Приемники и потребители электрической энергии систем электроснаб. 1. Приемники электрической энергии Введение
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
1.4. Электрохимические и электростатические устройства Нет напряжения Есть напряжение Неполяризованный свет Поляризатор Верхний стеклянный электрод Поляризованный свет Молекулы жидких кристаллов Нижний стеклянный электрод Поляризатор Зеркало 45 Гальванические установки В современной промышленности применяются производственные процессы, использующие явления, происходящие в электролитических растворах. Для их реализации применяются гальванические установки. Гальваническая установка представляет собой емкость с электролитом, в которой размещаются источник металла – анод и его получатель – катод. После подачи постоянного тока металл анода переходит в электролит и в виде иона движется к катоду, где осаждается. Материалы электродов и состав электролита бывают разными. При наиболее распространенном варианте электролиза – меднении – в качестве электролита используются раствор серной кислоты и медного купороса, медный анод, а в качестве катода – любой проводящий материал, чаще всего металл. Кроме меди, на катоде осаждают цинк, серебро и другие металлы. Можно применять анод из графита или другого неметаллического проводника, если ионы содержатся в электролите. Таким способом производят покрытия некоторыми металлами и решают ряд прикладных производственных задач. Наиболее известные из них – очистка сточных вод, получение химических веществ, противокоррозионная обработка. Промышленная гальваническая установка представляет собой комплекс оборудования для гальванической обработки, состоящий из емкости с раствором электролита, элементов электроснабжения, анодов, катодов и вентиляционной системы. Внешний вид гальванических ванн представлен на рис. 38. Рис. 38. Гальванические ванны 46 Современные гальванические ванны могут достигать значительных размеров, что позволяет обрабатывать даже крупные изделия, например кузов легкового автомобиля. Часто несколько ванн объединяют в общую гальваническую линию. Гальваническая линия, показанная на рис. 39, является конструктивно более сложной установкой. Кроме ванн, гальваническая линия оснащена единым конвейерным механизмом с манипуляторами подачи и погружения заготовок. Рис. 39. Гальваническая линия При необходимости обработки большого количества мелких деталей гальванические ванны неудобны, в основном из-за сложного процесса загрузки. Кроме того, затрудняется равномерность контакта раствора с поверхностью деталей. В таком случае гальваническую обработку осуществляют в установках роторного, или барабанного, типа, в которых обрабатываемые детали находятся внутри перфорированного барабана. Барабан погружен в гальваническую ванну и вращается за счет собственного электропривода. Это обеспечивает равномерный доступ рабочего раствора ко всем обрабатываемым деталям. Вид такой установки представлен на рис. 40. 47 Рис. 40. Гальваническая установка роторного типа Для того чтобы процесс электролиза проходил с достаточно высокой скоростью, но при этом качество покрытия было высоким, важно выполнить несколько правил. Во-первых, нужно знать, что максимальная плотность тока для каждого вида покрытия является строго определенной величиной. Например, для меди через квадратный дециметр поверхности катода должен протекать ток не более 0,4 А. Если ток будет меньше, то скорость нарастания металла замедлится, а если больше – поверхность станет зернистой и будет содержать, кроме осаждаемого металла, посторонние включения. Во-вторых, необходимо количественно оценить объем переносимого металла. Это позволит правильно выбрать анод. Электрохимическим эквивалентом называют количество металла, переносимого при электролизе 1 Кл электричества. Для меди он равен 0,329 мг/Кл. Зная две вышеназванные величины, можно определить требования к системе электрообеспечения гальванического процесса. После этого можно проектировать систему расположения анодов и катодов, а также элементы вспомогательного оборудования. При электролизе в промышленном масштабе токи достигают десятков тысяч ампер, а напряжение при этом невелико – от 6 до 24 В. В большинстве случаев в качестве источника тока используют трансформаторы с низковольтной вторичной обмоткой и полупроводниковые выпрямители. 48 Электростатические устройства Статическое электрическое поле высокой напряженности способно эффективно перемещать заряженные частицы. Это свойство широко применяется как на производстве, так и в быту. Так, например, устроены электростатические фильтры промышленных предприятий. Они очищают воздух от мелкодисперсных частиц, таких, как пыль, сажа, различные аэрозоли. Работа такого фильтра поясняется рис. 41. Рис. 41. Электростатический фильтр Пылесборниками служат заземленные пластины, между которыми натянуты проволочные сетки, находящиеся под напряжением в несколько десятков киловольт. Между сетками и пластинами образуется коронный разряд, и возникает ионный ток. Частицы пыли и других загрязнений, проходя через ионизированный воздух, заряжаются и притягиваются к пластинам, где и оседают. Нарастающий на осадительных электродах слой пыли периодически удаляется встряхиванием с помощью специальных механических устройств. Электростатическое осаждение заряженных частиц применяется также при порошковой покраске. Между окрашиваемым объектом и краскопультом создается высокое напряжение. Ток при этом ограничивается до безопасного значения. Частицы краски на основе полиэфирных смол слабым потоком Пыль Грязный воздух Чистый воздух 49 воздуха направляются на окрашиваемую поверхность и прилипают к ней. На рис. 42 показан процесс нанесения порошковой краски на поверхность детали. Рис. 42. Нанесение порошковой краски После этого деталь помещается в печь с температурой около 200 ˚С. Через несколько минут частицы краски расплавляются и порошок превращается в пластмассовую пленку. Электростатические явления лежат и в основе работы ионизаторов воздуха, применение которых улучшает его ионный состав. В воздухе всегда содержатся положительные и отрицательные ионы. Было давно замечено, что в экологически благоприятных местах – в лесу, вблизи рек, в горах – количество отрицательных ионов многократно превышает их количество в городском воздухе. В таблице 2 приведены значения концентрации полезных ионов в различных местах. Таблица 2 Концентрация отрицательных ионов в воздухе Характеристика места Количество отрицательных ионов 50 в 1 куб. см Горы, водопады 3500…10000 Лес за городской чертой 1500…3500 Городская квартира 30…100 Улица в городе 100…500 Офис 30…50 Советским биофизиком Чижевским еще в 30-е годы 20-го века был создан прибор, искусственно повышающий концентрацию отрицательных ионов. За своеобразную форму и способ расположения в помещении этот прибор получил название люстры Чижевского. Она представляет собой объемную конструкцию, чаще всего полусферу, из проводников, к которым припаяны иголки. К люстре подводится отрицательное напряжение 25 кВ и выше. В результате происходит нормализация ионного состава в воздухе жилых и других помещений. Ионизацию воздуха нередко путают с озонированием. Это не одно и то же, поскольку озон образуется не под влиянием электростатического поля, а в результате электрического разряда в воздухе или чистом кислороде. Озон, будучи трехатомным кислородом, обладает огромной окислительной способностью и эффективно уничтожает бактерии и вирусы. Озонатор является довольно сложным и дорогим устройством, но некоторые кварцевые лампы вырабатывают его в небольшом количестве, обеспечивая комплексную дезинфекцию помещений. На рис. 43 показан внешний вид типового озонатора. 51 Рис. 43. Озонатор воздуха 1.5. Сверхпроводники – основа перспективной электротехники Как известно, проводимость материалов зависит от температуры. За небольшим исключением, при охлаждении металлических и неметаллических проводников их сопротивление плавно уменьшается, но этот эффект выражен слабо и существенной роли в передаче электроэнергии не играет. Качественно другая картина имеет место в сверхпроводниках. Некоторые вещества, причем не обязательно металлы, при охлаждении ниже порогового уровня резко и полностью теряют сопротивление. Это сопровождается интересными физическими явлениями, например парением сверхпроводника над постоянным магнитом. Ни у кого не вызывает сомнения, что сверхпроводниковые технологии открывают огромные перспективы в электротехнике, прежде всего в области линий электропередачи и электрических машин. Первые успешные опыты в области сверхпроводимости были проведены при охлаждении проводников жидким гелием, при температуре, лишь на 3–4 градуса превышающей абсолютный ноль, то есть около –270 ˚С. Это подтвердило теорию, но еще не создало предпосылок к практической реализации, так как получение жидкого гелия обходится слишком дорого. Исследование различных составов сверхпроводящих материалов вскоре 52 позволило поднять критическую температуру до –230 ˚С, что тоже было недостаточным для практической реализации. Применение купратов – керамик с высоким содержанием меди – привело к первому прорыву в области сверхпроводящих технологий. Эти материалы приобретают нулевое сопротивление при температуре выше точки кипения жидкого азота –196 ˚С, получение которого обходится примерно в 50 раз дешевле, чем жидкого гелия, и хорошо освоено промышленностью. Вскоре было замечено, что замена атомов сверхпроводниковых материалов изотопами влияет на их критическую температуру. Развитие этой идеи позволило получить сверхпроводники при температуре –110 ˚С, и поиски в этом направлении продолжаются. Бурный всплеск научной мысли в области сверхпроводимости наблюдался в 2010 году, когда американскими учеными российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом был получен графен – углерод, в котором атомы располагались на плоскости, а не в объеме. Считается, что одним из замечательных свойств этого материала может быть эффект сверхпроводимости при относительно высоких температурах. Однако для этого требуется идеальный графен, а то, что реально удается получить, по меткому выражению одного из специалистов в этой сфере, напоминает расплющенную колбасу. Очередная новость, воспринятая как сенсация в области высокотемпературных сверхпроводников, родилась в 2013 году в институте Макса Планка в Германии. Михаил Еремец и его коллеги утверждают, что эффект сверхпроводимости достигается при температуре значительно выше любого прежнего достижения: при –70 ˚С. Интересно, что в качестве исходного материала был использован сероводород. Результат мог бы считаться интересным, если бы не одно условие – сероводород должен быть сжат под давлением около полутора миллионов атмосфер. 53 Ученые вышеупомянутого института совместно с американскими коллегами из Оксфордского университета все-таки сделали научный прорыв в физике сверхпроводников. Исходным материалом стал кристалл оксида иттрия-бария-меди, имеющий многослойную структуру и способный проявлять свойство сверхпроводимости. Сохранение этого свойства при комнатной температуре было достигнуто при облучении сверхмощным лазером инфракрасного диапазона. К сожалению, практическое использование данного метода упирается в технологические трудности. Практическое внедрение в нашу жизнь сверхпроводящих устройств зависит от технических, эксплуатационных и коммерческих характеристик сверхпроводящих проводов и кабелей. Без таких кабелей нет смысла рассуждать об электрических машинах с КПД больше 99 %, сверхмощных магнитах и многих других устройствах, которые невозможно или крайне проблематично построить без сверхпроводящих технологий. Для изготовления сверхпроводящего кабеля требуется разместить сверхпроводящий материал в оболочке с жидким азотом или другим хладагентом. При этом необходимо обеспечить эффективную теплоизоляцию и постоянное пополнение испарившегося газа. Наиболее удобной с практической точки зрения считается коаксиальная конструкция, показанная на рис. 44. Внешняя защитная оболочка 54 Рис. 44. Структура сверхпроводящего кабеля Иногда в подобных конструкциях применяют двойное охлаждение – гелиевое и азотное, но в последнее время предпочитают лишь азотное, поскольку оно дешевле. Из-за крайне низких температур обеспечение высокой механической прочности кабеля является сложной задачей. Его несущим элементом служит пучок медных проводов или спираль из нержавеющей стали, по которым прокачивается жидкий хладагент. Поверх несущего элемента наматывается собственно сверхпроводник, представляющий собой набор лент из нержавеющей стали с тонким напылением сверхпроводящего материала. Если кабель трехфазный, то таких ленточных конструкций будет три, разделенных слоями диэлектрика. Поверх фазных проводников располагается медная оболочка, выполняющая роль нулевого провода. Снаружи этой оболочки проходит обратный канал прокачки хладагента, ограниченный снаружи теплоизоляцией, обычно включающей вакуумные полости и различные инновационные материалы. Все вышеперечисленные элементы сверху закрыты внешней защитной оболочкой. Обратный канал для жидкого гелия Сверхпроводящая лента (3 фазы) Медная оболочка для термостабилизации/ экран/нулевой провод Диэлектрик Теплоизоляция криостата Каркас для жидкого азота 55 Наша страна в области разработки и внедрения сверхпроводниковых кабелей находится в числе мировых лидеров. Среди фирм-разработчиков особо выделяется ЗАО «СуперОкс», зародившееся в МГУ имени М.В. Ломоносова. Наиболее передовой продукт этой компании – сверхпроводящая лента второго поколения. Она представляет собой подложку из специальной нержавеющей стали, на которую по специальной технологии нанесены тонкие пленки из различных материалов, в числе которых собственно сверхпроводящий материал – купрат гадолиния-бария. При толщине пленки не более 2 микрон обеспечивается фантастическая плотность тока – 500 А/мм 2 , что больше, чем у медного кабеля, в сотни раз! Этот инновационный продукт оказался востребован не только в России. Он импортируется в Японию и Евросоюз. Использование подобных кабелей в составе реальных систем электроснабжения уже испытано в нескольких странах мира. В 2010 году в Париже заявили об установлении нового мирового рекорда по передаче электроэнергии. Однофазный коаксиальный кабель, рассчитанный на среднее напряжение 24 кВ, выдержал нагрузку в 3200 А в течение 10 циклов по 8 часов, причем номинальное напряжение было превышено в 2 раза. А в Германии в 2014 году впервые сверхпроводящий кабель использовали в городской системе энергоснабжения. В городе Эссене трехфазный сверхпроводящий кабель длиной 1 км соединил две трансформаторные подстанции. Он работает при напряжении 10 кВ, в отличие от прежнего, на напряжение 100 кВ. Пропускная способность данного кабеля в 5 раз выше, чем у медного соответствующих габаритов. В нашей стране кабель переменного тока длиной 200 м разрабатывался и испытывался совместно несколькими научно-производственными объединениями. Разработка началась в 2005 г., а в 2009 г. был создан опытный образец, успешно прошедший испытания на специально созданном уникальном полигоне. Результаты испытаний подтвердили все преимущества сверхпроводниковых технологий. 56 После этого успеха была принята и в настоящее время близится к завершению НИОКР «Создание высокотемпературной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока на напряжение 20 кВ с током 2500 А длиной до 2500 м». Пробные отрезки кабеля длиной по 30 м, изготовленные на заводе «Иркутсккабель», успешно прошли испытания в 2013 году. Испытания необходимого преобразовательного оборудования мощностью 50 МВт прошли в 2014 году. Практическое внедрение кабеля длиной 2,5 км ожидается в ближайшее время в Санкт-Петербурге. Эффект от внедрения таких ЛЭП, кроме повышения нагрузочной способности, заключается еще в снижении эксплуатационных потерь, потому что не будет затрачиваться энергия на нагрев проводов и увеличится их срок службы. Дополнительными преимуществами следует считать уменьшение площади отчуждаемых земель, экологическую чистоту и пожаробезопасность. В крупных городах упростится распределение энергии, так как повышение пропускной способности позволит сократить количество трансформаторных подстанций. В более отдаленной перспективе ожидается создание глобальной энергетической сети на основе сверхпроводящих технологий. Много сложных проблем в эксплуатации линий электропередачи связано с токами короткого замыкания, величины которых определяют нагрузочную способность высоковольтных выключателей и некоторых других коммутационных устройств. Здесь сверхпроводники могут сыграть крайне важную роль. Их замечательные свойства проявляются лишь до некоторого порогового значения тока, а при его превышении утрачиваются, то есть сверхпроводник становится обычным проводником. Это свойство естественным образом ограничивает ток короткого замыкания и, следовательно, упрощает и удешевляет коммутацию высоковольтных цепей. Срабатывание сверхпроводящих ограничителей короткого замыкания занимает не более ¼ периода колебания тока. В результате вместо 57 дорогостоящих элегазовых выключателей можно применять более дешевые воздушные. Специалисты утверждают, что наиболее необходимыми и востребованными для электроэнергетики являются сверхпроводящие ограничители тока короткого замыкания (КЗ) на уровни напряжения от 100 кВ и выше. Обычных устройств такого класса напряжения не существует и без сверхпроводимости здесь просто не обойтись. Такие проекты уже обсуждаются в нашей стране. Интересным и перспективным устройством в ЛЭП может стать сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии. Ток в замкнутой обмотке может протекать без потерь до тех пор, пока он не понадобится, например, для компенсации скачка напряжения в ЛЭП. Это позволит обеспечивать более высокое качество электроэнергии. Применение сверхпроводников позволяет изготавливать сверхмощные электромагниты, с помощью которых стала возможной реализация принципиально новых технологий в самых различных областях – от медицины до транспорта. Так, еще в 80-х годах 20-го века была введена в эксплуатацию первая в мире установка термоядерного синтеза Т-7, содержащая сверхпроводящие катушки электромагнитов. Подобные же катушки использовались во многих других ускорителях элементарных частиц, включая знаменитый адронный коллайдер. Сильные электромагниты широко применяются в медицине, в частности в установках магнитно-резонансной томографии. Новые возможности сверхпроводящие технологии могут открыть и в области компьютеров, прежде всего многократно повысить их быстродействие. С помощью сверхпроводников может быть обеспечена магнитная левитация, позволяющая высокоскоростным поездам двигаться плавно, без шума и трения. Опытные образцы таких поездов успешно испытаны в Японии, Китае и некоторых других странах. Также магнитная левитация позволяет создать магнитные аналоги подшипников, что позволяет 58 полностью исключить трение во вращающихся системах. В частности, это может решить проблему запаса энергии в маховиках, что с учетом развития нанотехнологий считается перспективным. Способность сверхпроводников полностью экранировать магнитное поле может найти самое широкое применение, вплоть до военного. В частности, это может защитить людей и аппаратуру от воздействия электромагнитного импульса, сопровождающего ядерный взрыв. Рассмотренные при изучении проблем передачи электроэнергии сверхпроводящие технологии в последнее время нашли применение и в электрических машинах. Имеет место выраженная тенденция расширения областей их применения. Первые практические результаты в этой сфере уже есть, и они убедительно доказывают, что даже с учетом криосистемы такие устройства в несколько раз превосходят традиционные аналоги по удельной мощности. Они, прежде всего, могут найти применение в авиации, судостроении, мобильных и стационарных энергоустановках. В первых версиях генераторов сверхпроводники применялись только в обмотке возбуждения, которая, как правило, размещалась на роторе. Главное достоинство такого подхода – возможность использования существующих генераторов, в которых заменяется только ротор. Недостаток очевиден – необходимость надежной термоизоляции холодной обмотки ротора от горячей обмотки статора. Тем не менее, знаменитая компания General Elektric считает такой путь наиболее перспективным. Якорь Вакуум Каркас уум Тепловой экран Бронзовый экран Обмотка возбуждения Стальной экран Вакуум 59 Рис. 45. Сечение ротора генератора на сверхпроводниках На рис. 45 показано сечение ротора одного из таких генераторов. Обмотка возбуждения размещается на вакуумированном каркасе, и продувается парами гелия при температуре 20–50 К. Ее окружают тепловой и электромагнитный экраны. Тепловой экран, состоящий из высокотехнологичных термоизоляторов, сводит к минимуму проникновение тепла извне. Электромагнитный экран, состоящий из нержавеющей стали и фосфористой бронзы, образует короткозамкнутый контейнер, препятствующий изменению потока возбуждения. Применение сверхпроводников во всех обмотках генератора предполагает его полное охлаждение. Использование принципа термоизоляции, давно реализованного в сосудах Дьюара, предназначенных для хранения сжиженных газов, позволило решить задачу охлаждения, но первый опыт по созданию генератора такого типа, проведенный еще в 1967 году фирмой Dynatech, оказался неудачным. Это было связано с комплексом проблем, проявившихся при использовании сверхпроводников на переменном токе. В 80-е годы эти проблемы были в основном решены, но появились некоторые другие. Упрощенная схема сверхпроводящего генератора с полным охлаждением представлена на рис. 46. 60 Рис. 46. Сверхпроводящий генератор с полным охлаждением Первые генераторы основывались на низкотемпературной сверхпроводимости, так как успехи в области высокотемпературной были еще не достигнуты. Это были гибридные генераторы, то есть в них охлаждался только ротор. В 70-е годы в СССР, США, Японии и ФРГ были успешно реализованы генераторы мощностью от 8 до 30 кВт. В 80-е годы в нескольких странах были освоены генераторы мощностью более 1 МВт, а в СССР первый в мире 20-мегаваттный генератор успешно прошел испытания в Ленэнерго. К этому времени советские конструкторы заявили о принципиальной возможности построения генератора мощностью 1 ГВт. К концу 80-х компания General Elektric изготовила генератор мощностью 300 кВт. Такой же генератор был создан и в СССР, однако дальнейшие работы были заторможены начавшейся перестройкой. |