Лекции по "Электроэнергетике"

 

Раздел 1. Периоды  развития энергетики

1. Введение в историю электроэнергетики 2
2. Периоды развития энергетики 4

 

Раздел 2. Основные этапы развития электротехники

1. Основные этапы развития электротехники 6
2. Первые генераторы электрического тока 10
3. Изобретение первого конденсатора 15
4. Первые аккумуляторы электрической энергии 16
5. Основные этапы развития электродвигателя 17
6. Основные этапы развития электромагнитных генераторов 22

 

Раздел 3. Переход энерг-кой техники на качественно новый уровень

1. этапы развития электрических сетей 59
2. Роль электрического освещения в становлении электроэнергетики 29
3. Развитие кабельной и изоляционной техники 33
4. Развитие генераторов и двигателей однофазного тока 35
5. Развитие однофазных трансформаторов  36
6. Первые исследования в области передачи электрической энергии на большие расстояния 40
7. Электростанции постоянного и однофазного переменного тока 44
8. Возникновение многофазных систем 49
9. Трехфазная система 51
10. Трехфазный трансформатор 55
11. Первая трехфазная линия электропередачи 55
12. Возникновение районных электростанций и энергетических систем 58
13. Основные этапы развития электрических сетей 59

 

Раздел 1. Периоды развития энергетики

 

Лекция 1.1

 

Введение в  историю электроэнергетики

 

 

Чтобы знать  предмет,

надо знать  историю предмета.

А.А. Гегель

 

В данном курсе рассматриваются вопросы исторического развития науки и техники, электроэнергетики.

Знания эти важны  как для студентов, получающих образование  в этом направлении, так и для  специалистов, работающих в электроэнергетике.

Знание истории развития науки и техники, этого важнейшего направления деятельности любого государства, позволяет правильно оценить существующую обстановку в электроэнергетической отрасли, учесть опыт предыдущих поколений и развивать отрасль с учетом этих факторов.

Если подходить к изучению каких-либо изобретений только с точки зрения их принципа действия, особенностей конструкции, математической модели, уравнений электрического состояния и т.д. без учета особенностей истории развития этих устройств, не раскрывая логику инженерной мысли, пути преодоления препятствий и противоречий в процессе их создания, то становится трудно научиться творчески, логически мыслить, увлечься своеобразной романтикой инженерного поиска, возбудить желание попробовать свои силы в решении актуальных технических задач, активно включиться в научно-исследовательскую работу.

Изучение истории электроэнергетики является своего рода приобщением, затрагивает побудительные и мотивационные стороны личности, экономические потребности. При этом возникает эффект присутствия, который позволяет быть как бы соучастником рассматриваемых событий. Исключительную роль для будущего инженера, ученого приобретает умение находить наиболее эффективные методы организации и управления производством, планирования и прогнозирования научно-технической деятельности. Опыт поколений показывает, что нужно хорошо знать прошлое, чтобы ориентироваться в настоящем и предвидеть будущее.

Опираясь на духовный и нравственный опыт веков, проникаясь историческим чувством, человек исподволь вырабатывает в себе персональную ответственность за все прошедшее и происходящее в мире. В нем укрепляется чувство нравственного долга, которое является ядром истинной личности.

История науки и техники  внушает веру в преодолимость трудностей, в безграничные возможности человека.

 

Рассмотрим подробнее суть понятий «энергия, энергетика, электроэнергетика».

Материальная  жизнь человечества связана с  двумя основными началами – веществом  и энергией. Поэтому все техническое творчество человека на всех этапах развития общества сводилось, по существу, к видоизменениям и превращениям как вещества, так и энергии.

Энергия с греческого переводится как «деятельность» – способность тел (существ) совершать работу. Это действие, общая количественная мера различных форм движения материи. Энергия связывает воедино все явления природы.

Энергетика – это наука о закономерностях процессов и явлений, прямо или косвенно связанных с получением, преобразованием, передачей, распределением и использованием различных видов энергии.

Электроэнергетика в целом рассматривается как сложное техническое образование, тесно взаимодействующее с топливным хозяйством и основными отраслями добывающей и перерабатывающей промышленности, транспортом, сельским хозяйством и т. п.

Электрическая энергия  является вторичной энергией и не заменяет первичную, например, тепловую, гидравлическую, ветровую, термоядерную, солнечную, приливную, ядерную, но в то же время стимулирует их развитие.

Электроэнергетика –  это ведущая отрасль энергетики. Применение электричества, использование электрической энергии – одно из величайших открытий и достижений XIX века. Этому предшествовали усилия многих и многих людей. Сейчас электрическая энергия является самым удобным видом энергии.

Энергетической системой электроэнергетики называют совокупность электрических станций, электрических и тепловых сетей, соединённых между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и теплоты при общем управлении этим режимом.

Энергетика является определяющим фактором и для экономики, и для экологии. От нее зависит  экономический потенциал государства  и благосостояние людей. Она же оказывает  наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом.

Наша планета наполнена энергиями, которые взаимодействуют с ней, с человеком на ее поверхности, с Космосом. Все – энергия! Дух – энергия, материя – энергия, мельчайший атом – энергия.

Эволюция приближает к Планете высокие энергии, несущие  и созидательные и разрушительные потенциалы. Какая из них реализуется – зависит от самого человечества, от его энергетического, духовного и нравственного потенциала…

Н. К. Рерих.

 

Периоды развития энергетики

 

В начальный и очень  длительный период развития общества человек сам выполнял энергетические функции в процессе производства, являясь единственным двигателем инструментов, орудий и простейших технологических и транспортных машин. Позднее в тех случаях, когда это представлялось осуществимым по характеру производственного процесса и было экономически целесообразно, функции двигателя были возложены на животных. Таким образом, начальный период развития энергетики характеризуется исключительным использованием так называемой мускульной силы или, точнее, биологической энергии человека и животных. Это - первая ступень развития энергетики - период биологической энергетики, или биоэнергетики.

Следующей, второй, ступенью в развитии энергетики явилось применение энергии неживой природы. Первыми источниками этой энергии, привлеченными к энергоснабжению производственных процессов, были водные, а несколько позднее - воздушные потоки, приводившие в действие водяные и ветровые колеса. Эти два вида энергоснабжения - и ветро- и гидроэнергетика - характеризуют один и тот же исторический период развития способа производства. Они не только совпадают по времени преимущественно, но и однородны по своей физической сущности, представляя собой непосредственное использование имеющихся в природе источников механической энергии для приведения в движение исполнительных машин. Поэтому при выделении качественно отличной ступени развития энергетики целесообразно объединить родственные по времени, характеру и физическому содержанию гидро- и ветроэнергетику, обозначив их термином механическая энергетика.

Следующая, третья, ступень развития энергетики началась с использования теплоты как источника механической работы. Теплоэнергетика возникла в начале XVIII в. в частной форме водоподъемных двигателей и стала быстро развиваться с конца XVIII в. в связи с внедрением в промышленность и транспорт универсального парового двигателя.

В конце XIX в. теплоэнергетика, являющаяся и в настоящее время количественно преобладающей, получила, равно как и гидроэнергетика, значительный стимул к ускоренному развитию благодаря производству электрической энергии. Электрическая энергия не берется непосредственно из природы, а вырабатывается на тепловых, гидравлических и других электростанциях. Поэтому электроэнергетика как вторичная энергетика, привлекаемая благодаря своей транспортабельности и трансформируемости в другие виды энергии, не явилась самостоятельной, независимой формой энергетики. Она не заменила первичные теплоэнергетику и гидроэнергетику, а наоборот, стимулировала их дальнейшее, весьма ускоренное развитие, знаменуя вместе с ними следующий, четвертый, период развития комплексной энергетики.

Новым этапом в развитии энергетики явилась возникшая в середине XX в. атомная энергетика, источником которой может служить искусственно вызываемый распад тяжелых или соединение легких ядер атомов.

Последовательные качественные ступени развития энергетики могут  быть представлены следующим кратким  перечнем:

1. Биоэнергетика - использование в качестве источника механической работы биологической энергии человека и животных.

2. Механическая энергетика - использование механической энергии потоков воды и воздуха.

3. Теплоэнергетика - использование в качестве источника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.

4. Комплексная энергетика - преимущественное использование в качестве первичной энергии тепловой и гидравлической, а в качестве вторичной - электрической энергии.                                                                  

5. Атомная энергетика - использование энергии ядерных реакций.

Далее будем рассматривать  историю развития электроэнергетики и электротехники.

 

 

 

Раздел 2. Основные этапы развития электротехники

 

Лекция 2.1

 

Основные этапы развития электротехники

 

Решающая роль в современном  научно-техническом прогрессе принадлежит электрификации. Как известно, под электрификацией понимается широкое внедрение электрической энергии в народное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, где в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия, а в будущем ее применение будет еще более расширяться. Под электротехникой в широком смысле слова подразумевается область науки и техники, использующую электрические и магнитные явления для практических целей.                                     

Это общее определение  электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные области, в которых используются электрические и магнитные явления: преобразование энергии природы (энергетическая); превращение вещества природы (технологическая); получение и передача сигналов или информации (информационная). Поэтому более полно электротехнику можно определить, как область науки и техники, использующую электрические и магнитные явления для осуществления процессов преобразования энергии и превращения вещества, а также для передачи сигналов и информации.

В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя ее направлениями: информационное, энергетическое и технологическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение в ускорении научно-технического прогресса.

В развитии электротехники условно можно выделить следующие шесть этапов.

1. Становление электростатики (до 1800 г.). К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.

2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ (1800 - 1830 гг.). Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» - первого электрохимического генератора, а вслед за ним - гальванической батареи Василия Владимировича Петрова, с помощью которой им была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера, Био и Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями.

3 Зарождение электротехники (1830 - 1870 гг.). Самым знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, создание первого электрического генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из - за отсутствия экономичного электрического генератора.

4. Становление электротехники как самостоятельной отрасли техник: (1870 - 1890 гг.). Создание первого промышленного электромашинного генератора с самовозбуждением (динамомашины) открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники. В связи с развитием промышленности, ростом городов возникает острая потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических станций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром, и все более остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Решить эту проблему на базе постоянного тока было нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока. Значительным стимулом к внедрению переменного тока явилось изобретение «электрической свечи» П. Н. Яблочковым и разработка им схемы дробления электрической энергии посредством индукционных катушек, представлявших собой трансформатор c разомкнутой магнитной системой.