Виды устройств приема и распределения электроэнергии

Применение

Где применяются кабельные системы обогрева?

Вот наиболее типичные области их бытового применения:

Электрические теплые полы с укладкой кабеля в стяжку или под кафель, в слой плиточного клея;

Теплый пол на лоджии

Защита открытых площадок (спортивных, детских, парковок для автомобилей и т.д.) от образования ледяного и снежного наката;
Системы обогрева кровель и водостоков. Они предотвращают замерзание желобов в межсезонье и скопление на крыше опасного количества снега;

Обогрев скатов кровли и водосточных желобов

Обогрев водопроводов и канализации при их открытой прокладке или укладке в грунт выше уровня промерзания;
Обогрев емкостей (накопительных баков для воды, септиков и т.д.).

Кабельный обогрев резервуаров

Расчет электрических цепей

Рассчитать цепь – значит найти все токи в ней. Существуют разные методы расчета электрических цепей: законы Кирхгофа, метод контурных токов, метод узловых потенциалов и другие. Рассмотрим применение метода контурных токов на примере конкретной цепи.

Сначала выделим контуры и обозначим ток в них. Направление тока можно выбирать произвольно. В нашем случае – по часовой стрелке. Затем для каждого контура составим уравнения по 2 закону Кирхгофа. Уравнения составляются так: Ток контура умножается на сопротивление контура, к полученному выражению добавляются произведения тока других контуров и общих сопротивлений этих контуров. Для нашей схемы:

Полученная система решается с подставкой исходных данных задачи. Токи в ветвях исходной цепи находим как алгебраическую сумму контурных токов

Принцип действия

Как известно, при протекании электрического тока через проводник с ненулевым сопротивлением выделяется тепло. Его количество пропорционально сопротивлению проводника и квадрату величины тока.

Полное количество теплоты может быть рассчитано по формуле Джоуля-Ленца Q= I2*R*t, в которой:

Q — искомое количество теплоты в джоулях;
I — ток в проводнике в амперах;
R — полное сопротивление проводника в омах;
t — время измерений в секундах.

Пример применения формулы

Типичное напряжение ЛЭП — 220-500 тысяч вольт

Однако проводник, разогревающийся при протекании тока, может быть использован и как источник тепла. По этому принципу работают все приборы прямого нагрева: электроплиты, обогреватели, бойлеры и т.д.

Греющий кабель — частный случай такого прибора. Его особенность — нагрев до сравнительно невысоких температур (обычно в пределах 40°С).

Типичная температура кабельного теплого пола

Впрочем, как мы увидим позже, из этого правила есть исключения.

Грубый расчет температуры нагрева проводников может быть выполнен по формуле Q=c*m*(t2-t1), где:

Q — выделяющаяся на проводнике за единицу времени теплота (она рассчитывается по приведенной выше формуле Джоуля-Ленца);
с — удельная теплоемкость материала проводника (для меди при комнатной температуре она равна 380 Дж/(кг*С));
m — масса проводника в килограммах;
t2 — искомая температура после протекания тока;
t1 — начальная температура проводника.

По мере нагрева проводник рассеивает все больше тепла

Давайте выполним расчет для следующих условий: медный провод с сопротивлением 10 Ом и массой 0,5 кг нагревается текущим через него током в 10 А в течение 20 секунд. Температура в помещении равна +20 градусам.

Подставляем все величины в формулу:102*10*20=380*0,5(t2-20). Решив несложное уравнение, мы получим 85 градусов по шкале Цельсия.

Классификация электрических цепей

По назначению электрические цепи бывают:

Силовые электрические цепи;
Электрические цепи управления;
Электрические цепи измерения;

Силовые цепи предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Именно силовые цепи ведут ток к потребителю.

Также цепи разделяют по силе тока в них. Например, если ток в цепи превышает 5 ампер, то цепь силовая. Когда вы щелкаете чайник, включенный в розетку, Вы замыкаете силовую электрическую цепь.

Электрические цепи управления не являются силовыми и предназначены для приведения в действие или изменения параметров работы электрических устройств и оборудования. Пример цепи управления – аппаратура контроля, управления и сигнализации.

Электрические цепи измерения предназначены для фиксации изменений параметров работы электрического оборудования.

История мировой электроэнергетики

Электроэнергетика – стратегическая отрасль экономической системы любого государства. История возникновения и развития ЭЭ берёт своё начало с конца XIX столетия. Предтечей появления промышленной выработки электроэнергии являлись открытия основополагающих законов о природе и свойствах электрического тока.

Отправной точкой, когда возникли производство и передача электроэнергии, считают 1892 год. Именно тогда была построена первая электростанция в Нью-Йорке под руководством Томаса Эдисона. Станция стала источником электрического тока для ламп уличного освещения. Это был первый опыт перевода тепловой энергии от сгорания угля в электричество.

С тех пор началась эра массового строительства тепловых электростанций (ТЭС), работающих на твёрдом топливе – энергетическом угле. С развитием нефтяной промышленности появились огромные запасы мазута, которые образовывались в результате переработки нефтепродуктов. Были разработаны технологии получения носителя тепловой энергии (пара) от сжигания мазута.

С тридцатых годов прошлого века получили широкое распространение гидроэлектростанции (ГЭС). Предприятия стали использовать энергию ниспадающих потоков воды рек и водохранилищ.

В 70-е годы началось бурное строительство атомных электростанций (АЭС). Одновременно с этим стали разрабатываться и внедряться альтернативные источники электроэнергии: это ветровые установки, солнечные батареи, щелочно-кислотные геостанции. Появились мини установки, использующие тепло для получения электричества в результате химических процессов разложения навоза и бытового мусора.

Применение осветительных моделей шинопроводов

Различные модели шинопроводов, называемых треками, применяют для подключения источников света и точек потребления, рассчитанных на малую мощность.

Светильник, подключенный к шинопроводу

Они выпускаются с расчетом на токи номиналом от 16 до 63 А. Требования к устройствам регламентирует ГОСТ 26346-84.

Осветительная модель со светильником

При помощи монтажа шинопроводов устраивается эффективное освещение на строительных объектах, в коммерческих и общественных зданиях (цехах, фермах, теплицах, больницах, логистических центрах, складах, гаражах, станциях технического обслуживания, спортивных объектах, выставочных комплексах, супермаркетах, ресторанах, отелях и т.д.), а также в частных постройках.

Оборудование применяется в интерьерах с высокими эстетическими требованиями. Гибкие соединения позволяют обойти различные препятствия, организовать повороты в любые углы и в любых плоскостях.

Угловая конструкция

Использование шинопроводов позволяет добиться гибкости в реализации различных светотехнических решений. Осветительные модели могут устанавливаться при помощи подвесов, закрепляться на потолках и стенах при помощи объединения отдельных секций в произвольной формы конструкции. Выпускаются модели для встраивания в фальшь потолки и для прокладки в подпольных пространствах.

В конструкции самих осветительных приборов установлены специальные контакты для взаимодействия с токопроводящей шиной. Каждый источник света оснащен собственной контактной группой.

Характеристики изделий

Значения токов короткого замыкания, которые должны выдерживать шинопроводы

В соответствии с требованиями стандарта, устройства должны выдерживать:

Перегрузки, превышающие значения номинального тока, показатели и время воздействия которых определяются в ТУ на конкретные типы шинопроводов.
Воздействия климата в соответствии с ГОСТ 15543.
В течение 1 минуты изоляция должна быть способна выдержать напряжение 2,5 кВ (для моделей с номинальным напряжением 660 В) или 2 кВ (относится к устройствам, рассчитанным на 300 В).
Механические воздействия окружающей среды (по ГОСТ 17516).

Степень защиты оболочек токоведущих частей собранных в линию секций, должна определяться в соответствии с конкретными условиями эксплуатации (по ГОСТ 14254-2015).

В соответствии с ГОСТ 26346-84 для шинопроводов установлены:

срок службы до замены — не менее 15 лет;
безотказная наработка — не менее 7 тыс. часов.

Преимущества использования шинопроводов

Устройства нашли широкое применение за счет:

простоты монтажа своими руками;
гибкости при эксплуатации, позволяющей их с легкостью трансформировать, перемещать в другое место установки, где осуществлять монтаж без особых затрат;
высокой надежности, простоты обслуживания;
компактности конструкции;
большого разнообразия моделей различных конфигураций и расцветок (стандартными цветами являются белый, серый и черный, но возможно выполнение в любом оттенке);

Модели различных оттенков

высокой степени защиты IP;
удобству подключения источников света и добавления новых;
прочности;
меньшей пожароопасности по сравнению со стандартными кабельными системами;
возможности организации управления освещением;
высокой эстетичности;
большого срока службы.

Недостатком шинопроводных систем является их цена, превышающая стоимость кабеля. Но, если рассмотреть организацию освещения в целом, учесть затраты на проведение монтажа, расходы по эксплуатации, применения шинопроводов — абсолютно оправдано с точки зрения экономической целесообразности.

Светильники, подключенные к кабелю

Еще одним недостатком можно считать необходимость предварительного заказа комплекта для конкретного проекта, так как из набора стандартных секций не всегда есть возможность изготовить нужную конструкцию. Соответственно, для изготовления и поставки необходимых деталей нужно время.

Типы шинопроводов

Существует несколько типов шинопроводов, каждый из которых имеет свои особенности и применение:

Плоские шинопроводы – имеют прямоугольное сечение и часто используются для передачи больших токов и мощностей в энергетике и промышленности.
Круглые шинопроводы – имеют круглое сечение и часто используются для передачи меньших токов и мощностей в электронике и электротехнике.
Профильные шинопроводы – имеют различные формы сечения, такие как треугольное, полукруглое или овальное, и могут быть использованы для передачи токов и сигналов в различных условиях.
Шинопроводы с покрытием – имеют изоляционное покрытие, которое предотвращает короткие замыкания и повреждения компонентов.
Гибкие шинопроводы – имеют гибкий корпус и могут быть использованы для передачи токов и сигналов в условиях с вибрацией или перемещением.

Таблица сравнения типов шинопроводов:

Тип шинопровода	Преимущества	Недостатки	Применение
Плоские	Передача больших токов и мощностей, удобство монтажа	Большой вес и габариты, ограниченные возможности по установке	Энергетика и промышленность
Круглые	Легкий вес и компактность, удобство монтажа	Ограниченная передача токов и мощностей	Электроника и электротехника
Профильные	Разнообразие форм сечения, удобство монтажа	Ограниченные возможности по передаче токов и мощностей	Различные отрасли
С покрытием	Защита от коротких замыканий и повреждений компонентов	Ограниченные возможности по передаче токов и мощностей	Различные отрасли
Гибкие	Удобство монтажа в условиях с вибрацией или перемещением	Ограниченные возможности по передаче токов и мощностей	Различные отрасли

Каждый тип шинопровода имеет свои особенности и может быть использован в различных условиях и отраслях. При выборе шинопровода необходимо учитывать параметры передаваемого тока и мощности, а также условия эксплуатации компонента.

Распределение нагрузок на группы

Теперь рассмотрим один из наиболее сложных для простого обывателя вопрос — как распределять нагрузки по группам? Распределение производится исходя из суммарной нагрузки и исходя из типа потребителей. Давайте рассмотрим каждый из этих вопросов отдельно.

Распределение на группы по нагрузке

Основополагающим пунктом для нашей электросхемы освещения квартиры является пункт 9.6 ВСН 59 – 88. Он нормирует величину номинальных токов группового автомата. Он должен быть не более 16А.

Исходя из этого числа мы и осуществляем наше дальнейшее распределение нагрузки на группы:

Прежде всего необходимо определиться с количеством розеток и количеством ламп освещения по всей квартире. При этом необходимо составить примерную карту того, что и в какую розетку будет подключаться. После этого приступаем к подсчету суммарной нагрузки.
К сожалению, далеко не на всех приборах указан их номинальный ток. Это несколько усложняет расчёт. Тем не менее его вполне можно выполнить своими руками используя таблицу, приведенную в нашей статье.

Таблица мощностей различных электроприборов

Для более точного расчета можно использовать закон Ома — . В этой формуле I- наш номинальный ток, Р – активная мощность прибора, которая обычно указана в паспорте и U – напряжение питающей сети, которое для однофазной сети равняется 220В. Отдельно стоит коэффициент мощности cosα. Его можно найти в паспорте прибора, либо принять равным единице, что создаст определенный запас прочности нашей электросети.
Так прибавляя номинальные токи электроприборов вы должны сформировать несколько групп с суммарной нагрузкой чуть меньше 16А. В итоге у вас может получиться пять, шесть и более групп. Не стоит пугаться. Ведь полученная схема подключения освещения в квартире сформирована при условии одновременной работы всех электроприборов.
В идеальном случае вы должны создать полученное число групп, но это далеко не всегда рационально. Если вы хотите сэкономить, то трезво оцените какие электроприборы реально могут быть включены при максимальной нагрузке на группе. И уже исходя из этого сформировать группы. Для однокомнатной квартиры должно получиться – 2 – 3 группы, а для трехкомнатной до 5 – 6шт.

Распределение на группы по типу нагрузки

Следующим этапом распределения на группы является их формирование исходя из типа нагрузки. Кроме того, определенные ограничения вводят нормативные документы, которые так же стоит учитывать.

Схема электрической сети для однокомнатной квартиры

Многие сайты советуют создавать электросхемы по освещению квартиры с разделением группы освещения и розеточных групп. Это конечно имеет свой смысл, но здесь есть несколько но. Согласно п.6.2.10 ПУЭ каждая группа должна содержать не более 20 ламп. Даже если вы используете лампы накаливания в 100 Вт каждая, то суммарный ток такой группы будет в районе 9А.

На мой взгляд более рационально совмещать освещение и розетки в одной группе. Таким образом вы можете создать одну группу на 1 – 2 комнаты. И даже в случае ее повреждения электроэнергии не будет только в этих комнатах. Если же делать отдельно группу освещения, то одной вполне хватит на всю квартиру. В итоге при ее повреждении света не будет по всей квартире.
Еще одним доводом в пользу совмещения розеток и освещения в одной группе является простота схемы. Ведь в противном случае в каждой комнате у вас будет как минимум две группы. Дабы развести их придётся создавать две распределительные коробки. Или же выполнять соединения в одной, что увеличивает шанс ошибки при монтаже и во время ремонта.
Согласно п. 7.2. ВСН 59 – 88 электросхема освещения квартир должна предусматривать минимум две группы. При этом в случае смешанного распределения нагрузок розетки в кухне и коридоре должны быть в одной группе, а розетки в жилых комнатах в другой.
Отдельно стоит отметить и вариант установки розетки в ванной комнате. Согласно п.1.7.151 ПУЭ она должна устанавливаться только через автомат УЗО и хотя допускается применение розеток с УЗО, лучше установить их в распределительном щите.
В этом случае данную розетку лучше подключить к группе розеток в кухне. Ведь дополнительная защита кухонных приборов не будет лишней.

Схема электрической сети для трехкомнатной квартиры

Еще один момент на который хотелось бы обратить ваше внимание, это электрические нагревательные приборы. Согласно п.13.15 ВСН 59 – 88 номинальная мощность таких приборов в квартирах не должна превышать 2кВт

Их питание должно осуществляться от отдельных групп.

Производство, передача и распределение электрической энергии

Источник электрической энергии — электротехническое изделие (устройство), преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию на электростанциях.

Топливом для электрических станций служат природные богатства – уголь, торф, вода, ветер, солнце, атомная энергия и др.

В зависимости от вида преобразуемой энергии электростанции могут быть разделены на следующие основные типы: тепловые, атомные, гидроэлектростанции, гидроаккумулирующие, газотурбинные, а также маломощные электрические станции местного значения – ветряные, солнечные, геотермальные, морских приливов и отливов, дизельные и др..

Тепловая электрическая станция (ТЭС) преобразует энергию тепла в электричество. Тепловые электростанции работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы (Рис. 1)
Гидроэлектростанция (ГЭС) преобразует энергию движения воды в электроэнергию. Гидроэлектростанции возводятся в местах, где большие реки перекрываются плотиной, и благодаря энергии падающей воды вращают турбины электрогенератора. Различают ГЭС плотинного и деривационного типов.
Атомные электростанции (АЭС) отличаются от обычной паротурбинной станции тем, что на АЭС в качестве источника энергии используется процесс деления ядер урана, плутония, тория и др.(Рис. 1).

Рисунок 1 — Электростанции: а-тепловая (ТЭС); б-плотинная ГЭС; в-атомная

Нетрадиционные энергоисточники станут основными к 2050 году, так утверждают ученые, а традиционные потеряют свою потребность.

Энергия солнца (Рис. 2) широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.
Ветроэлектростанция (ВЭС) (Рис. 2) преобразует энергию ветра в электрическую энергию.
Приливные электростанции основаны на использовании (Рис. 2.) энергии прилива.
Нетрадиционные геотермальные источники энергии (Рис. 2) основаны на использовании тепла земных турбин (глубинные горячие источники).
Биохимическая электростанция (Рис. 2). Новые перспективные источники энергии – биомасса.

Рисунок 2 — Нетрадиционные источники энергии: а –солнечные батареи; бветроэлектростанция; вприливная электростанция; ггеотермальная электростанция; д-биохимическая электростанция на биомассах

Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) выделяют три категории, различающиеся степенью надежности и защиты электроприемников.

Первая категория подразумевает непрерывную подачу электричества к объектам и не допускает перерыва в электроснабжении. Перебои в поставке тока может привести к очень серьезным последствиям, а именно:

угрозе жизни и здоровья людей;
значительным финансовым потерям;
поломке дорогостоящего оборудования, нарушению
функционирования объектов ЖКХ;
сбою в технологических процессах и т.п.

Электроприемники первой категории широко используются в промышленности (химической, металлургической), шахтах, лечебнопрофилактических учреждениях и реанимационных, котельных, в противопожарных устройствах, лифтах и т.п.

Вторая категория электроприемников включает в себя устройства, отключение которых может привести к следующим последствиям:

нарушению производственного цикла и недоотпуску продукции;
простою оборудования, транспорта и различных механизмов;
нарушению жизнедеятельности целых районов и большого количества людей.

Ко второй категории электроснабжения электроприемников относятся жилые многоквартирные здания, общежития, детские и медицинские учреждения, спортивные сооружения, магазины, предприятия общественного питания, школы, музеи, бани и т.д.

Третья категория надежности включает в себя установки, которые нельзя определить в первые две группы. Это могут быть жилые малоквартирные дома, небольшие производственные площадки и вспомогательные цеха. Питание осуществляется от одного источника, при этом перебои поставки энергии могут достигать до 24 часов (72 часа за год).

Виды деятельности в электроэнергетике

Электрические компании занимаются бесперебойной доставкой электричества каждому потребителю. В энергетической сфере уровень занятости превышает этот показатель некоторых ведущих отраслей народного хозяйства государства.

Оперативно-диспетчерское управление

ОДУ играет важнейшую роль в перераспределении энергопотоков в обстановке изменяющегося уровня потребления. Диспетчерские службы направлены на то, чтобы передавать электрический ток от производителя потребителю в безаварийном режиме. В случае каких-либо аварий или сбоев в линиях электропередач ОДУ выполняют обязанности оперативного штаба по быстрому устранению этих недостатков.

Энергосбыт

В тарифах на оплату за потребление электричества включены расходы на прибыль энергокомпаний. За правильностью и своевременностью оплаты за потреблённые услуги следит служба – Энергосбыт. От неё зависит финансовое обеспечение всей энергосистемы страны. К неплательщикам применяются штрафные санкции, вплоть до отключения электроснабжения потребителя.

Энергосистема – кровеносная система единого организма государства. Производство электроэнергии является стратегической сферой безопасности существования и развития экономики страны.

Классификация электрических сетей

Электрические сети классифицируются по:

Напряжению. По данному признаку они делятся на сети до и выше 1кВ
Уровню номинального напряжения. По данному признаку они делятся сети низкого, среднего, высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения.
Степени подвижности. По данному признаку они делятся стационарные и передвижные сети.
Назначению. По данному признаку они делятся на осветительные, силовые, специальные, обслуживающие небольшие районы, связывающие электрические системы с центром нагрузки и т.п.
Схеме электрических соединений. По данному признаку они делятся замкнутые, разомкнутые.
Режиму работы нейтрали. По данному признаку они делятся на сети с изолированной нейтралью, с глухозаземленной нейтралью, с эффективно заземленной нейтралью.
Роду тока. По данному признаку они делятся на сети постоянного и переменного тока.
Конструкции. По данному признаку они делятся на токопроводы, электропроводы, воздушные линии, кабельные линии.

Определение 2

Нейтральный провод — это часть электрической установки, у которой потенциал в нормальном режиме эксплуатации близок или равен нулю.

Устройство

Общий принцип работы прост: для вращения турбины используется энергия воды. Чем больше турбина, тем сильнее должен быть напор воды. Отчасти он достигается перепадом высоты.

Фото: схема работы ГЭС

Чтобы обеспечить нужный перепад, строится плотина. Этим решается еще одна задача: создается водохранилище, запасы воды в котором позволяют не зависеть от колебаний объема реки в зависимости от времени года. Водохранилище перед плотиной называется верхним бьефом, вода, которая прошла через плотину, образует нижний бьеф. Разность высот между бьефами влияет на напор Н.

Комплекс сооружений ГЭС состоит из:

плотины;
непосредственно электростанции;
шлюзов для забора воды и пропуска судов.

Фото: вид на Саяно-Шушенскую ГЭС сверху

Вода приводит в движение гидротурбины, которые вращают синхронные гидрогенераторы. Формула мощности проста: прямая зависимость от напора H и расхода жидкости Q: P = H*Q.

Получается, чем круче перепад высот и чем больше поток воды, тем мощнее станция.

Самая высокая в мире плотина – 305 метров. Она находится на Цзиньпинской ГЭС на реке Ялунцзян в западной части провинции Сычуань на Юго-Западе Китая. Ее мощность − 3,6 ГВт.

Пропускная способность линий электропередач

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.