кто в детстве играл с постоянными магнитами, знает, как сильно они прилипают друг к дружке, когда их сближаешь разноименными полюсами («южный» и «северный», соответственно S и N).

И с какой силой они могут отталкиваться, если эти полюса одноименные. Остается представить, как по статору с катушками бегут два полюса – с одной стороны южный, а с противоположной стороны – северный, и как они «сцепляются» с вращающимся ротором, в катушку которого подается постоянный магнитный ток.

Главное требование здесь, чтобы в катушки статора подавался переменный ток, отстающий в каждой следующей фазе (С1, С2, С3) на 120 градусов. Три фазы умножаем на 120 – получаем 360, то есть полный круг.

На экране 3-фазного осциллографа эти фазы выглядят примерно так:

https://imgprx.livejournal.net/47ab2fa5967522779dc8e4cbbe436682090d7969/2aiA9MaZx1aFoxKdL0LqSgK8oRlrWjNEJ6tOb1I3wQSModbSI9o1jUOZScOxwUXSlO7h4JsvqsnlHXOKSqcfkls_btdvw4H_blPEs-PHCVA

У отдельных товарищей может возникнуть вопрос: почему здесь изображена синусоида? Таких товарищей следует отослать к учебнику математики средней школы, в котором рассматривалась проекция равномерно вращающейся палки на временную ось.

«Палка» вектора постоянного магнитного поля ротора на предыдущем рисунке, проходящая через N и S, тоже вращается равномерно, ибо генераторы не двигаются рывками и имеют постоянную скорость. И этот вектор «бороздит» по неподвижным виткам статорной катушки также равномерно, создавая в них ЭДС по вышеприведенной формуле.

Ну, а теперь, когда стало ясно, как работает 3-фазный генератор переменного тока, следует рассмотреть, в каких инсталляциях эти генераторы нашли себе применение.

Мы знаем, что чем выше передаваемая куда-то мощность, тем выносливей / надежней требуется конструировать передачу (чем выше мощность мотора авто, тем толще / надежней требуется конструировать передачу этой мощности на колеса; в предельно упрощенном случае тем толще полуоси).

Человечество нашло, что протянуть передачу с той же силой тока, что у генератора, до далекого потребителя обходится слишком дорого в силу потерь. Поэтому оно пошло путем генерации на максимально возможном напряжении огромных количеств мощности, а для её передачи использовать дополнительное увеличение, повышение напряжения трансформаторами для уменьшения потерь. Аналогия с авто здесь полная, принимая во внимание, что:

Механическая Мощность = Момент х Скорость Вращения

Электрическая Мощность = Ток х Напряжение

Чем выше напряжение, тем с меньшими потерями передается электроэнергия, так как пропорционально уменьшается сила тока. Нижеследующее выражение, являющееся следствием закона Ома, знает каждый электрик:

Падение напряжения в цепи = Сила тока х Сопротивление цепи

Таким образом, электростанции генерируют электричество на максимально возможном для конкретных машин напряжении (на практике не выше 24 кВ, ибо далее стоимость электроизоляции начинает непропорционально быстро расти), а затем его повышают трансформаторами и пересылают к месту потребления по кабелям и ЛЭП.

* Термин «машина» в электроэнергетике определяет электрический агрегат, чья работа зависит от электромагнитной индукции в первичном контуре. Т.е. это может быть как генератор, электродвигатель, так и трансформатор. Релейная защита и автоматика не подпадают под этот термин.

Чем дальше и большей мощности требуется передать электроэнергию, тем выше напряжение. Для чего нужно далеко передавать электроэнергию? Потому что человечество еще не научилось консервировать её в таких гигантских объемах, в каких мы её потребляем, а производить её дешевле всего на электростанциях, которые располагаются вблизи источников сырья (гидроресурсы, уголь, нефть, газ).

Сколько именно мы её потребляем? Например, цифра 1’000 МВт (т.е. 1’000’000’000 Вт) кажется большой, однако для современной энерго-насыщенной цивилизации это небольшая величина. Это может быть всего лишь один блок серьезной ТЭС или АЭС.

Для той же Москвы, требующей в среднем 16’000 МВт, нужно шестнадцать таких блоков без возможного резерва на случай ремонта и аварий. Учитывая, что АЭС обычно имеет 4-5 блоков уровня 1’000 МВт, обеспечение Москвы потребует минимум четырех АЭС станций или столько же могучих ТЭС.

В реальности для обеспечения стабильности работы энергосистемы минимум 20% резерва является вращающимся, т.е. в работе, но ненагруженным и готовым подхватить пиковую нагрузку, и еще 10-20% проходит через ежегодное обслуживание (подшипники, смазка, уплотнители и т.д.), то есть не работают. Таким образом, нужно уже не 4 могучих станции, а шесть.

Принимая во внимание, что не все они работают в так называемой базе нагрузки (может быть, в «базовой нагрузке»?..) ибо различаются по установленной мощности, их нужно еще больше. А именно, на настоящий момент Москву снабжают электроэнергией 17 ТЭС.

Что есть базовая нагрузка? Это просто

Когда вы утром покидаете свой дом, чтобы отправиться на работу, в вашем жилище остаются включены холодильник, десктоп, свет в подсобном помещении, пара-тройка зарядников, которые вы забыли выключить из розетки, обогрев полов и многое другое.

Всё это в масштабе страны суммируется и интегрируется по времени, включая прокатные станы, металлоплавильные предприятия и заводы, больницы, офисы, ж/д, аэропорты и прочее. Вспомни вы про не выключенную лампочку, это не изменит общей картины: требуется какой-то уровень выработки электроэнергии, который очень мало меняется со временем.

Это и есть базовая нагрузка. Её обеспечивают эл. машины, «дергать» которые по ненадобности вредно для их здоровья, т.е. надежности снабжения энергией: блоки АЭС и больших ТЭС. Начнете неустанно регулировать большие машины, получите в разы большие затраты на их обслуживание.

А что есть пиковая нагрузка?

Потребительская нагрузка изменяется в зависимости от времени суток, месяца, года, погоды и климата, географического расположения и экономических факторов. Максимального (пикового) уровня электрическая нагрузка может достигать на протяжении всего лишь нескольких часов в году, но мощность энергосистемы должна быть рассчитана на эту нагрузку.

Необычно жаркая погода (в США) или особенно холодная (в РФ), выпадающая на рабочий день, когда все разом включают потребителей электроэнергии вроде освещения, охлаждения, отопления, кофе-машин, компьютеров и станков. Потребление энергии в эти часы прыгает вверх.

Кто покрывает этот прыжок? Обычно ГЭС (гидроэлектростанции), ГАЭС (гидроаккумулирующие электростанции), ГТУ (газотурбинные установки) и малые ТЭС (тепловые электростанции до 100-200 МВт на блок). Чем меньше мощность генератора, тем быстрее он откликается на сброс или наброс нагрузки в силу меньшей инерции вращения.

Что такое «откликается»? Это значит, что при сбросе нагрузки в первичный двигатель (допустим, турбина) начинает поступать меньше газа/пара/воды, чтобы генераторы не увеличивали свою скорость вращения (читай: частоту в сети), а также сбрасывается уровень возбуждения генераторов для удержания напряжения на их зажимах на номинале. А при набросе нагрузки, соответственно, всё это пропорционально увеличивается.

Автоматика, которая занимается этим, управляется алгоритмами, нацеленными на удержание стабильности системы, чтобы та не закачалась внезапно при резком сбросе/набросе нагрузки, а то и не развалилась на отдельные части (в общем случае, изолированные друг от друга по электрике города и области).

Одно словесное описание процессов, происходящих при этом, оставляя в стороне математическое наполнение, заняло бы очень много страниц, т.к. математика, описывающая эти процессы, весьма сложна, и любящих её становится всё меньше.

Пример того, к чему может привести недостаточная продуманность таких алгоритмов плюс слабая компетенция персонала энергосистемы, прекрасно иллюстрирует «Northeast blackout of 2003». В августе того года рядовая неисправность на распределительной подстанции в штате Огайо (США) вызвала останов 508 генераторных блоков на 265 электростанциях, развал энергосистемы на так называемые «острова» и отключение от электричества 55 миллионов человек на северо-востоке США и в канадских провинциях Онтарио и Квебек.

Отключение продолжалось минимум 24 часа в крупных городах и до 200 часов на территориях отдельных штатов. Сотовая связь, управление дорожными потоками и ж/д перевозками на это время были также потеряны.

Итак, на электростанциях массово происходит преобразование механической энергии в электрическую плюс малая часть станций (солнечных) преобразует световую энергию. Кто же следит за режимами работы всех этих станций в целом?

Ведь большая часть станций присоединена к единой энергосистеме и позволять им брести кому в лес, кому по дрова, означает рисковать устойчивостью системы.

Достаточно представить ситуацию, когда по условиям аварийного отключения системной ЛЭП (500 или 750 кВ) одни станции оказываются сильно недогруженными, другие — заметно перегруженными, и первые решают воспользоваться моментом, чтобы вывести часть блоков во внеочередное обслуживание, а вторые, не желая сокращать срок службы своего оборудования, эгоистично отключают (?) станцию от сети. Чтобы этого не происходило, контролированием и регулированием режимов работы станций занимается системный оператор.

Системный оператор единой энергетической системы это специализированная организация, единолично осуществляющая централизованное оперативно-диспетчерское управление.

В разных странах она называется по разному и может выполнять различные функции, но основные всегда совпадают. А именно, это регулирование частоты и напряжения в узлах системы (что впрямую определяет перетоки активной и реактивной мощности между узлами), обеспечение работы системной противоаварийной автоматики и согласование вывода в ремонт или из эксплуатации объектов по производству электрической энергии, подключенных к энергосистеме.

Отсюда видно, что системный оператор является ключевым элементом энергетической безопасности государства. И если генерирующие узлы еще могут быть отданы от большого ума в частные руки, то системный оператор должен быть государственной структурой.

Здесь можно провести аналогию с дорожной полицией, контролирующей движение, и представить, что начнется на дорогах, если эту полицию сделать частной структурой.