§ В.1. Технический и экономический аспекты электроэнергетики
Цель книги — осветить научные, технические и экономические вопросы, которые энергетические системы ставят как перед теми, кого они обслуживают, так и перед теми, кто их обслуживает.
В самом деле, если наука должна продолжать свое свободное от противоречий развитие, то эволюция техники тесно связана с экономической активностью. Среди множества возможных технических вариантов выбирают и развивают те, которые способны привести к оптимальному экономическому решению. Прежде такого рода поиск был исключительно искусством и использованием личного опыта человека, занимающегося проблемой энергетики. Сегодня лучшие решения находят с помощью обстоятельных и часто объемных исследований. Техника является не конечной целью, а только средством человеческой деятельности, объединяющим науку и экономику. Это справедливо для производства, передачи и распределения электрической энергии, анализ которых тесно связан как с научными, так и с экономическими аспектами проблемы; без этого невозможен ни выбор структур и оборудования, ни их конструирование, ни достаточно убедительное планирование развития электрических систем, ни развитие и совершенствование методов их эксплуатации.
Все эти соображения должны быть понятны также и потребителям электроэнергии, которые, как и эксплуатационники, заинтересованы в нормальной работе системы. Этот курс стремится дать каждому подготавливающемуся к будущей деятельности в области энергетики ответы на вопросы, относящиеся к сформулированной выше проблеме.
§ В.2. Научный аспект
Получение энергии.
Огромная роль, которую играет электричество в нашей жизни, обусловлена легкостью его передачи, а также возможностью взаимных преобразований в различные виды энергии.
Электрическая энергия, с одной стороны, преобразуется непосредственно в любой другой вид энергии — механическую, тепловую, световую, химическую—с высоким кпд; с другой стороны, она проявляется в виде потока, который раздробить на части легче, чем другие энергетические потоки (уголь, газ, нефтепродукты), не имеющие таких же возможностей прямого преобразования. Итак, электричество - вид энергии, наиболее приспособленной к передаче и распределению.
Электрическая энергия может быть также получена из других видов энергии, но такое преобразование не так удобно, поскольку кпд в этих случаях меньше, чем в случае обратных преобразований, которые к тому же обходятся значительно дороже. В настоящее время повысить кпд электроустановок удается только в случае их значительных размеров. Это вызывает необходимость передач больших количеств электрической энергии.
Практически накапливать электрическую энергию пока, нельзя. В частных случаях в небольших количествах ее можно накопить в конденсаторе. Появившиеся в последнее время накопители, например использующие явление сверхпроводимости, находятся еще в стадии исследований.
Накопление другого вида энергии (химической в аккумуляторе или потенциальной в гидравлическом резервуаре) ограничивается малыми плотностями накапливаемой энергии и малым значением кпд, поскольку имеет место двойное преобразование *.
Электроэнергия легко видоизменяется независимо от ее количества, а поэтому нет необходимости в хранении электроэнергии, если в электрических системах осуществляется постоянное равновесие между производством и потреблением. Это объясняется тем, что такие действия, как различные замыкания цепей, в том числе включение и отключение потребителей, возможны с помощью относительно простых аппаратов, и могут быть легко автоматизированы. Поэтому с начала появления электрических систем стали применяться автоматы.
Поток электроэнергии можно представить непрерывным или периодическим в виде синусоиды, особенно удобной для силовых потоков или последовательности импульсов. Форма импульса удобна для информационных потоков. Большая часть свойств является общей как для электрических цепей, приспособленных для передачи электроэнергии, так и для цепей, предназначенных для передачи информации. Однако здесь будут рассматриваться только электрические цепи. Иногда электрические цепи используются для передачи информации что вызывает необходимость исследования их поведения в различных режимах.
*В последнее десятилетие уже широко применяются ГАЭС (гидроаккумулирующие станции) и начинается применение накопителей других видов.
Электромагнитная энергия и поле.
Физическая природа электричества рассматривается в двух аспектах: корпускулярном (молекулярном), т. е. в виде потока электронов, и волновом, т. е. в виде электромагнитного поля, имеющего различные проявления в электроэнергетике.
При корпускулярном аспекте за единицу энергии принимают 1МэВ (миллион электрон-вольт); при волновом (в электроэнергетике) 1 кВт • ч (киловатт-час) или его производные (МВт • ч и ТВт • ч), причем 1МэВ =4,42 • 10+20 кВт-ч. Соотношения этих величин подчеркивают, что энергетические задачи, которым посвящена эта книга, должны рассматриваться не в молекулярном аспекте, где электрический ток является «потоком электронов», а в аспекте «волновом». Это означает, что нет необходимости в изучении явлений с точки зрения корпускулярного аспекта, хотя рассматриваемые потоки энергии тесно связаны электрическими и магнитными полями, зарядами и токами.
Передача электроэнергии рассматривается главным образом в ее волновом аспекте. В самом деле, электрические линии не транспортируют электричество, как каналы транспортируют воду; они являются волноводами, которые заставляют энергию электромагнитного поля следовать по определенному пути. Аналогичное явление происходит при передаче направленного «пучка» или «луча». Это возможно при использовании сверхвысоких частот (света, лазера, рентгеновских лучей), но при низком кпд, особенно в приемно-передающих установках. Волновод оказывается относительно простым средством передачи энергии при волнах малой длины, которые передают энергию в больших количествах. При этом возникают трудности, которые надо преодолеть. Возможности этого способа передачи главным образом ограничиваются характеристиками приемных установок.
Электрические линии (воздушные электропередачи или подземные кабели) еще долго будут наиболее практичными волноводами для тех количеств энергии, которые в настоящее время необходимо передавать. Передача больших количеств энергии связана с возможностью использования достаточно низких и даже нулевых (постоянный ток) частот, при которых легко преобразовывать электрическую энергию в механическую (и обратно) с помощью вращающихся машин при высоком кпд (99%).
Отмеченное преимущество усиливается благодаря стандартизации, проводимой во всех странах мира. Так, международная ориентация на трехфазный ток придала использованию электроэнергии однородность, значительно облегчающую передачу и преобразование, конструирование оборудования. Эта однородность была бы полной, если бы удалось достичь единой частоты (к сожалению, существуют сети с частотами 50 и 60 Гц).
§ В.3. Общая концепция курса
Анализ работы электрических систем тесно связан с изучением их: «архитектуры» (структуры). В самом деле, план, по которому задумана, «нарисована» система, определяет возможности ее работы, а пределы, наложенные ограничениями, следуют из архитектуры или структуры системы. Но структура системы не является статичной, так как рост передаваемой энергии приводит ее к эволюции. Изучение работы системы выявляет эту эволюцию, отвечая, однако, только одному из аспектов планирования развития. Можно было бы также рассматривать сети в зависимости от применяемых напряжений, поскольку задачи инженеров, занимающихся сетями различных типов, во многом различаются. Логично также различать методы расчета сетей в зависимости от назначения (для потребительских сетей низкого напряжения, передающих, сверхмощных сетей или межсистемных связей). Такая классификация далее и принимается в настоящей книге, хотя приходится учитывать и то, что в решаемых задачах сети различных назначений имеют и много общего, если не идентичного. С учетом сказанного можно рассмотреть четыре стороны деятельности инженера:
инженер занимается вопросами потребления электрической энергии. При этом он должен рассматривать сеть системы «снаружи», требуя от нее подачи электроэнергии определенного качества, Тем не менее, чтобы понять трудности, возникающие при обеспечении потребителя электроэнергией лучшего качества, следует заглянуть и «внутрь», чтобы изучить, каким же образом необходимое качество электроэнергии поддерживается на желаемом уровне. Расчетные формулы в этом случае немногочисленны и достаточно просты;
инженер занимается эксплуатацией системы. При этом он, интересуясь ежедневной работой системы, должен: уметь рассчитывать распределение напряжений, потоков мощностей, токов и мощностей короткого замыкания и т. д.; знать характеристики оборудования, автоматики, которые обеспечивают контроль и защиту этой системы; разбираться в более точных расчетах, использующих такие понятия, как симметричные составляющие, диполи, четырехполюсники;
инженер прогнозирует будущее, г. е. он должен: иметь идеи о будущих структурах системы, которые, возможно, будут приняты для нее в зависимости от роли, которую должна играть эта система; владеть методами исследования развития сетей;
инженер-специалист широкого профиля; он должен: интересоваться всеми сложными явлениями — переходными или стационарными; изучать методы расчета распространения волн вдоль линий.
В настоящей книге рассмотрению этих четырех сторон деятельности инженера отвечают отдельные главы. Решение инженерных задач требует обычно не только научных, но и экономических расчетов, тесно связанных между собой.
Автор не уделяет в этой книге внимания вопросам технологии, углубляя рассмотрение теоретических основ работы электрических систем.
