Elektros energetikos struktūra ir elementai
Savarankiškas darbas
Tačiau HE statybos kaina yra didelė ir ilgi statybos terminai. HE vandens srauto energiją keičia mechanine energija hidraulinė turbina, kuri suka hidrogeneratorių ir yra gaminama elektros energija. Vienos HE turi vagoje įrengtas turbinas, kitos užtvankines, kai slėgis sudaromas įrengiant užtvanką, pakeliant vandenį į viršutinio bjefo lygį. Kitoje užtvankos pusėje susidaro apatinis bjefas.
Vaginės elektrinės pastatas su jame įrengtais hidro įrenginiais yra užtvankos tąsa ir kartu su užtvanka pakelia vandenį. Užtvankinės elektrinės pastatas yra užtvankoje.
Hidro turbinoms skirtas vanduo praeina šiukšlių sulaikymo groteles, spiralinę kamerą, hidraulinę turbiną ir siurbimo vamzdį. Potvynių vanduo nuleidžiamas per specialius vandens nukreipimo vamzdžius, esančius tarp turbinų kamerų.
Derivacinėse elektrinėse slėgio aukštis sudaromas derivacija (vandens nukreipimas nuo pagrindinės vagos, tvenkinio ar kito vandens telkinio, kad HE padidėtų vandens slėgio aukštis arba siurblinėje sumažėtų kėlimo aukštis). Panaudotas vanduo leidžiamas į upę arba tolesnę derivacinę elektrinę. Derivacija apsimoka kai upės nuolydis didelis.
Hidroakumuliacinės elektrinės naudojamos staigiems elektros energijos poreikiams patenkinti, apkrovų pikams išlyginti. Sumažėjus sistemos apkrovai siurbliai pumpuoja vandenį į viršutinį baseiną, o didžiausios apkrovos valandomis sukauptas vanduo tiekiamas hidro įrenginiams, kurie gali dirbti ir kaip siurbliai.
Pav. vėjo elektrinė
Vėjo elektrinės yra nedidelės galios 1 iki 5 MW, todėl norint gauti daug elektros energijos reikia didelio montavimo aukščio ir vėjo generatorių skaičiaus. Lietuvoje yra atlikti vėjo stiprumo tyrimai iš kurių matome, kad tikslingiausia vėjo elektrines statyti pajūrio zonoje ir iš dalies Rytų Lietuvoje nuo Panevėžio iki Trakų. Kai kurios pajūrio šalys pvz. Danija, Vokietija yra pastačiusios daug vėjo elektrinių. 
Dabar vis sparčiau plėtojama ir gausybė netradicinių elektros gamybos technologijų. Pirmiausia – tai termofikacinės elektrinės, kurios gamindamos elektrą, kartu tiekia šilumos vartotojams šilumą garu ar karštu vandeniu.
Kitose, dujų ir garo, vadinamomis kombinuoto ar binarinio ciklo, elektrinėse deginamo kuro dujos ir jų įkaitintas suspaustas oras suka dujų turbiną su elektros generatoriumi, o iš turbinos karštos dujos eina į katilą (garo generatorių), kurio pagamintas garas suka garo turbiną su kitu elektros generatoriumi. Tiek termofikacinėse, tiek dujų ir garo (kombinuoto ciklo) elektrinėse kuro energija yra geriau naudingai panaudojama nei tradicinėse (kondensacinėse) šiluminėse elektrinėse (didesnis NVK).
Pasaulyje vis daugiau elektrai gaminti naudojami atsinaujinantys energijos ištekliai: vėjo, saulės (saulės elementai elektros energijos gamybai gali panaudoti iki 57 % iš saulės spindulių bangų spektro), biomasės (šiaudai, medžio atliekos) ar komunalinių atliekų energija. Kartu tobulinami ir kuro elementai, kuriuose vandenilio ar daug jo turinčių dujų cheminė energija tiesiogiai verčiama į elektrą, aišku – nuolatinės srovės. Elektrai gaminti naudojama ir žemės šilumos (geoterminė) energija, potvynių-atoslūgių energija. Kol kas iš atsinaujinančių energijos išteklių (išskyrus vandenį) gaminama nedaug elektros, tačiau laukiama, kad po 30-40 metų netradiciniais būdais pagaminta elektra sudarys pastebimą dalį bendrame energijos balanse.
Elektros tinklų elementai
Komutaciniai aparatai
Sujungiant ir atjungiant kontaktus, dėl elektrinio lauko oro tarpe atsiranda elektros išlydis,
vadinamas lankiniu išlydžiu. Elektros lankas – tai plazmos stulpas tarp dviejų elektrodų, susidaręs dėl smūginės jonizacijos. Jo temperatūra siekia 6000 – 18000K, o elektrinis laidumas artimas metalų
elektriniam laidumui. Dėl aukštos temperatūros ir elektronų emisijos iš elektrodų lankas ardo elektrodų paviršių. Šis reiškinys naudojamas suvirinimo aparatuose, bet komutaciniuose prietaisuose jis žalingas, nes trukdo išjungti grandinę. Esant keleto kV įtampai lanko degimas pasidaro labai stabilus, jį galima ištempti iki metro ilgio, tad jam gesinti reikalingos įvairios specialios priemonės.
Priemonės lankui gesinti aparatuose iki 1kV:
Lanko ilginimas didinant atstumą tarp elektrodų;
Lanko dalijimas į daug mažesnio ilgio lankų;
Lanko gesinimas siaurame plyšyje.
Priemonės lankui gesinti aparatuose daugiau 1kV:
Lanko gesinimas alyvoje;
Lanko apipūtimas dujomis (oru);
Daugkartinis grandinės nutraukimas;
Lanko gesinimas vakuume;
Lanko gesinimas aukšto slėgio dujose (SF6).
Pagrindiniai komutacinį aparatą charakterizuojantys parametrai yra:
Vardinė srovė;
Vardinė įtampa;
Vardinė atjungimo srovė;
Aperiodinės dedamosios atjungimo srovėje procentas;
Atsparumas pratekančiai srovei (terminis ir elektrodinaminis);
Atsijungimo laikas.
Automatiniai išjungėjai
Tai žemos įtampos aparatai (iki 1kV), skirti elektros grandinių komutacijai ir apsaugai dažniausia nuo 6 iki 630A. Jie paprastai turi dvi apsaugos nuo perkrovimų ir trumpųjų jungimų grandis – grandį su priklausoma suveikimo laiko charakteristika sauganti nuo perkrovimų ir momentinio suveikimo grandinę saugančią nuo trumpųjų jungimų. Automato suveikimo laiko priklausomybės nuo srovės charakteristika parodyta paveiksle.
Pav. Automato suveikimo laiko priklausomybė nuo srovės
Nepriklausoma charakteristikos dalis bc formuojama elektromagneto suveikimo laiko, ji apsaugo kai srovė daug kartų viršija nominalią. Priklausoma charakteristikos dalis ab suformuojama dažniausiai šiluminės relės pagalba. Šiluminė relė – tai bimetalinė plokštelė, kaitinama specialiu elementu. Plokštelė išlinksta dėl skirtingų metalų šiliminio plėtimosi koeficientų ir išjungia automatą, išjungimo laikas priklauso nuo kaitinimo elemento srovės.
Pagrindinis automato parinkimo parametras – vardinė srovė IN. Taip pat normuojama maksimali trumpojo jungimo srovė, kurią automatas gali saugiai atjungti, srovė, kada pradeda veikti nepriklausoma apsauga.
Didelių srovių atjungimo automatai turi distanciniam valdymui skirtą aparatūrą (pavaras), jų veikimas ir konstrukcija sudėtingesni (pvz. priklausoma charakteristikos dalis formuojama puslaidininkiniais elementais). Kai kuriuose automatuose laiko uždelsimas atliekamas laikrodiniai mechanizmais.
Saugikliai
Vienkartinio veikimo eletros aparatai, saugantys elektros grandines nuo perktovų ir trumpųjų jungimų. Srovei padidėjus iki neleistinų verčių, saugiklio lydusis įdėklas išsilydo, ir taip nutraukia grandinę. Grandinė vėl įjungiama tik pakeičiant saugiklį.
Didelio alyvos tūrio jungtuvas
Tai aukštos įtampos komutaciniai aparatai, jų veikimas pagrįstas lanko gesimu alyvoje. Užsidegus lankui, alyvoje išsiskiria vandenilis, kuris apgaubia lanko degimo virtą ir ja efektyviai aušindamas gesina. Kadangi į alyvos sudėtį deguonis neįeina, sprogimo ar gaisro pavojaus nėra.
Pav. 1.Bakas; 2.Alyva; 3.Izoliatorius; 4.Nejudantis kontaktas; 5. Lanko degimo vieta; 6. Judantis kontaktas.
Pagrindinis didelio alyvos tūrio jungtuvų pranašumas yra jų paprasta konstrukcija. Trūkumai – dideli gabaritai, dešimtys tonų alyvos reikalinga jo darbui užtikrinti. Tokie jungtuvai naudojami 110kV Kauno HE skirstykloje.
Mažo alyvos tūrio jungtuvai
Mažo alyvos tūrio jungtuvai pasižymi nedideliais gabaritais, jų konstrukcija gana kompaktiška. Juose izoliacija užtikrinama porceliano ir keramikos izoliatoriais, alyva naudojama tiktai lanko gesinimui.
Pav. 1. Nejudantis kontaktas 2. Lanko gesinimo kamera 3. Lanko degimo vieta 4. Judantis kontaktas 5. Alyva
Išjungiant srovę tokiu jungtuvu, dėl specialios lanko gesinimo kameros formos pirmiausia atsiranda suslėgto vandenilio sritis, po to lankas, atsidarius skersiniams kameros kanalams apipučiamas ir taip gesinamas. Tokie jungtuvai turi nedaug alyvos (iki 5 kg) jų gabaritai nedideli, todėl jie buvo labai populiarūs uždarose 10 kV pastotėse. Trūkumai – nedidelis jungimo skaičiaus resursas, reikalingas dažnas alyvos kokybės tikrinimas, toks gesinimo būdas patogus tik žemose įtampose.
Oriniai jungtuvai
Oriniai jungtuvai lanko gesinimui naudoja suspaustą orą, kuris suslegiamas iki 2 – 4 MPa slėgio. Oras aušina ir dejonizuoja lanką, taip jį užgesindamas. Paveiksle parodytas skersinio pūtimo įtaisas, naudojamas 10 kV įtampose.
Pav. 1. Izoliacinis korpusas. 2.Kontaktas 3. Lanko degimo vieta.
Aukštesnėse įtampose naudojami išilginio pūtimo įtaisai. Paprastai tokie jungtuvai susideda iš keletos nuosekliai sujungtų gesinimo kamerų. Tokie jungtuvai palyginti paprasti ir nedidelių gabaritų, bet jiems reikalingas sudėtingas suspausto oro ūkis. Tokie jungtuvai panaudoti Ignalinos AE atviroje 330kV skirstykloje.
Eledujiniai jungtuvai
Šie jungtuvai lanko gesinimui naudoja aukšto slėgio inertines dujas – sieros fluoridą (SF6). Sieros fluorido tankis 5 kartus didesnis už oro, o elektrinis atsparumas 2 – 3 kartus. Esant tokiomis pat sąlygomis, SF6 aplinkoje lankas gesinamas 100 kartų greičiau negu ore. SF6 aplinkoje degant lankui, jo molekulės prisijungia elektros lanko laisvąjį elektroną. Taip slopinami jonizacijos reiškiniai ir lankas gęsta.
Pav. 1. Judančio kontakto srovėlaidis 2. Judančio kontakto žiedinis antgalis. 3. Žiedinis magnetas 4. Izoliacinė tarpinė 5. Lanko degimo vieta 6. Nejudantis kontaktas
Tokio jungtuvo poliaus konstrukcija parodyta paveiksle. Kontaktų gale yra magnetai, kurie išsiskyrus kontaktams degantį lanką verčia suktis žiediniu antgaliu, taip mažiau dega kontaktų antgalis ir lankas greičiau gęsta. Tokia sistema patalpinama į eledujų pripildyta rezervuarą, kuris kritus slėgiui papildomas iš baliono.
Sieros fluoridas yra bespalvės, bekvapės, nenuodingos dujos, bet, veikiamas elektros lanko jos skyla į nuodingas medžiagas. Tokie jungtuvai yra saugūs, didelis išjungimo resursas, todėl jie naudojami vis dažniau. Pastaruoju metu dauguma naujų jungtuvų mūsų šalyje statoma būtent šio tipo.
Vakuuminiai jungtuvai
Šie jungtuvai naudoja kontaktų sistemą, įtaisytą vakuuminėje kameroje. Vakuumo elektrinis atsparumas daug didesnis už oro, todėl atstumas tarp kontaktų gali būti mažas, o lanko gesinimo kameros gabaritai nedideli. Jungtuvų vakuumas sukuriamas gamykloje ir išlieka daugelį metų be papildomų priemonių.
Pav. 1.Keraminis apvalkalas 2. Flančas 3.Nejudantis kontaktas 4. Judamas kontaktas 5.Kontakto plokštelės 6. Gofruotas plieno sifonas 7. Ekranas.
Išsiskyrus kontaktams, lankas gęsta per patį pirmąjį srovės perėjimą per nulinę reikšmę. Kontaktų eiga yra labai nedidelė, iki centimetro, kai tuo metu mažo alyvos tūrio jungtuve yra artima metrui.
Jungtuvų pavaros
Jungtuvų valdymo operacijas atlieka jungtuvų pavaros. Pavara įjungia ir išjungia jungtuvą, ir yra tiesioginio ir netiesioginio veikimo. Tiesioginio veikimo pavaros energiją ima iš pašalinio šaltinio, netiesioginio veikimo pavaros energiją kaupia savyje (pvz. spyruokles energija). Pavaros yra rankinės, elektromagnetinės, spyruoklinės, pneumatinės, hidraulinės. Rankinės pavaros pastaruoju metu naudojamos tik skyrikliams valdyti. Elektromagnetinės pavaros naudojamos tiek vidaus, tiek išorės skirstyklose. Jos maitinamos iš galingo nuolatinės srovės šaltinio, varomasis elementas – elektromagnetas. Pavaros greitaeigės, tinka greitam pakartotiniam įjungimui, tinka dažnam įjungimui. Spyruoklinės pavaros naudoja spyruoklės įtempimo energiją, kuri kaupiama mažo galingumo varikliu. Pavaros lėtaeigės, sudėtingos konstrukcijos, pastaruoju metu mažai naudojamos. Pneumatinės pavaros dirba suslėgtu oru, jos susideda iš traukių ir pneumatinės sistemos. Pavaros paprastos, greitaeigės, ypač patogu naudoti ten, kur yra naudojami oriniai jungtuvai. Hidraulinės pavaros yra skirtos ypač galingų jungtuvų valdymui ir naudoja sulėgtą alyvą. Tokios pavaros yra galingos ir ypač greitaeigės. Pastaruoju metu praktikoje daugiausiai naudojamos elektromagnetinės pavaros
Skyrikliai
Skyriklis – tai kontaktinė sistema, skirta atjungti ir vizualiai išskirti kontaktams. Jie statomi abipus elektros aparato (jungtuvo, transformatoriaus) ir atjungiami remonto metu. Tačiau skyrikliai negali atjungti darbo srovės, nes neturi lanko gesinimo įrenginių, todėl schemos sudaromos taip, kad srovę grandinėje atjungia jungtuvas, o tik po to atjungiami skyrikliai, nuo priešingų veiksmų skyriklį saugo blokuotės. Skyrikliais galima įjungti ir išjungti transformatoriaus įmagnetinimo srovę, įjungti oro liniją tuščioje veikoje ir t.t. Skyriklių konstrukcija paprasta, nors jų gabaritai aukštai įtampai būna dideli.
Galios transformatoriai
Galios transformatoriai įrengiami elektrinėse ir pastotėse įtampai keisti. Labiausiausiai paplitę trifaziai transformatoriai, nes energijos nuostoliai juose 12 – 15 %, o medžiagų sąnaudos 20 – 25 % mažesnės negu grupės vienfazių tokios pat suminės galios transformatorių. Vienfaziai transformatoriai naudojami, jei negalima pagaminti ar transportuoti labai didelės galios trifazių transformatorių.
Trifaziai transformatoriai gali būti dviejų apvijų ir trijų apvijų. Aukštosios, vidutinės ir žemiausios įtampos apvijos žymimos atitinkamai AĮ, VĮ ir ŽĮ.
Literatūra
G.Svinkūnas, “Elektros energetikos pagrindai”, 2008m. ;
G.Svinkūnas, A.Navickas “Elektros energetikos pagrindai”, 2013m. ;
http://www.enmin.lt
http://www.litgrid.eu