ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Глава 5. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
§ 1. Современные способы получения электрической анергии
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях, где происходит преобразование различных видов энергии в электрическую. В зависимости от вида используемой первичной энергии электростанции подразделяют на гидравлические (ГЭС), тепловые. (ТЭС), атомные (АЭС) и др. Основным видом электростанций остаются тепловые, на долю которых приходится 85% всей вырабатываемой электроэнергии.
На гидравлических электростанция х первичной энергией является энергия водных потоков, которая при помощи гидрогенераторов (гидротурбина и электрогенератор) преобразуется в электрическую.
На тепловых электростанциях происходит преобразование химической энергии твердого, жидкого или газообразного топлива в электрическую. Тепловые электростанции могут быть паротурбинными, газотурбинными и с двигателями внутреннего сгорания. На получивших наибольшее распространение паротурбинных электростанциях выделяющаяся при сгорании топлива теплота передается воде, нагревает ее и превращает в пар, который под давлением Поступает на лопатки турбины, вращает ее ротор и соединенный с ним ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию. Тепловые электростанции, снабжающие потребителей электроэнергией, паром и горячей водой, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).
Атомные электростанции в качестве источника энергии используют ядерное топливо. В результате цепной реакции распада выделяется тепло, расходуемое на нагрев и превращение воды в пар, который поступает в паровую турбину. Процесс получения пара осуществляется по различным схемам и циклам. В остальном атомные электростанций подобны тепловым.
Ведутся работы над освоением энергии солнца, тепла подземных вод, морских приливов и отливов, исследования по непосредственному преобразованию атомной и тепловой энергии в электрическую.
Различные электростанции соединяют в энергосистемы, а отдельные энергосистемы — в объединенные энергетические системы (ОЭС), которые обеспечивают экономичное использование оборудования и энергетических ресурсов. Дальнейшее развитие энергетики позволит в будущем создать Единую энергетическую систему СССР.
§ 2. Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей
В настоящее время электроснабжение сельскохозяйственных потребителей, как правило, осуществляется централизованно — от государственных энергосистем. Обычная схема централизованного электроснабжения выглядит так: от высоковольтной линии энергосистемы (рис. 60, а) через понижающие подстанции питание получают распределительные линии 35—10—6 кВ, к которым присоединяются потребительские подстанции 35/0,4; 10/0,4; 6/04 кВ, расположенные в населенных пунктах или вблизи животноводческих ферм. Все большее применение находят распределительные линии напряжением 20 кВ и потребительские подстанции 20/0,4 кВ.
Иногда еще встречаются одиночные электростанции, от которых электроэнергия подается потребителям по низковольтным линиям 380/220 В (рис. 60, б).
В некоторых районах страны электроснабжение осуществляется от районах и межрайонных ГЭС и ТЭС, соединенных в местные энергосистемы напряжением 10 кВ (рис. 60, в).
Удаленные зерноочистительные тока и стригальные пункты снабжают энергией от передвижных электростанций с дизельными или карбюраторными двигателями внутреннего сгорания. Их также применяют в качестве резервных в случае перерыва питания от основного источника.
Рис. 60. Основные схемы питания потребителей электроэнергией:
а — от энергосистем; б — от небольших сельских электростанций; в — от сельских электростанций, работающих параллельно.
На электростанциях всех типов устанавливают синхронные генераторы переменного трехфазного тока напряжением от 0,4 до 21 кВ и частотой 50 Гц. В целях уменьшения потерь электроэнергий при передаче ее на большие расстояния напряжение генератора повышают до стандартного: 3, 6, 10, 20, 35, 116, 154, 220, 330, 500 и 750 кВ.
На местах потребления электроэнергии высокое напряжение сети понижают до 380, 220, 127, 36 и 12 В. Стандартные напряжения постоянного тока; 440, 220, 110, 24 и 12 В.
§ 3. Трансформаторы
Трансформатор — это электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения той же частоты. Различают понижающие и повышающие, однофазные и трёхфазные, двухобмоточные и трехобмоточные, силовые и специальные трансформаторы с воздушным и масляным охлаждением.
Простейший однофазный трансформатор (рис. 61) состоит из сердечника 2, набранного из отдельных листов электротехнической стали, и двух обмоток, изолированных друг от друга. Обмотку 1, подключаемую к источнику тока, называют пepвичной, а обмотку 3, к которой присоединяют нагрузку 4,— вторичной.
Рис. 61. Электромагнитная схема однофазного трансформатора: 1— первичная обмотка; 2 — сердечник, 3 — вторичная обмотка, 4 — нагрузка.
Одну из обмоток, состоящую из большого числа витков провода сравнительно малого сечения; присоединяют к сети более высокого напряжения и называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а другую подключают к сети с относительно низким напряжением и называют обмоткой низшего напряжения (НИ).
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Когда по первичной обмотке протекает переменный ток, в сердечнике возникает переменный магнитный поток Ф, который пересекает витки обеих обмоток, индуктируя в первичной обмотке э.д.с. самоиндукции Е1, а во вторичной — э.д.с. взаимоиндукции Е2. При определенной частоте и неизменном магнитном потоке значение э.д.с. в каждой, обмотке зависит от числа ее витков.
Отношение э.д.с. первичной обмотки к э.д.с. вторичной равно отношению чисел их витков и называется коэффициентом трансформации:
где W— соответственно число витков первичной и вторичной обмотки.
В режиме холостого хода трансформатора, когда вторичная обмотка разомкнута (U2=E2) и падение напряжения в первичной обмотке мало , коэффициент трансформации
(148)
Если, k > 1, трансформатор называют понижающим, а если k< 1,— повышающим.
Потери мощности в трансформаторе складываются из потерь Рм в обеих обмотках и потерь Рст в стали (на гистерезис и вихревые токи). Отношение полезной активной мощности P2= I2U2cos ф2 вторичной обмотки к потребляемой активной мощности Р1=Р2+Рм+Рст первичной обмотки называется коэффициентом полезного действия:
(149)
Коэффициент полезного действия (к.п.д.) трансформатора весьма высок и
составляет 80—99%.
Силовые трансформаторы применяют в системах электроснабжения.
В силовом трех фаз и ом двухобмоточном трансформаторе на каждом из трех стержней магнитопровода 1
(рис. 62), набранного из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, размещены две обмотки низшего 2 и высшего 3 напряжения (обычно из медного изолированного провода), принадлежащие одной фазе.
Начала фазных обмоток высшего напряжения обозначают латинскими буквами А, В, С, низшего — а, б, с, а концы фазных обмоток — соответственно X, У, Z и т. д..
Магнитопровод с обмотками помещают в металлический бак 5, заполненный специальным маслом, благодаря чему создаются лучшие условия изоляции и охлаждения обмоток. Сверху бак закрывают крышкой, на которой размещены фарфоровые изоляторы высшего 9 и низшего 10 напряжения, расширительный бачок 12 с указателем уровня масла 13, термометр 8, пробка 11 маслозаливного отверстия и привод переключателя 7. При помощи переключателя числа витков высшего напряжения изменяют коэффициент трансформации в пределах ±5% номинального напряжения ступенями по 2,5% и тем самым поддерживают напряжение у потребителя, близкое к номинальному.
Обмотки высшего и низшего напряжения соединяют по различным схемам и группам, из которых наибольшее распространение получили «звезда — треугольник — одиннадцать», «звезда— звезда с нулем — двенадцать»и «звезда зигзаг с нулем — одиннадцать», изображенные на рисунке 63.
Рис. 62. Трехфазный силовой трансформатор:
1 — магнитопровод; 2 — обмотка низшего напряжения; 3 — обмотки высшего напряжении; 4 — пробка для спуска масла; 5 — бак; 6 — переключатель напряжении; 7 — привод переключателя; 8 — термометр: 9 — вводы высшего напряжения; 10 — вводы низшего напряжения; 11 — пробка для заливки масла; 12 — расширитель; 13— маслоуказатель.
В приведенных обозначениях числитель показывает схему соединения обмоток высшего (ВЫ), знаменатель низшего (НИ) напряжения, а цифры — группу соединения, то есть угол сдвига между линейными э.д.с. обеих обмоток (12 —сдвиг фаз равен нулю, 11—сдвиг 330° и т. д.).
В паспорте силового трансформатора указаны серия, номинальная мощность, номинальные напряжения и токи первичной и вторичной обмоток, частота тока, схема и группа соединения обмоток и напряжение короткого замыкания.
Рис. 63. Распространенные схемы соединения обмоток силовых трансформаторов.
Однофазные силовые трансформаторы применяют для электроснабжения небольших однофазных потребителей. Низшее напряжение (2x230 В) подается потребителям по трем проводам; напряжение 460 В между концами обмотки используется для питания однофазных электродвигателей, а напряжение 230 В между концами обмотки и средней точкой —для освещения и других целей.
Расчетную мощность трансформатора определяют по формуле
(150)
где Rсп — коэффициент спроса, учитывающий к.п.д.
и степень загрузки силовых потребителей, разновременность включения, потери мощности в сети и коэффициент мощности потребителей;
Руст — суммарная установленная мощность потребителей, кВт.
По каталогу, исходя из условия, выбирают ближайший по мощности трансформатор.
Специальные трансформаторы предназначены для различных целей.
Сварочные трансформаторы типа СТАН, СТН, ТС, СТШ, ТД используют при электрической сварке металлов на переменном токе. Это однофазные трансформаторы с так называемой крутопадающей внешней характеристикой, благодаря которой сварочная дуга легко зажигается и устойчиво горит. Такая характеристика получается за счет индуктивного сопротивления реактивной катушки, включаемой последовательно со вторичной обмоткой. Напряжение питающей линии 380 или 220 В, вторичное напряжение холостого хода 50—65 В, рабочее 20—30 В, потребляемая мощность 24—43 кВ-А.
Силу сварочного тока регулируют, изменяя воздушный зазор в сердечнике (СТН, СТАН, СТШ, ТД) или расстояние между обмотками (ТС). С увеличением воздушного зазора и уменьшением расстояния между обмотками сварочный ток увеличивается (и наоборот).
Автотрансформаторы (однофазные и трех- фазные) применяют в различных схемах для понижения и повышения напряжения. В отличие от обычных двухобмоточных трансформаторов у них на фазу приходится по одной обмотке: обмотка НН является частью обмотки BН, то есть обмотки НН и ВИ имеют электрическую связь.
Часть мощности с первичной стороны передается во вторичную электромагнитным путем, а остальная часть — электрическим. В регулируемом автотрансформаторе изменение напряжения достигается изменением числа витков в обмотке НН и ВН переключателем или скользящим контактом.
Измерительные трансформаторы тока и напряжения применяют для расширения пределов измерения приборов (амперметра, вольтметра, ваттметра, счетчиков и др.) в цепях переменного тока и обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Один вывод вторичной обмотки и корпус трансформатора тока и напряжения заземляют.
Измерительные трансформаторы применяют либо с приборами, при градуировке которых уже учтен коэффициент трансформации, либо для определения истинного значения
измеряемой величины надо показания приборов умножить на коэффициент трансформации, который указан в паспорте трансформатора.
