長距離にわたる電気の送電。送電

私たちの家に電気が主な供給源である発電所から来ていることは周知の事実です。しかし、私たち (消費者) とステーションの間には数百キロメートルある場合があり、この長い距離すべてを通して、電流は何らかの方法で最大効率で伝送されなければなりません。この記事では、実際に電力がどのようにして消費者まで遠く離れたところに送られるのかを見ていきます。

電力輸送ルート

したがって、すでに述べたように、出発点は実際に電気を生成する発電所です。現在、発電所の主な種類は、水力発電所（水力発電所）、火力発電所（火力発電所）、原子力発電所（原子力発電所）です。さらに、太陽光発電、風力発電、地熱発電もあります。駅。

次に、電力は電源から長距離にある消費者に送られます。電力を送電するには、昇圧変圧器を使用して電圧を高める必要があります（電圧は距離に応じて最大1150 kVまで昇圧できます）。

なぜ電圧を上げると電気が送られるのでしょうか? すべてはとてもシンプルです。電力の公式 - P=UI を思い出してください。エネルギーを消費者に伝達する場合、電力線の電圧が高いほど、同じ消費電力でもワイヤに流れる電流は少なくなります。このおかげで、低電圧の電力線と比較して、ワイヤの断面積を減らして高電圧の電力線を構築することができます。これは、ワイヤーが細いほど安くなり、建設コストが削減されることを意味します。

したがって、電気は駅から（必要に応じて）昇圧変圧器に送られ、その後、送電線の助けを借りて中央配電変電所（中央配電変電所）に送電されます。後者は都市またはその近くにあります。中央配電点では、電圧が 220 または 110 kV に減圧され、そこから変電所に電力が送られます。

次に、電圧が再び低下し (6 ～ 10 kV に)、電気エネルギーが変電所 (変電所とも呼ばれる) に分配されます。変電所までは、送電線ではなく地中電線で電気を送電できます。都市環境では、これがより適切になります。実際のところ、都市の通行権のコストは非常に高く、地上のスペースを取るよりも、溝を掘ってそこにケーブルを敷設する方が有益です。

変電所から、電気は高層ビル、民間の建物、ガレージ協同組合などに送られます。変電所では電圧が再び通常の 0.4 kV (380 ボルトのネットワーク) に低下するという事実に注意してください。

電源から需要家まで電気が送られるルートを簡単に考えると、発電所（例えば10kV）－昇圧変電所（110～1150kV）－送電線－降圧変圧器という感じになります。変電所 - 変電所 (10-0.4 kV) - 住宅用建物。

このようにして電気は電線を通って私たちの家まで送られてきます。ご覧のとおり、電力を消費者に送電および配電するスキームはそれほど複雑ではなく、すべては距離の長さに依存します。

以下の図では、電気エネルギーがどのように都市に入り、住宅部門に到達するかがはっきりとわかります。

専門家はこの問題について詳しく次のように語っています。

電力が供給源から消費者までどのように移動するか

他に知っておくべき重要なことは何ですか?

この問題と交差する点についても少し述べさせていただきたいと思います。まず、無線で電力を伝送する方法についてはかなり長い間研究が行われてきました。多くのアイデアがありますが、現在最も有望な解決策は Wi-Fi 無線テクノロジーの使用です。ワシントン大学の科学者は、この方法がかなり実現可能であることを発見し、この問題をより詳細に研究し始めました。

第二に、今日の AC 送電線は直流ではなく交流を伝送します。これは、最初に入力で電流を整流し、次に出力で電流を再び可変にする変換デバイスのコストがかなり高く、経済的に実現不可能であるという事実によるものです。しかし、直流送電線の容量は依然として2倍であるため、より収益性の高い導入方法も考えなければなりません。

そこで私たちは、電源から家まで電力を送電するスキームを検討しました。電気がどのようにして消費者まで遠くまで送られるのか、そしてなぜ高電圧が使われるのかをご理解いただけたでしょうか。

送電線の建設の必要性は、主に消費者から離れた大規模な発電所、つまり広大な地域に分散された比較的小さな受信機での発電によって説明されます。

発電所は、エネルギー資源の利用可能性、種類、埋蔵量など、多くの要因の総合的な影響を考慮して配置されます。輸送の可能性。特定の地域でのエネルギー消費の見通しなど。電気エネルギーを長距離に伝送すると、次のような利点が得られます。

遠隔のエネルギー源を使用する。

発電機の総予備電力を削減します。

異なる地理的緯度での時間の不一致を使用します。この場合、それらの緯度での最大負荷は一致しません。

水力発電所の電力をより最大限に活用する。

需要家等への電力供給の信頼性を高める。

送電線は、特定の地域の個々の需要家間で電力を分配したり、電力システムを接続したりすることを目的としており、長距離と短距離の両方で配線することができ、さまざまな規模の電力を伝送することを目的としています。長距離パスの場合、これは非常に重要です スループットつまり、すべての制限要因を考慮して、送電線に沿って伝送できる最大電力です。

架空 AC 送電線の場合、送電できる最大電力は電圧の 2 乗にほぼ比例し、送電長に反比例するとほぼ想定できます。構造のコストは、非常に大まかに電圧の大きさに比例すると考えることもできます。したがって、電気エネルギーの長距離伝送の開発では、スループットを向上させる主な手段として電圧を高める傾向があります。最初の送電線が創設されて以来、電圧は約 10 ～ 15 年ごとに 1.5 ～ 2 倍に増加しました。電圧の増加により、送電線の長さと送電電力を増やすことが可能になりました。したがって、20 世紀の 20 年代には、電力は最大約 100 km の距離まで送電されました。 1930 年代までに、これらの距離は 400 km に増加し、1960 年代には送電線の長さは 1000 ～ 1200 km に達しました (たとえば、ヴォルゴグラード - モスクワ送電線)。

送電線の送電容量の増加は主に電圧を高めることによって達成されますが、送電線の設計を変更したり、送電電力を制限するパラメータの影響を軽減するさまざまな追加の補償装置を導入したりすることも不可欠です。たとえば、電圧が 330 kV 以上の電力線では、各相のワイヤが電気的に相互接続された複数の導体に分割され、線路のパラメータが大幅に改善されます (リアクタンスが減少します)。ラインにコンデンサを含めるなど、いわゆる直列補償が使用されます。

最大電力をさらに増やすには、電圧を上げて電力線の設計を変更する必要があります。それらは一般的な技術進歩、特に半導体技術の進歩、先端材料の創出、新しいタイプのエネルギー伝達の開発と関連しています。

最大電力の大きい直流送電線を敷設する場合、線路の始点では交流を直流に直接変換し、終点では直流を交流に逆変換する必要があり、技術的、経済的困難。

導波管に沿って送られる電磁波または高周波振動を使用するワイヤレス電力線の基本的な可能性があります。しかし、これらの電力線は効率が低いため、産業界での実用化は現在受け入れられていません。

電気エネルギーを伝送するには、電圧を大幅に下げることができる超電導線を使用できます。超電導に近い効果は、導体を深く冷却することによって達成されます。この場合、電力線は極低温と呼ばれます。この質問には歴史があります。 1911 年にオランダの物理学者 G. カメルリング-オンネスは、水銀が 4 K 以下の温度に冷却されると、その電気抵抗が完全に消失することを確立しました。温度が臨界値を超えると、再び突然現れます。この現象はこう呼ばれた 超伝導。もちろん、電力技術者がそのような材料を入手できれば、通常の導体をそれらに置き換えることができ、送電線は膨大な量のエネルギーを損失なく非常に長距離に届けることになります。強力なエネルギーを大量に消費する装置 (電磁石、変圧器、電気機械) の効率を大幅に向上させ、部品の過熱、溶解、破壊に伴う多くの問題を回避することが可能になります。

しかし、この現象自体には疑いの余地はなかったものの、これらすべては単なる夢にすぎませんでした。多くの超伝導体が発見されています。周期表では、それらは28個の元素であることが判明しました。しかし、ニオブに属する最高臨界温度は 10 K を超えませんでした。したがって、超伝導の可能性は、超低温を維持する設備の高コストと複雑さによって大幅に制限されました。モリブデンとテクネチウムの合金は、臨界温度を 14 K まで高めました。さらに、臨界温度 21 K のニオブ、アルミニウム、ゲルマニウムの化合物を得ることができました。現在知られている数百の超電導物質としては、これは記録的な数字です。

実際の研究では、臨界温度が上昇すると超伝導体の数が減少することが示されています。一部の専門家は、超低温の捕らわれから逃れることは不可能であるとさえ信じていました。 25 K あたりが、考えられる最高の臨界温度です。

超伝導が実験的に発見されてから、理論物理学者は長い間、この不可解な現象の本質を理解しようと努めてきました。そしてわずか半世紀後の 1957 年に、超伝導に関する最初の本格的な理論が登場しました。他も続いた。彼らは珍しいものをたくさん運んでいました。したがって、たとえば、作成された理論によれば、超伝導体の電子は、すべての同様に荷電した粒子が互いに反発するように規定するよく知られたクーロンの法則に反して、逆に引き付けて対を形成します。金属や合金だけでなく、有機物質も超伝導体になり得ることに注意してください。この理論の最も重要な結論の 1 つは次のとおりです。 金属水素の優れた特性- 軽い陽子は結晶格子の節点に位置し、実用上十分許容できる程度の比較的高い温度で超伝導性を示すことができます。 220K または-53 ℃。そしてもう 1 つ: 物質が分子相から原子相に移行するプロセスは不可逆である可能性があります。外部圧力が取り除かれても、水素は長期間その超電導特性を失わない可能性があります。 /

現在、材料が通常の条件下で超電導特性を示すためには、数百キロパスカルのオーダーの圧力範囲を習得する必要があることが明らかになりました。これらの規模は、私たちの人間の基準からすると途方もないものです。これらは、地球の中心部の圧力 (そこでは約 300 kPa) にのみ匹敵します。目標に至る道は研究者たちの前に開かれたが、室内実験でさえこの種の圧力、そしてもちろん常温の超伝導体である固体水素を得ることがまだ不可能である。

火力発電所から消費者まで交流および直流を使用して電気エネルギーを長距離伝送する代替手段は、燃料の輸送です。消費者へのエネルギー供給の可能な選択肢を比較分析すると、高カロリー石炭（4000 kcal/kg 以上）は通常、鉄道で輸送することが望ましいことがわかります（鉄道が存在する場合）。発電所で天然ガスや石油を使用する場合、多くの場合、パイプラインで輸送することが望まれます（図1）。エネルギーを長距離伝送する方法を選択する場合、送電工事中の電力システムの強化、電力供給、送電線の近くにある需要家への負荷の増加など、多くの課題を考慮する必要があります。鉄道など

多くの国におけるエネルギーシステムの発展を分析すると、次の 2 つの主な傾向が特定されます。

1) 統合エネルギーシステムがカバーする地域内に安価なエネルギー源がない場合、またはそのエネルギー源がすでに使用されている場合に、発電所を消費地に近づける。

2) 安価なエネルギー源の近くに発電所を建設し、その消費の中心地に送電する。

送電線、石油パイプライン、ガスパイプラインは、国の統合エネルギー供給システムを形成しています。電気、石油、ガスの供給システムは、相互に一定の連携のもとに設計、構築、運用され、 統合エネルギーシステム.

図 1 - エネルギーを長距離に伝送するさまざまな方法の特徴: Z- 推定コスト、私- 距離; 1 - 複線鉄道、2 - ガスパイプライン、3 - 石油パイプライン、4 - 安価な石炭を燃料とする発電所からの送電

他の種類のエネルギーと同様、電気はさまざまな物体によって相互に伝達される力です。電力の受電と送電は、生産の発展における主な原動力となっています。このような長距離の移動は特に重要です。エネルギーの流れをワイヤレスで転送する可能性が開発されており、将来に大きな展望が生まれています。

エネルギーの源

消費者に電力を送電するプロセスを開始する前に、電力を受け取る必要があります。 この問題は発電所によって対処されており、発電所にはいくつかの種類があります。

太陽光や風力を利用して発電する可能性もあります。これらの場所でエネルギーの生成が始まり、消費者への移動が続きます。どのステーションの領域も部外者には閉鎖されています。パスがなければその上を歩くことはできません。

電気の動き

電気エネルギーのさらなる伝送はネットワークを介して実行されます。これらは、消費者への電力の分配と供給を担う一連の機器です。 それらにはいくつかの種類があります。

長距離伝送

長距離送電の妥当性は、発電所が高い出力値を与える強力な設備を備えているという事実によって決まります。その消費者は低電力であり、広範囲に分散しています。最大規模のターミナルの建設には費用がかかるため、キャパシティーが集中する傾向がある。これによりコストが大幅に削減されます。さらに、配置も重要です。資源への近さ、輸送コスト、単一のエネルギーシステムでの運用能力など、多くの要因が含まれます。

電気がどのように長距離に送られるかを理解するには、送電線には直流と交流が流れることを知っておく必要があります。主な特徴はそのスループットです。ワイヤまたは距離の加熱プロセス中に損失が観察されます。 転送は次のスキームに従って実行されます。

直流線

現在、直流送電が優先されています。これは、内部で発生するすべてのプロセスが波の性質を持っていないという事実によるものです。これにより、エネルギーの輸送が大幅に促進されます。

DC 伝送には次のような利点があります。

低コスト;
少額の損失。

デメリットとしては、幹線からの分岐を設置できないことが挙げられます。これは、これらの場所ではコンバータの設置が必要であり、非常に高価であるためです。さらに、高電圧スイッチの作成。技術的には、これは大きな困難を引き起こします。

AC電源

交流を輸送する利点には、その変換が容易であることが含まれます。 これはデバイス、つまり変圧器を使用して行われます。、製造は難しくありません。この電流の電気モーターの設計ははるかに単純です。この技術により、複数のラインを単一の電力システムにまとめることが可能になります。これは、支店の建設現場でスイッチを作成できることによって容易になります。

長距離にわたるエネルギーの伝達は、すべての構造物にとって最も重要です。エネルギー複合施設は必ずしも近くにあるとは限らず、電気はどこでも必要です。産業界も、公的機関も、民間部門も、それなしでは成り立ちません。

電気エネルギーを伝送するプロセスは、長い間私たちを驚かせませんでした。電気は私たちの生活にすっかり定着しており、私たちのほとんどにとって、電気が存在しない状況を想像することはほとんど不可能です。過去数十年にわたり、何百万キロメートルもの電線が敷設されてきました。それらを稼働させ、運用するコストは数兆ルーブルに達します。しかし、各需要家に発電機を設置できるのに、なぜ長い送電線を建設するのでしょうか? 送電線の長さと送電の品質には関係があるのでしょうか？これらの質問やその他の質問に答えていきます。

編集PM

ワイヤーと発電機

分散型発電の支持者は、エネルギーの未来は各消費者による小型の発電装置の使用にあると信じています。私たちにとってとても身近な送電線の支柱が、もう終わりの日を迎えていると思われるかもしれません。私は送電線の「老婦人」を擁護し、長い送電線を建設する際にエネルギーシステムが受ける利点について考えてみたいと思います。

まず、電気エネルギーの輸送は、鉄道、石油、ガスのパイプラインによる燃料の輸送と直接競合します。遠隔地にある場合、または不在の場合、電力線の建設がエネルギー供給の唯一の最適な解決策です。

次に、電気工学では電源の冗長性に細心の注意が払われます。電力システムの設計規則によれば、電力システムの要素のいずれかが失われた場合でも、予備は電力システムの動作を保証する必要があります。現在、この原理は「N-1」と呼ばれています。 2 つの独立したシステムの場合、合計予備量は接続されたシステムよりも大きくなり、予備量が少ないほど高価な電気機器に費やす費用が少なくなります。

第三に、エネルギー資源をより適切に管理することで節約が達成されます。原子力発電所と水力発電所（小規模発電所を除く）は、明らかな理由により、大都市や集落から遠く離れた場所に設置されることがよくあります。送電線がなければ、「平和原子」と水力発電は本来の目的に使用できません。広範な電力システムにより、他のタイプの発電所の負荷を最適化することもできます。最適化の鍵は、ダウンロードキューの管理です。まず、kWh 当たりの生産量が安価な発電所がロードされ、次に、より高価な発電所がロードされます。タイムゾーンを忘れないでください。モスクワでエネルギー消費がピークに達するとき、ヤクーツクではこの数字は低くなります。さまざまな時間帯に安価な電力を供給することで、発電機の負荷を安定させ、発電コストを最小限に抑えます。

最終消費者のことを忘れてはなりません。さまざまな電源から電気エネルギーを供給する機会が増えれば増えるほど、最終消費者の電力供給が中断される可能性は低くなります。

大規模な電力ネットワークを構築することの欠点としては、複雑な配電制御、リレー保護の自動制御と操作の困難な作業、および送電周波数の追加の制御と調整の必要性が挙げられます。

しかし、指摘された欠点は、大規模なエネルギーシステムの構築によるプラスの効果を相殺することはできません。最新の緊急制御システムとコンピューター技術の開発により、指令制御プロセスが徐々に簡素化され、電力網の信頼性が向上しています。

定数か変数か?

電気を伝送するには、交流または直流を使用する 2 つの基本的なアプローチがあります。詳細には立ち入りませんが、短距離の場合は交流を使用する方がはるかに効率的であることに注意してください。しかし、300 kmを超える距離にわたって電力を送電する場合、交流を使用する実用性はもはやそれほど明白ではありません。

これは主に、送信される電磁波の波の特性によるものです。周波数が 50 Hz の場合、波長は約 6000 km です。送電線の長さに応じて、伝送電力に物理的な制限があることがわかりました。最大電力は、送信波長の半分である約 3000 km の伝送線路長にわたって送信できます。ちなみに、同じ量の電力は、長さが10分の1の送電線を介して伝送されます。他の回線サイズでは、電力量はこの値の半分にしか達しません。

1968年、ソ連は、2858kmの距離にわたって電力を送電するという、これまでのところ世界で唯一のユニークな実験を実施した。電圧 500 kV のヴォルゴグラード - モスクワ - クイビシェフ (現サマラ) - チェリャビンスク - スヴェルドロフスク (現エカテリンブルク) の区間を含む人工送電計画が組み立てられた。長いラインの理論的研究は実験的に確認されました。

長さに関する記録保持者の中では、中国東部の哈密省から鄭州市（河南省の省都）まで敷設された2,200キロメートルの送電線が挙げられる。完全な試運転が 2014 年に予定されていることは注目に値します。

また、線間電圧も忘れないでください。私たちはジュール・レンツの法則について学校でよく知っています。 P=私? Rこれは、電気エネルギーの損失はワイヤ内の電流値とワイヤの材質に依存すると仮定します。送電線を介して伝送される電力は、電流と電圧の積です。電圧が高くなるほど、ワイヤを流れる電流が小さくなり、伝送中の電力損失のレベルが低くなります。したがって、当然の結果として、長距離にわたって電力を伝送したい場合は、できるだけ高い電圧を選択する必要があります。

長い送電線で交流を使用する場合、多くの技術的問題が発生します。主な問題は、電力線の無効パラメータに関連しています。電線の容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスは、送電中の電圧と電力損失に大きな影響を与えます。電圧レベルを適切なレベルに維持し、無効成分を補償する必要があるため、1 キロメートルの電線を敷設するコストが大幅に増加します。ワイヤー。高電圧では、より多くの絶縁ガーランドを使用する必要があり、ワイヤの断面にも制限が課せられます。これらをすべて合わせると、構造全体の総重量が増加し、より安定した複雑な設計の送電線サポートを使用する必要が生じます。

これらの問題は、DC ラインを使用することで回避できます。 DC ラインで使用されるワイヤは、絶縁体に部分放電がないため、安価で寿命が長くなります。無効電力伝送パラメータは損失に大きな影響を与えません。発電機からの電力は直流線を介して伝送することが最も効率的であり、発電機ローターの最適な回転速度を選択できるため、使用効率が向上します。 DC ラインを使用する欠点は、AC を DC に変換するときに必然的に発生する高調波を補償するための整流器、インバーター、およびさまざまなフィルターのコストが高いことです。

ただし、電力線が長いほど、DC 線を使用する方が効率的になります。電力線には一定の臨界長さがあり、他のすべての条件が等しい場合に、直流の使用の実現可能性を評価することができます。アメリカの研究者によると、ケーブル線の場合、その影響は長さが80kmを超えると顕著になりますが、技術の発展と必要なコンポーネントのコストの削減により、この値は常に減少しています。

世界最長の直流送電線は再び中国にあります。香家坡ダム水力発電所と上海を結んでいます。その長さは約2000km、電圧は800kVです。ヨーロッパには非常に多くの DC 送電線が設置されています。ロシアでは、ロシアとフィンランドを結ぶヴィボルグ直流挿入と、長さ約 500 km、電圧 400 kV のヴォルゴグラード・ドンバス高圧直流線を個別に取り上げることができます。

コールドワイヤー

電気エネルギーの伝達に対する根本的に新しいアプローチにより、超伝導現象が明らかになります。ワイヤ内の電気エネルギーの損失は、電圧に加えてワイヤの材質にも依存することを思い出してください。超電導材料は抵抗がほぼゼロであるため、理論的には電気エネルギーを損失なく長距離に伝送することができます。この技術を使用する場合の欠点は、ラインを常に冷却する必要があることであり、これにより、従来の非超電導材料を使用した場合、冷却システムのコストが電気エネルギーの損失を大幅に上回る場合があります。このような電力線の一般的な設計は、液体ヘリウムを備えたケーシングに封入されたワイヤ、それらを取り囲む液体窒素ケーシング、および外側のそれほど特殊ではない断熱材という、いくつかの回路で構成されます。このようなラインの設計は日々行われていますが、必ずしも実用化されるわけではありません。最も成功したプロジェクトは、American Superconductor によってニューヨークに建設された送電線と考えられます。また、最も野心的なプロジェクトは、長さ約 3,000 km の韓国の送電線です。

さよならワイヤー！

電気エネルギーを伝送するために電線をまったく使用しないという考えは、かなり前に生まれました。 19世紀末から20世紀初頭にニコラ・テスラが行った実験は感動的ではないでしょうか? 同時代の人々によると、1899年にコロラドスプリングスで、テスラはワイヤーを一切使わずに200個の電球を点灯させることに成功したという。残念なことに、彼の業績に関する記録はほとんど残っておらず、同様の成功はわずか 100 年後に繰り返されました。 MIT 教授マリンソルヤチッチによって開発された WiTricity テクノロジーは、ワイヤを使用せずに電気エネルギーの伝送を可能にします。このアイデアは、ジェネレーターとレシーバーを同期して動作させることです。共振が達成されると、レシーバー内のエミッターによって励起された交流磁場が電流に変換されます。 2007年には、数メートルの距離で同様の送電実験が成功した。

残念ながら、現在の技術開発レベルでは、超電導材料や電気エネルギーの無線伝送技術を効果的に使用することはできません。私たちが慣れ親しんだ形の送電線は、これからも長い間野原や都市郊外を飾り続けるでしょうが、その正しい使用さえも、世界のエネルギー部門全体の発展に多大な利益をもたらす可能性があります。

一般職業教育省

スヴェルドロフスク地域の国立科学生産協会教育機関

ニジニ・タギル職業訓練所「メタルルグ」

抽象的な

長距離にわたる電気の伝送

出演者：バフテル・ニコライ、ボリソフ・ヤロスラフ

校長: 物理教師リュドミラ・ウラジミロヴナ・レディク

ニジニ・タギル 2008

導入

第1章電流

第2章電気エネルギーの生成

1 オルタネーター

2 MHD 発電機

3 プラズマ発生器 - プラズマトロン

第3章送電

1 電力線

2 変圧器

第4章鉄鋼メーカーのためのエネルギー

1 電気炉による製鉄

2 電気エネルギーの典型的な受信機

結論

参考文献

導入

ニジニ・タギルのエネルギーハブを含むスヴェルドロフスク地域の送電網複合施設は、大きな変革を迎えようとしている。ウラル中部のエネルギー危機を回避するために、スヴェルドロフスク地域政府は今後10年間の電力産業発展の主な方向性を策定し、採用した。私たちは主に、新世代、つまり電気を生成する発電所の建設と、変電所、変電所、さまざまな電圧の送電線の建設と再建など、送電網複合体のさらなる開発について話しています。昨年、具体的に再建の対象となる電力施設と建設が必要な電力施設を示した、2012年までの長期投資プログラムを策定、承認しました。

2001 年まで、タギル地域ではエネルギー容量が不足することはありませんでした。しかし、その後、長年の危機を経て、私たちの産業企業は上り坂になり、よく言われるように、中小企業が積極的に発展し始め、電力消費量が大幅に増加しました。現在、ニジニ・タギルのエネルギー容量不足は51メガワットを超えています。これは... ほぼ 2 つのライニングです。ただし、李寧との比較には条件付きだ。実際、エネルギー容量不足の問題は現在、ニジニ・タギルの中心部に最も関係しています。 40年前に建設されたクラスヌイ・カーメン変電所は、市内中心部のエネルギー供給を実際に依存しているが、長い間道徳的にも物理的にも時代遅れであり、その能力の限界で稼働している。残念ながら、新規消費者は送電網への接続を拒否されなければなりません。

ニジニ・タギルには新しい変電所、電圧110/35/6 kVのプリレチナヤ変電所が必要です。予備的な見積もりによると、プリレチナヤ建設への資本投資額は約3億ルーブルとなる。ニジニ・タギルのスヴェルドロベネルゴ投資プログラムには、ソユズナヤ変電所の再建、ヴァゴンカのアルタイスカヤ変電所、ガリャンキ地区のデミドフスキー切替点の建設も含まれており、これにより市全体のエネルギー供給システムが根本的に改善されることになる。今年のメインイベントはStaratel変電所で、スヴェルドロヴェネルゴが6000万ルーブルを投資して再建した。 2007 年のもう 1 つの重要な出来事は、ガヤンカ変電所での新しい 2 番目の変圧器の試運転でした。

電圧110kV、全長約18キロメートルのチェルノイストチンスク・ベロゴリエ間の送電線の建設が始まった。この施設は、Sverdlovenergo の投資プログラムにも含まれています。新しい高電圧送電線の試運転により、ベラヤ山スキー場だけでなく、隣接する地域全体（ウラレツ村、ビシム村、ビジモ・ウトキンスク村）の電力供給の信頼性を高めることが可能になります。他の集落。さらに言います：ベロゴリエプロジェクトは、ウラレツ村に新しいベロゴリエ変電所の建設と、電圧0.4〜6kVの少なくとも20キロメートルのネットワークであるウラレツのネットワーク複合体全体の再構築も提供します。。

私たちの職業はこの電気製鋼プロセスと切り離せない関係にあるため、エッセイの目的として、電気を長距離送電するだけでなく、製鉄に必要なコンポーネントとして電気を使用するという問題を提起することにしました。

この目標を達成するために、私たちはいくつかの重要な課題を自らに課すことにしました。 1) 送電と電気冶金に関する追加の文献を研究する。 2) 新しいタイプの発電機と変圧器について知る。 3) 電流を受け取ってから消費者に届けるまでを考慮します。 4) 電気炉での鉄鋼生産の物理的および機械的プロセスを考慮します。

当初、人々は鋼の使い方を知らず、土着の材料（銅、金、隕石鉄）を使ってさまざまな道具を作りました。しかし、これらの方法は人間のニーズを満たすには十分ではありませんでした。人々はしばしば、地表で見つかった鉱石から金属を入手する機会を探していました。

そして、紀元前 2 千年から 1 千年が始まるころ、冶金学の第一段階が始まりました。人類は、原始的な鍛冶場で鉄を還元することにより、鉱石から直接鉄を得るようになりました。このプロセスでは「生」のブラスト（加熱された空気ではない）が使用されるため、この方法は生ブローと呼ばれました。

鉄鋼生産の第 2 段階 (14 世紀から 18 世紀) は、鍛冶場の改良とチーズ吹き炉の容量の増加が特徴でした。水車の出現と鍛造ベローズの駆動に水車を使用することにより、爆風を強化し、炉床内の温度を上昇させ、化学反応の発生を加速することが可能になりました。

第 3 段階は、低炭素鉄を生地状の状態で製造する、より高度で生産的な方法の開発でした。いわゆる代かきプロセスです。これは、燃えるような反射塔 (代かき) の底で鋳鉄を鉄に変えるプロセスです。）炉。

第 4 段階（19 世紀後半から 20 世紀半ば）は、ベッセマー、トーマス、平炉、転炉、電気製鋼という 4 つの鉄鋼製造方法が生産に導入されたことを特徴としています。私たちの要約では、鉄鋼メーカーのアシスタントによる電気の使用の例として説明されています。

第1章電流

電球と電池を電線で繋いでみます。ワイヤーと電球のフィラメントは閉ループ、つまり電気回路を形成しました。この回路には電流が流れ、ランプのフィラメントが点灯するまで加熱されます。電流とは何ですか? これは荷電粒子の指向性運動です。

バッテリー内で化学反応が発生し、その結果、最も電荷の少ない物質の粒子である電子が「-」（マイナス）記号の付いた端子に蓄積されます。電球のワイヤーとフィラメントを構成する金属は、結晶格子を形成する原子で構成されています。電子はこの格子を自由に通過できます。導体（いわゆる電流を伝える物質）を通ってバッテリーの一方の端子からもう一方の端子へ電子が流れることが電流です。より多くの電子が導体を通過するほど、電流の強度は大きくなります。電流はアンペア (A) 単位で測定されます。導体に 1 A の電流が流れる場合、毎秒 6.24 * 1018 個の電子が導体の断面を通過します。この数の電子は 1 C (クーロン) の電荷を運びます。

ワイヤー、ランプのフィラメント、バッテリーで形成される回路内の電流は、水道管を流れる液体の流れにたとえることができます。接続ワイヤは大きな断面を持つパイプの一部であり、電球のフィラメントは細い管であり、バッテリーは圧力を生み出すポンプです。圧力が大きくなるほど、流体の流れも大きくなります。電気回路内のバッテリーは電圧 (圧力) を生成します。電圧が高くなるほど、回路内の電流も大きくなります。電圧はボルト (V) 単位で測定されます。懐中電灯の電球に電流を流してフィラメントを光らせるには、127 または 220 V の電圧で電力線 (電力線) を介してアパートに電力が供給されます。電流は数百キロボルト (kV) の電圧で送られます。 1 秒間に放出される電気エネルギー (電力) は、電流と電圧の積に等しくなります。電流 1 A、電圧 1 V での電力は 1 ワット (W) に相当します。

すべての物質が電流を自由に通過できるわけではありません。たとえば、ガラス、磁器、ゴムなどはほとんど電流を通過させません。このような物質は絶縁体または誘電体と呼ばれます。導体はゴムで絶縁され、高圧電力線の絶縁体はガラスと磁器で作られます。しかし、金属であっても電流には抵抗します。電子が移動すると、金属を構成する原子が「押し広げられ」、原子の動きが速くなり、導体が加熱されます。電流による導体の加熱は、ロシアの科学者 E. H. レンツとイギリスの物理学者 D. ジュールによって最初に研究されました。電流が導体を熱する性質は、テクノロジーで広く使用されています。電流は電灯や電熱装置のフィラメントを加熱し、電気炉で鋼を溶かします。

1820 年、デンマークの物理学者 G.-H. エルステッドは、電流が流れる導体の近くで磁針がずれることを発見しました。こうして、電流が磁場を作り出すという驚くべき性質が発見されました。この現象は、フランスの科学者 A. アンペールによって詳細に研究されました。彼は、電流が同じ方向に流れる2本の平行なワイヤが互いに引き合い、電流の方向が逆の場合、ワイヤは反発することを発見しました。アンペールは、電流が作り出す磁場の相互作用によってこの現象を説明しました。ワイヤと電流および磁場との相互作用の効果は、電気モーター、電気リレー、および多くの電気測定器で使用されます。

電流の別の特性は、塩、酸、またはアルカリの溶液である電解質に電流を流すことによって検出できます。電解質では、物質の分子がイオン、つまり正または負の電荷をもつ分子の粒子に分割されます。電解質中の電流はイオンの動きです。電解液に電流を流すには、電流源に接続された 2 枚の金属板を電解液中に下げます。プラスイオンはマイナス端子に接続された電極に向かって移動します。電極でイオンが生成されます。このプロセスは電気分解と呼ばれます。電気分解の助けを借りて、さまざまな物体の塩、クロムおよびニッケルメッキから純粋な金属を分離し、単純な金属切断機では実行できない最も複雑な製品加工を実行し、水をその構成部品に分離することができます。水素と酸素。

電解槽では、懐中電灯の電池に接続された電球では、電流は常に一方向に流れ、電流の強さは変化しません。この電流を直流といいます。ただし、テクノロジーでは、交流の方が頻繁に使用され、その方向と強さが周期的に変化します。電流の方向を変える完全なサイクルの時間を周期と呼び、1 秒内の周期の数が交流の周波数になります。機械を動かし、街路やアパートを照らす産業電流は、1 秒あたり 50 周期の頻度で変化します。交流は簡単に変圧でき、変圧器を使用して電圧を増減できます。

電信と電話の発明により、情報の伝達に電流が使用されるようになりました。最初は、モールス信号の点と点に対応する、長短の直流パルスがワイヤを介して送信されました。このような電流パルスまたは脈動電流は、より複雑な情報コーディングシステムを備えており、現代の電子コンピュータ (コンピュータ) で数値、コマンド、単語をある機械装置から別の機械装置に送信するために使用されています。

交流は情報の伝達にも使用できます。情報は、電流振動の振幅を特定の方法で変更することによって交流によって送信できます。この情報のエンコードは振幅変調 (AM) と呼ばれます。特定の情報が特定の周波数の変化に対応するように、交流発振の周波数を変更することも可能です。このコーディングは周波数変調 (FM) と呼ばれます。ラジオ受信機には AM チャネルと FM チャネルがあり、アンテナが受信した電波の振幅または周波数変調振動を「解読」して音に変換します。

今日、電流は人間の活動のあらゆる分野に応用されています。工作機械や機械、自動監視制御システム、研究室の多数の機器、家庭用電化製品の駆動は、電流の使用なしには考えられません。現代の電話や電信、ラジオやテレビ、ポケット計算機から宇宙船の飛行を制御する機械に至るまでの電子コンピュータ - これらはすべて、最も複雑な電流回路に基づいた装置です。

第2章電気エネルギーの生成

.1 オルタネーター

電気エネルギーには、他のすべての種類のエネルギーに比べて否定できない利点があります。比較的低損失で長距離を有線で伝送でき、消費者間で便利に配布できます。重要なことは、このエネルギーは、非常に単純なデバイスの助けを借りて、機械的、内部（物体の加熱）、光エネルギーなどの他の形式に簡単に変換できることです。

交流は、エネルギーをほとんど損失することなく、非常に広範囲で電圧と電流を変換（変換）できるという直流に比べて利点があります。このような変換は、多くの電気および無線工学機器で必要です。しかし、長距離に電力を送電する場合には、電圧と電流を変換する必要性が特に高くなります。

電流は、何らかの種類のエネルギーを電気エネルギーに変換する装置である発電機で生成されます。発電機には、ガルバニ電池、静電気機械、熱電対列、ソーラーパネルなどが含まれます。根本的に新しいタイプの発電機を作成する可能性が研究されています。例えば、水素と酸素の反応の結果として放出されるエネルギーが直接電気に変換される、いわゆる燃料エネルギーが開発されている。磁気流体力学発電機 (MHD 発電機) を作成するための作業が順調に進行中です。 MHD 発電機では、磁場中を移動する高温イオン化ガス (プラズマ) のジェットの機械エネルギーが電気エネルギーに直接変換されます。

列挙された各タイプの発電機の適用範囲は、その特性によって決まります。したがって、静電機械は高い電位差を生成しますが、回路内に大きな電流を生成することはできません。ガルバニ電池は大電流を生成できますが、その作用時間は長くありません。

私たちの時代における主な役割は、電気機械誘導交流発電機によって演じられています。これらの発電機では、機械エネルギーが電気エネルギーに変換されます。それらの動作は電磁誘導現象に基づいています。このような発電機は比較的単純な設計を有しており、十分に高い電圧で大電流を得ることが可能である。

将来、発電機について話すときは、誘導電気機械発電機を意味することになります。

現在、さまざまな種類の誘導発電機が入手可能です。しかし、それらはすべて同じ基本的な部分で構成されています。これは、第一に、磁場を生成する電磁石または永久磁石であり、第二に、交流 EMF が誘導される巻線です (考慮されている発電機モデルでは、これは回転フレームです)。直列接続された巻線で誘導される EMF は合計されるため、フレーム内の誘導 EMF の振幅はフレーム内の巻数に比例します。また、各ターンを通る交流磁束の振幅 Фm = BS にも比例します。

大きな磁束を得るために、発電機は電磁鋼製の 2 つのコアで構成される特殊な磁気システムを使用します。磁界を生成する巻線は一方のコアのスロットに配置され、EMF が誘導される巻線はもう一方のコアのスロットに配置されます。コアの 1 つ (通常は内部) がその巻線とともに水平軸または垂直軸の周りを回転します。そのため、ローター（またはアーマチュア）と呼ばれます。巻線を備えた固定コアはステーター (またはインダクター) と呼ばれます。ステータコアとロータコアの間のギャップは可能な限り小さくされています。これにより、磁気誘導束の最高値が確保されます。

図 19 に示す発電機モデルでは、ローターであるワイヤーフレームが回転します (ただし、鉄心はありません)。磁場は固定された永久磁石によって生成されます。もちろん、その逆、つまり磁石を回転させてフレームを動かさないままにすることもできます。

大型の産業用発電機では、ロータである電磁石が回転しますが、EMF が誘導される巻線はステータのスロットに配置され、静止したままになります。実際には、滑り接点を使用して、電流をローターに供給するか、ローター巻線から外部回路に取り出す必要があります。これを行うために、ローターの巻き線の端にスリップリングが取り付けられています。固定プレート - ブラシ - がリングに押し付けられ、ローター巻線を外部回路に接続します。磁場を生成する電磁石の巻線の電流強度は、発電機によって外部回路に供給される電流よりも大幅に小さくなります。したがって、発生した電流を固定巻線から除去し、摺動接点を介して回転電磁石に比較的弱い電流を供給する方が都合がよい。この電流は、同じシャフト上にある別の DC 発電機 (励磁器) によって生成されます。

低出力の発電機では、回転する永久磁石によって磁場が生成されます。この場合、リングやブラシはまったく必要ありません。

固定ステータ巻線における EMF の出現は、ロータが回転するときの磁束の変化によって生成される渦電界の出現によって説明されます。

平らなフレームが均一な磁場内で回転すると、発生する起電力の周期はフレームの回転周期に等しくなります。これは必ずしも便利なわけではありません。たとえば、周波数 50 Hz の交流を得るには、フレームは均一な磁場内で 50 回転/秒する必要があります。 3000rpm ２極永久磁石、２極電磁石を回転させる場合も同様の回転速度が必要となります。実際、固定子巻線の巻線を貫く磁束の変化の周期は 1/50 秒に等しいはずです。これを行うには、各ローター極が 1 秒あたり 50 回回転する必要があります。 2、3、4…の極対を持つ電磁石をローターとして使用すると、回転速度を下げることができます。生成される電流の周期は、ローターをそれぞれ円の 1/2、1/3、1/4 ... 回転させるのに必要な時間に対応します。その結果、ローターは 2、3、4... 倍遅く回転することができます。これは、発電機が水力タービンなどの低速エンジンで駆動される場合に重要です。したがって、ヴォルガ川のウグリチ水力発電所の発電機のローターは 62.5 rpm を生成し、48 対の極を備えています。

2.2 MHD 発電機

現代のエネルギーの基礎は火力発電所（CHP）です。火力発電所の運転は、有機燃料の燃焼中に放出される熱エネルギーを、まず蒸気またはガスタービンのシャフトの回転による機械エネルギーに変換し、次に発電機の助けを借りて電気エネルギーに変換することに基づいています。。この二重変換の結果、熱として空気中に放出されたり、暖房器具に費やされたりするなど、多くのエネルギーが無駄になります。

このような非自発的なエネルギー消費を削減し、エネルギー変換のプロセスを短縮し、エネルギー変換の中間段階を排除することは可能でしょうか? それは可能であることがわかります。移動する導電性液体または気体のエネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電所の 1 つは、磁気流体力学発電機 (略して MHD 発電機) です。

従来の発電機と同様に、MHD 発電機は電磁誘導現象に基づいています。つまり、磁力線を横切る導体に電流が発生します。 MHD 発電機では、このような導体はいわゆる作動流体、つまり高い電気伝導率を備えた液体、気体、または液体金属です。通常、MHD 発生器は高温イオン化ガスまたはプラズマを使用します。プラズマが磁場を横切って移動すると、その中に自由電子と陽イオンといった電荷キャリアの反対方向の流れが発生します。

MHD 発生器は、プラズマが移動するチャネル、磁場を生成する電磁石、および電荷キャリアを抑制する電極で構成されます。その結果、対向する電極間に電位差が生じ、それらに接続された外部回路に電流が発生します。したがって、MHD 発電機は、中間変換を行わずに、移動するプラズマのエネルギーを直接電気に変換します。

従来の電磁発電機と比較した MHD 発電機の主な利点は、ターボ発電機や水素発電機などの可動機械コンポーネントや部品が存在しないことです。この状況により、作動流体の初期温度を大幅に上昇させることができ、その結果、発電機の効率が向上します。

出力がわずか 11.5 kW の最初の実験用 MHD 発電機は、1959 年に米国で製造されました。 1965 年に、ソ連で最初のソビエト MHD 発電機が調査され、1971 年に、25 MHD 発電機を備えた一種の発電所であるパイロットプラントが立ち上げられました。このような発電所は、たとえば、バックアップまたは緊急電源として、また短期間に大量の電力消費を必要とする機器の電源として使用できます。

2.3 プラズマ発生装置 - プラズマトロン

固体を加熱しすぎると液体に変化します。さらに温度を上げると液体は蒸発して気体になります。

しかし、温度を上げ続けるとどうなるでしょうか? 物質の原子は電子を失い始め、陽イオンに変わります。ガスの代わりに、自由に移動する電子、イオン、中性原子からなるガス混合物が形成されます。プラズマといいます。

今日、プラズマは、金属の熱処理、金属へのさまざまなコーティングの適用、製錬およびその他の冶金操作など、科学技術のさまざまな分野で広く使用されています。最近、プラズマは化学者によって広く使用されるようになりました。彼らは、プラズマジェットでは多くの化学反応の速度と効率が大幅に向上することを発見しました。たとえば、メタンを水素プラズマ流に導入すると、非常に貴重なアセチレンに変換できます。あるいは、エチレン、プロピレンなどの多くの有機化合物に油蒸気を当て、これらはその後、さまざまなポリマー材料の製造のための重要な原料として機能します。

プラズマ発生器のスキーム - プラズマトロン

プラズマジェット。

アーク放電。

ガス渦流チャネル。

高融点金属陰極。

プラズマ形成ガス。

電極ホルダー;

排出チャンバー;

ソレノイド;

銅陽極。

プラズマはどうやって作るの？この目的には、プラズマトーチまたはプラズマ発生器が使用されます。

ガスの入った容器の中に金属電極を置き、高電圧をかけると放電が発生します。気体中には常に自由電子が存在します。電流の影響下で、それらは加速し、中性ガス原子と衝突して、そこから電子を叩き出し、荷電粒子、つまりイオンを形成します。原子をイオン化します。放出された電子も電場によって加速され、新しい原子をイオン化し、自由電子と自由イオンの数がさらに増加します。このプロセスは雪崩のように進行し、物質の原子は非常に急速にイオン化され、物質はプラズマに変わります。

このプロセスはアークプラズマトロン内で発生します。プラズマを使用して処理する必要がある金属などのカソードとアノードの間に高電圧が発生します。プラズマ形成物質、ほとんどの場合ガス、空気、窒素、アルゴン、水素、メタン、酸素などが放電チャンバーの空間に供給されます。高電圧の影響下でガス内で放電が発生し、カソードとアノードの間にプラズマアークが形成されます。放電チャンバーの壁の過熱を避けるために、それらは水で冷却されます。このタイプの装置は、外部プラズマアークを備えたプラズマトーチと呼ばれます。金属の切断、溶接、溶解などに使用されます。

プラズマトーチは、プラズマジェットを生成するために多少異なる設計になっています。プラズマ形成ガスは、らせん状のチャネルのシステムを通って高速で吹き込まれ、カソードと放電チャンバーの壁（アノード）の間の空間で「点火」されます。らせん状のチャネルのおかげで高密度のジェットにねじれたプラズマがノズルから噴射され、その速度は 1 ～ 10,000 m/s に達します。インダクタによって生成される磁場は、チャンバの壁からプラズマを「絞り出し」、そのジェットの密度を高めるのに役立ちます。ノズル出口でのプラズマジェットの温度は 3000 ～ 25000 K です。

この図をよく見てください。よく知られた何かを思い出しますか？

もちろんジェットエンジンです。ジェットエンジンの推力は、ノズルから高速で噴射される高温ガスの流れによって生み出されます。速度が高くなるほど、牽引力は大きくなります。プラズマの何が問題なのでしょうか？ジェットの速度は非常に適切です - 最大10 km / s。そして、特別な電場の助けを借りて、プラズマはさらに最大 100 km/s まで加速できます。これは、既存のジェットエンジンのガス速度の約 100 倍です。これは、プラズマまたは電気ジェットエンジンの推力が大きくなり、燃料消費量が大幅に削減できることを意味します。プラズマエンジンの最初のサンプルはすでに宇宙でテストされています。

第3章送電

.1 電力線

電気エネルギーは、その強力な流れが数千キロメートルにわたってほぼ瞬時に伝達できるという点で、あらゆる種類のエネルギーとは有利に異なります。エネルギー川の「チャネル」は送電線 (PTL)、つまりエネルギーシステムの主要なリンクです。

現在、2 種類の送電線が建設されています。1 つは地表上の電線を通って電流を流す架空送電線、もう 1 つは原則として地下の溝に敷設された送電ケーブルを介して電流を送電する地中送電線です。

送電線はコンクリートまたは金属の支持体で構成され、その肩には磁器またはガラス絶縁体の花輪が取り付けられています。銅、アルミニウム、または鋼とアルミニウムのワイヤが支持体の間に張られ、絶縁体から吊り下げられます。送電線は、砂漠やタイガを駆け抜け、山に登り、川や渓谷を越えるのをサポートします。

空気はワイヤ間の絶縁体の役割を果たします。したがって、張力が高くなるほど、ワイヤ間の距離を大きくする必要があります。送電線は人口密集地の近くの田畑も通過します。したがって、ワイヤーは人にとって安全な高さに吊り下げる必要があります。断熱材としての空気の特性は、気候や気象条件によって異なります。送電線の建設者は、卓越風の強さ、夏と冬の温度差などを考慮する必要があります。そのため、新しい送電線の建設には、最適なルートの測量士による真剣な作業、科学的調査、モデリング、複雑な工学計算、さらには建設業者の高度なスキルが必要です。

GOERLO 計画では、強力な発電所と電力網の同時建設が規定されました。電線を介して電気を長距離伝送する場合、電流が電線を通過するときに電線が加熱されるため、エネルギー損失が避けられません。したがって、アパートに入る127〜220Vの低電圧電流を2km以上の距離にわたって送電することは利益がありません。電線の損失を減らすために、電流の電圧は送電線に供給される前に昇圧変電所で高められます。発電所の出力の増加と電化の対象地域の拡大に伴い、送電線の交流電圧は 220、380、500、750 kV と一貫して増加しています。シベリア、カザフスタン北部、ウラル山脈の電力システムを接続するために、1150 kV の送電線が建設されました。世界のどの国にもそのような電線はありません。支柱の高さは最大45メートル（15階建ての建物の高さ）、三相の各電線間の距離は23メートルです。

しかし、高圧電線は生命に危険が伴うため、住宅や工場、工場内に引き込むことはできません。そのため、電力を消費者に送電する前に、降圧変電所で高電圧電流が低減されます。

交流送電回路は以下の通りです。発電機で生成された低圧電流は昇圧変電所の変圧器に供給され、高圧電流に変換され、送電線に沿ってエネルギー消費場所に送られ、ここで変圧器によって低圧電流に変換されます。現在の状態になり、消費者の手に渡ります。

我が国は、別の種類の送電線である直流線の創設者です。送電線の長さが1.5〜2000 kmを超えると、直流を送電するときの電力損失が少なくなるため、交流よりも直流を送電線で送電する方が有益です。電流は家庭に導入される前に交流に戻されます。

高電圧電流を都市に導入し、降圧変電所に配電するために、ケーブル送電線が地中に敷設されます。専門家は、将来的には架空送電線がケーブル線に取って代わられると考えています。架空線には、高圧電線の周囲に地球の磁場を超える電場が発生するという欠点があります。そしてそれが人体に悪影響を及ぼすのです。将来、送電線に沿って送られる電圧と電流がさらに増加した場合、これはさらに大きな危険をもたらす可能性があります。すでに現在、望ましくない結果を避けるために、何も建設することが禁止されている送電線の周囲に「通行用地」を設ける必要があります。

将来の超電導送電線を模擬したケーブル線路の試験が行われた。最先端の断熱材の層で覆われた金属パイプの内側には、多くの導体からなる銅のコアがあり、それぞれがニオブのフィルムで覆われています。パイプ内は実際の宇宙の寒さ、つまり 4.2 K の温度に保たれています。この温度では、抵抗による電気の損失はありません。

電気を送電するために、科学者はガス充填ライン (GIL) を開発しました。 GIL は、六フッ化硫黄ガスが充填された金属パイプです。このガスは優れた絶縁体です。計算によると、ガス圧力を高めると、パイプ内に敷設されたワイヤに最大 500 kV の電圧の電流を流すことが可能になります。

地下に敷設されたケーブル送電線は、特に大都市において、数十万ヘクタールの貴重な土地を節約します。

すでに述べたように、このような送電には顕著な損失が伴います。実際のところ、電流は送電線のワイヤを加熱します。ジュール・レンツの法則に従って、線路の加熱に費やされるエネルギーは次の式で求められます。

Q = 私 2RT

ここで、R はライン抵抗です。線路の長さが非常に長い場合、エネルギー伝送は経済的に採算が合わなくなる可能性があります。配線抵抗を大幅に低減することは実際には非常に困難です。したがって、電流強度を下げる必要があります。

現在の電力は電流と電圧の積に比例するため、送電電力を維持するには送電線の電圧を高める必要があります。さらに、送電線が長くなればなるほど、より高い電圧を使用する方が有利になります。したがって、ヴォルシスカヤHPP - モスクワの高圧送電線では、500 kVの電圧が使用されます。一方、交流発電機は16〜20 kVを超えない電圧向けに作られています。電圧が高くなると、発電機の巻線やその他の部分を絶縁するための複雑な特別な措置が必要になります。

そのため、大規模な発電所には昇圧変圧器が設置されています。変圧器は、電流を減少させるのと同じ量だけ線路の電圧を増加させます。

工作機械のモーター、照明ネットワーク、その他の目的で電気を直接使用するには、送電線の両端の電圧を下げる必要があります。これは降圧トランスを使用して実現されます。

通常、電圧の低下とそれに伴う電流の増加はいくつかの段階で起こります。各段階で電圧はますます低くなり、電気ネットワークがカバーする領域は広くなります（図4）。

電圧が非常に高い場合、ワイヤ間でコロナ放電が始まり、エネルギー損失が発生します。交流電圧の許容振幅は、ワイヤの所定の断面積に対して、コロナ放電によるエネルギー損失が無視できるものでなければなりません。

国内の多くの地域にある発電所は高圧送電線で接続され、消費者が接続される共通の電力網を形成しています。エネルギーシステムと呼ばれるこの組み合わせにより、朝と夕方のエネルギー消費の「ピーク」負荷を平準化することができます。電力システムは、消費者の場所に関係なく、消費者へのエネルギーの途切れのない供給を保証します。現在、国のほぼ全域に統一エネルギーシステムによって電力が供給されています。

我が国では、1 日あたり 1% の電力の損失が約 50 万ルーブルの損失をもたらします。

3.2 変圧器

交流は直流と異なり、その強さを比較的容易に変えることができるという利点があります。ある電圧の交流を別の電圧の交流に変換する装置は、変圧器と呼ばれます（ラテン語の「transformo」-「私は変換する」から）。変圧器は、1876 年にロシアの電気技師 P. N. ヤブロチキンによって発明されました。

トランスは、薄い特殊鋼板で作られたコア上に、絶縁線を備えたフレームに巻かれた複数のコイル（巻線）で構成されています。

一次巻線と呼ばれる一方の巻線を流れる交流電流は、その周囲とコア内に交流磁場を生成し、トランスのもう一方の二次巻線の巻線を横切り、そこに交流起電力を励起します。白熱灯を二次巻線の端子に接続するだけで十分であり、結果として生じる閉回路には交流が流れます。したがって、電気エネルギーは、変圧器の 1 つの巻線から別の巻線に直接接続することなく、巻線を接続する交流磁界のみによって伝達されます。

両方の巻線の巻き数が異なる場合、一次巻線に誘導されるのと同じ電圧が二次巻線にも誘導されます。たとえば、変圧器の一次巻線に 220 V の交流を印加すると、二次巻線に 220 V の電流が流れます。巻線が異なると、二次巻線の電圧は等しくなくなります。一次巻線に供給される電圧に応じて変化します。昇圧トランスの場合、つまり電流の電圧を増加させる変圧器では、二次巻線には一次巻線よりも多くの巻数が含まれているため、二次巻線の電圧は一次巻線よりも大きくなります。逆に、降圧トランスでは、二次巻線の一次巻線よりも巻数が少ないため、二次巻線にかかる電圧は低くなります。

変圧器は産業や日常生活で広く使用されています。電力変圧器を使用すると、電力線に沿って交流を低エネルギー損失で長距離伝送することができます。そのために、発電所の発電機で生成された交流電圧は、変圧器を使用して数十万ボルトの電圧に昇圧され、送電線に沿ってさまざまな方向に送られます。発電所から何キロも離れたエネルギー消費地点では、この電圧は変圧器によって低下します。

動作中、強力な変圧器は非常に高温になります。コアと巻線の加熱を軽減するために、変圧器は鉱物油の入った特別なタンクに入れられます。このような冷却システムを備えた変圧器の寸法は非常に印象的で、高さは数メートルに達し、重量は数百トンにもなります。このような変圧器に加えて、ラジオ、テレビ、テープレコーダー、および電話で動作する小型変圧器もあります。このような変圧器の助けを借りて、デバイスのさまざまな回路に供給するいくつかの電圧が得られ、ある電気回路から別の電気回路へ、カスケードからカスケードへ信号を中継し、電気回路を分離します。

すでに述べたように、変圧器は閉じた鋼鉄コアで構成され、その上に巻線を備えた 2 つ (場合によってはそれ以上) のコイルが配置されます (図 5)。巻線の 1 つは一次巻線と呼ばれ、交流電圧源に接続されています。「負荷」が接続される二次巻線、つまり電気を消費する機器や装置は二次と呼ばれます。 2 つの巻線を持つ変圧器の設計図を図 6 に示します。

変圧器の動作は電磁誘導現象に基づいています。交流が一次巻線を通過すると、コアに交流磁束が発生し、各巻線に誘導起電力が励起されます。変圧器の鋼鉄コアは磁場を集中させるため、磁束はほぼコア内にのみ存在し、すべてのセクションで同じになります。

一次巻線または二次巻線のどの巻線でも、誘導起電力の瞬時値は同じです。ファラデーの法則によれば、次の式で求められます。

e = - Ф、

ここで、Ф は時間に対する誘導磁束の導関数です。もし

F=F メートル cos wt、すると

したがって、

e = wФ メートル罪だ、

e = E メートル罪だ、

ここで E メートル = wФ メートル - 1 回転における EMF の振幅。

電気を消費する回路が二次巻線の端に接続されている場合、またはよく言われるように変圧器が負荷されている場合、二次巻線の電流はゼロではなくなります。レンツの法則によれば、結果として生じる電流はコア内の磁場の変化を減少させるはずです。

しかし、結果として生じる磁束の振動の振幅を減少させると、一次巻線の誘導起電力も減少するはずです。しかし、あなたによると、これは不可能です 1~e 1。したがって、二次巻線回路が閉じると、一次巻線の電流は自動的に増加します。その振幅は、結果として生じる磁束の振動の振幅の以前の値を復元するように増加します。

一次巻線回路の電流強度の増加は、エネルギー保存の法則に従って発生します。変圧器の二次巻線に接続された回路への電気の放出には、変圧器によるネットワークからの同じエネルギーの消費が伴います。一次巻線。定格に近い変圧器負荷における一次回路の電力は、二次回路の電力とほぼ等しくなります: U 1私 1~U 2私 2.

これは、変圧器を使用して電圧を数回増加させると、同じ量だけ電流が減少することを意味します（逆も同様）。

最新の強力な変圧器では、総エネルギー損失は 2 ～ 3% を超えません。

電気エネルギーの伝送が経済的に有利であるためには、ワイヤの加熱損失を可能な限り小さくする必要があります。これは、高電圧の下で長距離に電力を伝送することによって実現されます。実際、電圧が増加すると、同じエネルギーをより低い電流強度で伝送できるため、ワイヤの加熱が減少し、したがってエネルギー損失が減少します。実際には、エネルギーを伝送する際には、110、220、380、500、750、1150 kV の電圧が使用されます。電力線が長くなると、使用する電圧も高くなります。

交流発電機は数キロボルトの電圧を生成します。発電機をより高い電圧に変換することは困難です。このような場合、電流が流れる発電機のすべての部分の特に高品質の絶縁が必要になります。そのため、エネルギーを長距離伝送する場合には、昇圧変電所に設置された変圧器を用いて電圧を昇圧する必要があります。

変電所の動作スキーム：昇圧、コンバータ（牽引）、降圧。

変換された高電圧は、電力線を通じて消費点まで伝送されます。しかし、消費者は高電圧を必要としません。下げる必要があります。これは降圧変電所で実現されます。

降圧変電所は、地区変電所、主降圧変電所、ローカル変電所に分かれています。地区のものは高圧送電線から直接電力を受け取り、電圧を下げて主要な降圧変電所に送電し、そこで電圧は 6.10 または 35 kV に減圧されます。主要な変電所から地元の変電所に電力が供給され、そこで電圧が 500、380、220V に降圧されて産業企業や住宅に配電されます。

場合によっては、昇圧変電所の後ろに、交流を直流に変換するコンバータ変電所もあります。ここで電流の調整が行われます。直流電流は送電線を介して長距離伝送されます。同じ変電所の線路の終点で、再び交流に変換（反転）され、主要な降圧変電所に供給されます。電化された輸送機関や産業施設に直流で電力を供給するために、コンバータ変電所 (輸送ではトラクションと呼ばれます) が主要な降圧変電所とローカル変電所の隣に建設されます。

変流器発電機

第4章鉄鋼メーカーのためのエネルギー

.1 電気炉での鉄鋼生産

電気炉は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して得られた熱を溶解する材料に伝達する装置です。電気エネルギーを熱に変換する方法に応じて、電気炉は次のグループに分類されます。

) アーク内で電気が熱に変換されるアーク。

) 抵抗炉。電流が流れることによって特殊な元素や原材料に熱が発生します。

) 組み合わせて、アーク炉と抵抗炉 (鉱石熱炉) として同時に動作します。

）電磁誘導によって金属内で励起された渦流によって金属が加熱される誘導。

）電子ビーム。真空中の電流の助けを借りて、厳密に指向された電子の流れが生成され、出発物質に衝撃を与えて溶解します。

) プラズマ。低温プラズマによって金属の加熱と溶解が行われます。

電気炉では、硫黄やリン、非金属介在物の含有量が低く、合金元素の損失がはるかに少ない合金鋼を製造することができます。電気製錬のプロセスでは、金属とその組成の温度を正確に制御し、ほぼあらゆる組成の合金を溶解することができます。

電気炉には他の製鉄装置に比べて大きな利点があるため、高合金工具合金、ステンレス製ボールベアリング合金、耐熱鋼および耐熱鋼、さらに多くの構造用鋼はこれらの炉でのみ精錬されます。強力な電気炉を使用して、低合金および高炭素の平炉鋼を製造することに成功しています。さらに、さまざまな合金鉄が電気炉で製造されます。これらは、合金化と脱酸のために鋼中に除去する必要がある元素を含む鉄の合金です。

電気炉の建設。

ロシア初の電気アーク炉は 1910 年にオブホフ工場に設置されました。 5 か年計画の何年にもわたって、何百もの異なる炉が建設されました。ソ連最大の炉の容量は200トンで、この炉は球形の底部を備えた円筒形の鉄製のケーシングで構成されています。ケーシングの内側には耐火性の内張りが施されています。炉の溶解スペースは取り外し可能な屋根で覆われています。

オーブンには作業窓と排水シュート付きの出口が付いています。炉は三相交流によって電力を供給されます。金属の加熱と溶解は、3 つの電極の端と炉内の金属の間で燃焼する強力な電気アークによって実行されます。炉は、フレームに沿って回転する 2 つの支持セクターの上にあります。出口および作業窓に向けた炉の傾斜は、ラックアンドピニオン機構を使用して実行されます。炉に装填する前に、チェーンに吊り下げられたアーチがポータルまで上昇し、次にアーチと電極を備えたポータルが排水シュートの方向に回転し、炉にタブが装填されます。

アーク炉の機械設備。

炉枠は耐火物や金属の塊からの負荷に耐える必要があります。これは、炉のサイズに応じて、厚さ16〜50 mmの溶接された鉄板で作られています。ケーシングの形状は、電気炉の作業空間の形状を決定します。現在使用されている最も一般的なタイプのケーシングは円錐形ケーシングです。ケーシングの下部は円筒形で、上部は上部に向かって伸びる円錐形です。このケーシングの形状により、炉に耐火材料を充填することが容易になり、傾斜壁は電気アークから離れた位置にあるため、石積みの耐久性が向上します。水冷パネルを備えた円筒形のケーシングも使用されます。正しい円筒形状を維持するために、ケーシングはリブと補強リングで補強されています。ケーシングの底部は通常、球形に作られており、これによりケーシングの最大の強度が確保され、石材の重量が最小限に抑えられます。炉下に電磁撹拌装置を設置するため、底部は非磁性鋼製です。

オーブンの上部は金庫で覆われています。ボールトは、金属製の水冷式ボールトリング内の耐火レンガで組み立てられており、アーチ型の球形ボールトの推力に耐えます。リングの下部には、ナイフのような突起があり、これが砂のシールにはめ込まれています。炉のケーシング。金庫室のレンガ造りには電極用の穴が 3 つ残されています。穴の直径は電極の直径よりも大きいため、溶解中に高温のガスがギャップに突入し、電極を破壊し、炉から熱を奪います。これを防ぐために、冷蔵庫またはエコノマイザーが保管庫に設置され、電極穴を密閉し、保管庫の石積みを冷却します。ガスダイナミックエコノマイザーは、電極の周囲にエアカーテンを使用してシールを提供します。屋根には粉塵ガスを吸引するための穴と酸素ランス用の穴もあります。

装入物を小容量の炉に装填し、合金化およびフラックスを大型の炉に装填し、スラグをダウンロードする炉、炉の検査、充填および修理を行うために、鋳造フレームで囲まれた装填窓があります。フレームにはガイドが取り付けられており、それに沿ってダンパーがスライドします。ダンパーは耐火レンガで裏打ちされています。ダンパーを持ち上げるには、空気圧、油圧、または電気機械式の駆動装置が使用されます。

ケーシングの反対側には、炉から鋼を取り出すための窓があります。排水溝が窓に溶接されています。スチールをリリースするための穴は、直径 120 ～ 150 mm の円形または直径 150 x 250 mm の四角形にすることができます。排水シュートはトラフ状の断面を持ち、水平に対して 10 ～ 12°の角度でケーシングに溶接されています。側溝の内側には耐火粘土レンガが並べられており、その長さは1〜2メートルです。

電極ホルダーは、電極に電流を供給し、電極をクランプするために使用されます。電極ホルダーのヘッドは青銅または鋼でできており、炉からの熱と接触電流の両方で非常に高温になるため、水で冷却されます。電極ホルダーは電極をしっかりとクランプし、接触抵抗が低い必要があります。現在最も一般的なのは、スプリング空気圧電極ホルダーです。電極は固定リングとクランププレートを使用してクランプされ、クランププレートはバネによって電極に押し付けられます。プレートは電極から圧縮され、スプリングは圧縮空気を使用して圧縮されます。電極ホルダーは金属スリーブ (コンソール) に取り付けられており、L 字型の可動スタンドに取り付けられて 1 つの剛性構造になっています。ポストは固定ボックスポスト内で上下に移動できます。 3 つの固定ポストが 1 つの共通構造にしっかりと接続され、炉支持クレードルのプラットフォーム上に置かれます。

可動伸縮式ラックの移動は、電気モーターで駆動されるケーブルとカウンターウェイトのシステムを使用するか、油圧装置を使用して行われます。電極を動かす機構は、溶解プロセス中に電荷が崩壊した場合に電極を迅速に持ち上げることができるとともに、金属への電極の浸漬や溶解していない部分への衝撃を避けるために電極をスムーズに下降させることを保証する必要があります。充電。電極の上昇速度は 2.5 ～ 6.0 m/min、下降速度は 1.0 ～ 2.0 m/min です。

炉傾斜機構は、鋼を放出するために炉を出口に向かって 40 ～ 45 度の角度で、スラグを排出するために作業窓に向かって 10 ～ 15 度の角度で滑らかに傾ける必要があります。本体が設置される炉フレーム、つまりクレードルは 2 ～ 4 つの支持セクターの上にあり、水平ガイドに沿って回転します。セクターには穴があり、ガイドには歯があり、オーブンを傾けたときにセクターが滑るのを防ぎます。炉の傾斜は、ラックアンドギア機構または油圧駆動を使用して実行されます。 2 つのシリンダーが固定基礎サポートに取り付けられ、ロッドは炉クレードルの支持セクターにヒンジで接続されています。

炉の装填システムには 2 つのタイプがあります。1 つはマルドーザ装填機を使用した充填窓からの装入、もう 1 つはバケットを使用した上部からの装入です。窓からの投入は小型オーブンでのみ使用されます。 1 つまたは 2 つのステップで 5 分間炉に上から負荷をかけると、ライニングの冷却が少なくなり、溶解時間が短縮されます。エネルギー消費が削減されます。炉容積がより効率的に使用されます。炉に装填するには、屋根を炉ケーシングから 150 ～ 200 mm 上に上げ、電極とともに横に向けて、装入槽を導入するために炉の作業スペースを完全に開きます。炉の屋根はフレームから吊り下げられています。これは、電極ホルダーの固定スタンドに接続されて 1 つの剛性構造になり、サポートベアリングに取り付けられた回転コンソール上に置かれます。大型の炉には回転塔があり、その中に屋根を回転させるためのすべての機構が集中しています。タワーは、円弧状のレールに沿ったローラー上のヒンジを中心に回転します。

浴槽は鋼製の円筒形で、その直径は炉の作業スペースの直径よりも小さいです。シリンダーの底部には可動の柔軟なセクターがあり、その端はケーブルでリングを通して一緒に引っ張られます。装入物の計量と装填は電気炉溶解工場の装入ヤードで行われます。浴槽は台車で作業場に運ばれ、クレーンで吊り上げられてオーブンに入れられます。

クレーンの補助吊り上げの助けを借りて、ケーブルがセクターの目から引き出され、タブを持ち上げるときにセクターが開き、装入物が炉内に置かれた順序で炉に投入されます。浴槽。金属化ペレットを装入物として使用する場合、炉の屋根の穴に通るパイプラインを通じて連続的に装入を実行できます。溶解中、電極は装入物内の 3 つの井戸を切断し、その底に液体金属が蓄積します。溶解を加速するために、炉には本体を一方向または他方向に 80 度の角度で回転させる回転装置が装備されています。この場合、電極は充電中に 9 つのウェルを切断します。本体を回転させるには、アーチを持ち上げ、電極を充電レベルより上に上げ、本体とギアに取り付けられたリングギアを使用して本体を回転させます。炉本体はローラーの上に置かれます。

排気ガスの浄化。

最新の大型製鋼アーク炉は、運転中に大量の粉塵ガスを大気中に排出します。酸素と粉末材料の使用がこれにさらに貢献します。

電気炉のガス中のダスト含有量は 10 g/m^3 に達し、基準を大幅に超えています。粉塵を収集するために、強力なファンを使用して炉の作業空間からガスを吸引します。これを行うには、ガス吸引パイプを使用して炉の屋根に 4 番目の穴を開けます。パイプは、オーブンを傾けたり回転させたりできる隙間を介して固定パイプラインに接続されています。その過程で、ガスは CO の後燃焼に必要な空気で希釈されます。次に、ガスは熱交換器内のウォータージェットによって冷却され、ベンチュリ管システムに送られ、そこで粉塵が加湿によって保持されます。布製フィルター、解砕機、電気集塵機も使用されます。電気炉工場全体を含むガス浄化システムが使用されており、電気炉の上の工場屋根の下に排煙フードが設置されています。

炉内張り。

ほとんどのアーク炉には、MgO ベースの材料で構成されるメインライニングが付いています。炉内壁は金属浴を形成し、熱の損失を減らす断熱層の役割を果たします。ライニングの主な部分は、炉の底部、壁、屋根です。電気アークの領域の温度は数千度に達します。炉の内張りはアークから分離されていますが、それでも 1700°C までの温度に耐える必要があります。この点において、ライニングに使用される材料は、高い耐火性、機械的強度、耐熱性、耐薬品性を備えていなければなりません。製鋼炉の炉床は次の順序で組み立てられます。シートアスベストは、鋼製ケーシングの上、耐火粘土粉末のアスベスト層、耐火粘土レンガの 2 層、およびマグネサイトレンガのベース層の上に置かれます。樹脂と石油精製製品であるピッチを含むマグネサイト粉末の作業層がマグネサイトレンガの底に充填されています。印刷層の厚さは２００μｍである。炉床の総厚さは浴の深さとほぼ同じで、大きな炉では1mに達することもあります。炉の壁は、長さ430 mmまでの大型の未焼成マグネサイト-クロマイトレンガからアスベストと耐火粘土レンガを適切に敷設した後に配置されます。壁石積みは鉄カセット内のレンガから作ることができ、レンガを確実に溶接して 1 つのモノリシックブロックにします。壁の耐久性は100〜150回の溶解に達します。囲炉裏の耐久年数は1～2年です。炉の屋根の内張りは困難な状況で作業します。燃焼アークやスラグからの反射熱による大きな熱負荷に耐えます。大型炉の金庫室はマグネサイト-クロマイトレンガで作られています。金庫室を建設するときは、通常のレンガと成形されたレンガが使用されます。断面では、アーチ型のアーチ型になっており、レンガ同士がしっかりと接着されています。アーチの耐久性は50～100メルトです。それは、製錬の電気モード、炉内の液体金属の滞在時間、製錬される鋼とスラグの組成によって異なります。現在、水冷式のボールトや壁パネルが普及しつつあります。これらの要素はライニング作業を容易にします。

電流は、直径 100 ～ 610 mm、長さ 1500 mm までの丸ビレットのセクションから組み立てられた電極を介して炉の溶解空間に供給されます。小型の電気炉ではカーボン電極が使用され、大型の電気炉ではグラファイトが使用されます。グラファイト電極は、石油コークス、樹脂、ピッチなどの低灰炭素材料から作られています。電極塊を混合してプレスした後、未加工のワークピースをガス炉で 1300 度で焼成し、さらに電気抵抗炉で 2600 ～ 2800 度の温度で黒鉛化焼成を行います。動作中、炉のガスによる酸化とアーク燃焼中の霧化の結果、電極が焼き切れます。

電極が短くなると、電極は炉内に下げられます。この場合、電極ホルダーはアーチに近づきます。電極が短くなりすぎてアークを支えられなくなると、電極を延長する必要があります。電極を延長するには、セクションの端にネジ穴が開けられ、そこにアダプターニップルがねじ込まれ、個々のセクションが接続されます。電極の消費量は、生産される鋼材 1 トンあたり 5 ～ 9 kg です。

電気アークは、電流がイオン化したガスや金属蒸気を通過する放電の一種です。電極が電荷に短時間近づくか、電極同士が近づくと、短絡が発生します。

大きな電流が流れています。電極の端が白熱します。電極を離すと、電極間にアークが発生します。電子の熱イオン放出は熱陰極から発生し、陽極に向かって中性ガス分子と衝突してイオン化します。マイナスイオンはアノードに、プラスイオンはカソードに送られます。アノードとカソードの間の空間はイオン化され、導電性になります。アノードに電子やイオンを衝突させると、アノードが大幅に加熱されます。陽極温度は4000度に達することがあります。アークは直流および交流で燃焼します。電気アーク炉は交流で動作します。最近、ドイツに直流電気アーク炉が建設されました。

期間の前半では、電極が陰極であるときにアークが燃焼します。極性が変化し、電荷である金属が陰極になると、アークが消えます。これは、溶解の初期段階では金属がまだ加熱されておらず、その温度が電子の放出には不十分であるためです。したがって、溶解の初期段階では、アークは休むことなく断続的に燃焼します。浴がスラグの層で覆われると、アークは安定し、より均一に燃焼します。

電気設備。

電極は、炉の作業空間に電流を供給し、電気アークを形成する働きをします。電極にはカーボンまたはグラファイトを使用できます。電気製鋼では主に黒鉛化電極が使用されます。カーボン電極は小型炉でよく使用されます。

アーク炉の電気機器には、主電流回路、制御および測定、保護および信号装置用の機器に加え、電極移動機構用の自動レギュレーター、炉機構用の電気駆動装置、および電磁金属撹拌用の設備が含まれます。

電気アーク炉の動作電圧は 100 ～ 800 V で、電流は数万アンペア単位で測定されます。 1 回の設置での電力は 50 ～ 140 MVA*A に達することがあります。電気炉工場変電所には最大 110 kV の電流電圧が供給されます。高電圧は炉用変圧器の一次巻線に電力を供給します。アーク炉の電気機器には次の装置が含まれます。

空気断路器は、溶解中に電気炉設備全体を高電圧ラインから切り離すように設計されています。断路器は電流のオン/オフを目的としたものではないため、アークのない隆起電極でのみ使用できます。断路器の構造は三相チョッパ式スイッチです。

主回路ブレーカーは、負荷時に高電圧電流が流れる電気回路を切断するために使用されます。精錬の開始時に装入物がまだ冷たいときに装入物が炉内にしっかりと配置されていないと、アークが不安定に燃焼し、装入物が崩壊して電極間に短絡が発生します。この場合、電流強度は急激に増加します。これにより、変圧器に大きな過負荷がかかり、故障する可能性があります。電流が設定された制限を超えると、スイッチは自動的に設備をオフにし、最大電流リレーが存在します。

高電圧を低電圧 (6 ～ 10 kV から 100 ～ 800 V) に変換するには、炉用変圧器が必要です。高電圧および低電圧の巻線とそれらが配置される磁気回路は、巻線を冷却する役割を果たすオイルの入ったタンク内に配置されています。冷却は、変圧器のケーシングから熱交換器タンクに油を強制的に圧送することによって行われ、そこで油は水で冷却されます。変圧器は専用室の電気炉の隣に設置されています。巻線を段階的に切り替えて、炉に供給される電圧を段階的に調整できる装置が付いています。たとえば、容量 65 MV*A の 200 トンの家庭用炉用の変圧器には、炉をオフにすることなく負荷時に切り替わる 23 の電圧レベルがあります。

変圧器から電極までの電気ネットワークのセクションは、ショートネットワークと呼ばれます。変電所の壁から出ているフィーダーは、柔軟な水冷ケーブルを使用して電極ホルダーに電圧を供給します。可撓性セクションの長さは、炉の望ましい傾斜と装填のための屋根の開口部を許容する必要があります。フレキシブルケーブルは、電極ホルダーのスリーブに取り付けられた銅製の水冷バーに接続されています。パイプタイヤは電極をクランプする電極ホルダーヘッドに直接接続されています。示されている電気ネットワークの主要コンポーネントに加えて、変流器または変圧器を介して電流線に接続されたさまざまな測定機器や、製錬プロセスの自動制御のための装置が含まれます。

自動調整。

溶解が進むにつれて、さまざまな量のエネルギーを電気炉に供給する必要があります。アーク電圧または電流を変更することで、電源を変更できます。電圧調整は、トランスの巻線を切り替えることによって実行されます。電流は、電極を上げたり下げたりして電極と電荷の間の距離を変えることによって調整されます。この場合、アーク電圧は変化しません。電極の昇降は炉の各相に設置された自動調整器により自動的に行われます。最新の炉では、溶解期間全体にわたって特定の電気モードプログラムを設定できます。

金属を電磁的に混合する装置。

大型アーク炉で金属を混合し、スラグをダウンロードする技術的操作をスピードアップして容易にするために、電気巻線が炉の底部の下のボックスに設置され、水または圧縮空気で冷却されます。固定子巻線は、二相発電機からの低周波電流によって電力を供給されます。これにより、液体金属浴を捕捉する進行磁場が生成され、金属の下層が炉の底部に沿って磁場の移動方向に移動します。金属の上層は、それに隣接するスラグとともに反対方向に移動します。このようにして、動きを作業窓に向けて炉からのスラグの排出を促進するか、ドレン穴に向けて合金化剤と脱酸剤の均一な分布と金属組成とその平均化を促進することができます。温度。頑丈な炉では金属がアークによって活発に混合されるため、この方法は最近では使用が限定されています。メイン電気炉で鋼を溶解します。

原材料。

電気製錬の主原料は鉄スクラップです。大量の錆が存在すると鋼鉄に大量の水素が導入されるため、スクラップは過度に酸化すべきではありません。化学組成に応じて、スクラップを適切なグループに分類する必要があります。電気炉で溶解するスクラップの主な量は、コンパクトで重いものでなければなりません。スクラップの嵩が小さいと、溶解部分全体が炉に入りきらない。製錬プロセスを中断して装薬を装填する必要があります。これにより溶解時間が長くなり、エネルギー消費量が増加し、電気炉の生産性が低下します。最近では、直接還元法で得られた金属化ペレットが電気炉に使用されるようになりました。 85 ～ 93% の鉄を含むこのタイプの原料の利点は、銅やその他の不純物で汚染されていないことです。高強度構造用合金鋼、電磁鋼、ボールベアリング鋼の製錬にはペレットを使用することをお勧めします。

合金廃棄物は、電気炉溶解工場でアンダーキャストインゴットおよびスプルーの形で生成されます。ストリップ部門ではチップの形で、圧延工場ではトリムとスクラップの形で、など。さらに、多くの合金スクラップが機械製造工場から出てきます。合金金属廃棄物の使用により、貴重な合金材料を節約でき、電気溶融物の経済効率が向上します。軟鉄は平炉炉と転炉で特別に精錬され、電気精錬プロセス中の炭素含有量を制御するために使用されます。

4.2 電気エネルギーの典型的な受信機

検討中のグループのコンシューマは、3 つのフェーズすべてにわたって均一かつ対称的な負荷を作成します。負荷衝撃は始動時にのみ発生します。力率は非常に安定しており、通常は 0.8 ～ 0.85 の値になります。大型ポンプ、コンプレッサー、ファンの電気駆動には、優れた力率で動作する同期モーターが最もよく使用されます。

昇降装置および輸送装置は断続モードで動作します。これらのデバイスは、頻繁な負荷衝撃が特徴です。負荷の突然の変化により、力率も平均 0.3 ～ 0.8 という大幅な制限内で変化します。無停電電源装置の観点から、これらのデバイスは (運用および設置場所に応じて) 第 1 および第 2 カテゴリーの消費者として分類される必要があります。昇降装置および輸送装置は交流 (50 Hz) と直流の両方を使用します。ほとんどの場合、AC 側の巻上装置からの負荷は、3 相すべてにわたって対称であると考える必要があります。

電気照明設備

電球は単相負荷ですが、電気ネットワーク内の受信機の電力が低いため (通常は 2 kW 以下)、照明器具を正しくグループ化すると、相全体でかなり均一な負荷を実現できます (非対称性は 5 ～ 10% 未満です)。

荷重の性質は衝撃がなく均一ですが、その値は時間、年、地理的位置によって異なります。現在の周波数は一般的な工業用であり、50 Hz に相当します。白熱灯の力率は 1、ガス放電ランプの力率は 0.6 です。ガス放電ランプを使用する場合、配線、特に中性線に高調波が現れることに留意する必要があります。

照明設備への電源供給における短期間（数秒）の緊急中断は許容されます。生産の種類によっては、栄養補給のための長時間の休憩（数分から数時間）は容認できません。このような場合、2 番目の電流源 (場合によっては独立した DC 電源) からの電力バックアップが使用されます。照明の停止が人々の安全を脅かす産業では、特別な非常照明システムが使用されます。産業企業の照明設備には、6 ～ 220 V の電圧が使用されます。

コンバーターの設置

三相電流を直流に変換するか、工業用周波数 50 Hz の三相電流を低周波、高周波、または高周波の三相または単相電流に変換するために、コンバータ停止装置が産業企業の敷地内に設置されます。

電流コンバータのタイプに応じて、コンバータの停止は次のように分類されます。

) 半導体コンバーターの設置。

) 水銀整流器を備えたコンバータユニット。

) モータージェネレーター付きコンバーターユニット、

) コンバータは機械式整流器で停止します。

目的に応じて、コンバータの設置は電力供給のために折りたたまれます

) 多数の機械や機構のエンジン。

）電解槽。

）工場内の電気輸送。

）電気集塵機。

) 直流溶接設備など

電解目的のコンバータ設備は、電解アルミニウム、鉛、銅などの生産のための非鉄冶金業界で広く使用されています。このような設備では、原則としてシリコン整流器を使用した電圧 6 ～ 35 kV の工業用周波数電流が使用されます。技術的条件に応じて必要な直流電圧に変換されます (最大 825 V)。

電解設備への電源供給の遮断は、主要機器の損傷を伴う重大な事故にはつながりませんが、数分間、場合によっては数時間は許容されます。ここで、停電は主に生産の不足に関連しています。。ただし、逆起電力が原因です。電解浴では、場合によっては、放出された金属が浴溶液に戻る移動が発生する可能性があるため、同じ金属を新たに放出するための追加のエネルギー消費が、最初の電気分解装置の受信機と同様に、電気エネルギーを供給する必要があります。電気分解装置の力率は、電気分解装置の力率が約 0.85 ～ 0.9 であることが特徴です。一定の整流電流が必要であり、これに関連して交流側の電圧を調整する必要があります。

産業内の電気輸送（運搬、吊り上げ、さまざまな種類の貨物移動など）用のコンバータ設備は、比較的小さな電力（数百から 2000 ～ 3000 kW）です。このような設備の力率は 0.7 ～ 0.8 の範囲です。 AC 側の負荷は位相が対称ですが、トラクションモーターの動作中に電流のピークにより急激に変化します。このグループの受信機への電源供給の中断は、製品や設備 (特に冶金工場) の損傷につながる可能性があります。。輸送業務の停止は通常、企業の運営に重大な混乱を引き起こすため、このグループの消費者には、第 1 または第 2 カテゴリーの受信機と同様に、電力供給の短期間の中断を許容して電力を供給する必要があります。これらの設備の一部は、電圧 0.4 ～ 35 kV の工業用周波数の交流によって生成されます。

最大 100 ～ 200 kW の電気集塵機（機械式整流器付き）に電力を供給するコンバータ設備は、ガス精製に広く使用されています。これらの設備は、一次巻線の電圧が 6 ～ 10 kV の特別な変圧器からの工業用周波数の交流によって電力を供給されます。これらの設定の力率は 0.7 ～ 0.8 です。高電圧側の負荷は対称的かつ均一であり、その期間は化学プラントなどの製造プロセスによって異なります。これらの設備は第 1 および第 2 のカテゴリーの受信機として分類されます。

生産機構の電動モーター

このタイプの受信機は、あらゆる産業企業で使用されており、最新の工作機械を駆動するためにあらゆる種類のモーターが使用されています。モーターの出力は非常に多様で、数分の一から数百キロワット以上まで変化します。高い回転速度とその調整が必要な機械では、整流器ユニットによって電力を供給される DC モーターが使用されます。主電源電圧 660-380/220 V、周波数 50 Hz 力率は技術プロセスに応じて大きく異なります電源の信頼性の観点から、このグループの受信機は原則として 2 番目のカテゴリーに属します。多くの機械では、特に大型で高価な部品を加工する場合、安全条件 (操作員が負傷する可能性) や製品に損傷を与える可能性があるため、停電が許容されません。

電気炉および電熱設備

電気エネルギーを熱に変換する方法に応じて、次のように分類できます。

）抵抗炉。

) 誘導炉および設備。

）電気アーク炉。

) 混合加熱を備えたオーブン。

抵抗炉は加熱方法により間接式炉と直動式炉に分けられます。間接炉内での材料の加熱は、電流が流れるときに発熱体によって発生する熱によって発生します。間接加熱炉は最大 1000 V の電圧を備えた設備で、ほとんどの場合、工業用周波数 50 Hz の 380 V ネットワークから電力が供給されます。炉は、単位から数千キロワットまでの単相および三相電力で生産されます。ほとんどの場合、力率は 1 です。

直動炉では、電流が流れるときに加熱された製品から放出される熱によって加熱が行われます。炉は最大 3000 kW の単相および三相電力で作られています。電力供給は、380/220 V ネットワークからの 50 Hz の工業用周波数電流で、または高電圧ネットワークからの降圧変圧器を通じて実行されます。力率は 0.7 ～ 0.9 の範囲にあり、無停電電源の観点から見ると、ほとんどの抵抗炉はカテゴリ 2 の電気エネルギー受信機に属します。

誘導加熱および誘電加熱のための炉および設備は、誘電体の硬化および加熱のための溶解炉および設備に分けられます。

慣性炉内での金属の溶解は、誘導電流の通過中にその中で発生する熱によって行われます。

溶解炉は、スチールコアの有無にかかわらず製造されます。中子炉は、非鉄金属およびその合金の溶解に使用されます。炉には、電力に応じて 380 V 以上の電圧と 50 Hz の工業用周波数電流が供給されます。コア炉には、最大 2000 kVA の電力を備えた単相、二相、三相バージョンが用意されています。力率の範囲は 0.2 ～ 0.8 です (アルミニウム製錬用の炉は cos(?) = 0.2 ～ 0.4、銅製錬用の炉は 0.6 ～ 0.8 です)。コアレス炉は、高品質の鋼鉄と、あまり一般的ではありませんが非鉄金属の製錬に使用されます。コアのない工業炉は、電圧 380 V 以上のネットワークからの 50 Hz の工業用周波数電流と、サイリスタまたは電気機械コンバータからの 500 ～ 10,000 Hz の高周波電流によって電力を供給できます。コンバータの駆動モーターは工業用周波数電流によって電力を供給されます。

炉は最大 4500 kVA の電力で製造され、その力率は 0.05 ～ 0.25 と非常に低くなります。すべての溶解炉はカテゴリ 2 の電気エネルギー受信器に属します。硬化および加熱のための設備には、目的に応じて 50 Hz から数百 kHz の周波数で電力が供給されます。

高周波ユニットと高周波ユニットの電源は、それぞれサイリスタまたはインダクタータイプのマシンコンバーターと真空管発電機から生成されます。これらの設備はカテゴリ 2 の電気エネルギー受信機に属します。

誘電体を加熱するための設備では、加熱された材料がコンデンサの電界内に置かれ、変位電流によって加熱が発生します。このグループの設備は、木材の接着と乾燥、プレス粉の加熱、プラスチックのはんだ付けと溶接、製品の滅菌などに広く使用されています。電力は、20 ～ 40 MHz 以上の周波数の電流によって供給されます。無停電電源装置の観点からは、誘電体を加熱するための設備はカテゴリ 2 の電気エネルギー受信装置に属します。

電気炉は加熱方法により直接炉と間接炉に分けられます。直動炉では、電極と溶融金属の間で燃焼する電気アークによって発生する熱によって金属の加熱と溶解が行われます。ダイレクトアーク炉はいくつかのタイプに分かれており、代表的なものは製鋼炉と真空炉です。

製鉄炉には、降圧変圧器を介して 6 ～ 110 V の工業用周波数電流が供給されます。炉は、ユニットあたり最大 45,000 kVA の容量を持つ三相で製造されます。力率0.85～0.9。アーク鋼精錬炉の装入物が溶解している間、動作中に頻繁に動作短絡電流が発生します。公称値の2.5〜3.5倍を超えます。短絡は変電所バスの電圧低下を引き起こし、他の電気エネルギー受信機の動作に悪影響を及ぼします。この点に関して、強力な電力システムから電力が供給される場合、炉の総電力が降圧変電所の電力の 40% を超えない場合、アーク炉と共通の変電所からの他の需要家の共同運転が許可されます。低電力システムから電力を供給する場合は 15 ～ 20%

真空アーク炉は最大 2000 kW の出力で製造されます。電力は、30 ～ 40 V の電圧の直流によって供給されます。50 Hz の交流ネットワークに接続された電気機械コンバータおよび半導体整流器が、電気エネルギー源として使用されます。

間接炉内での金属の加熱は、間で燃焼する電気アークによって発生する熱によって行われます。カーボン電極間接加熱式アーク炉は、銅およびその合金の製錬に使用されます。炉の出力は比較的小さい (最大 500 kVA)。電力は特殊な炉用変圧器からの 50 Hz の工業用周波数電流によって供給されます。無停電電源の観点から、これらの炉はカテゴリ 1 の電気エネルギー受信機に属しており、短期間の停電が可能です。

混合加熱型電気炉は、鉱石熱炉とエレクトロスラグ再溶解炉に分類できます。

鉱石熱炉では、材料は熱によって加熱され、その熱は装入物に電流が流れてアークが燃焼するときに放出されます。炉は、合金鉄、コランダム、鋳鉄、鉛の製錬、リンの昇華、銅および銅ニッケルマットの製錬に使用されます。電力は、降圧変圧器を介して工業用周波数電流によって供給されます。一部の炉の出力は非常に高く、最大 100 MVA (黄リン昇華用の炉) です。力率0.85～0.92。無停電電源の観点から見ると、鉱石熱プロセス用の炉はカテゴリ 2 の電気エネルギー受信装置に属します。

エレクトロスラグ再溶解炉では、スラグに電流を流すとスラグが放出する熱により加熱が行われます。スラグは電気アークの熱によって溶解されます。エレクトロスラグ再溶解は、高品質の鋼と特殊合金の製造に使用されます。炉には、通常 45 ～ 60 V の二次電圧を備えた 6 ～ 10 kV のネットワークから降圧変圧器を介して 50 Hz の工業用周波数電流が供給されます。炉は原則として単相ですが、三相であること。力率0.85～0.95。電源の信頼性の観点から、エレクトロスラグ再溶解炉はカテゴリ 1 の電力受信装置に属します。

各種真空電気炉を備えた作業場に電源を供給する場合、真空ポンプへの電源供給の断線は事故や高価な製品の不具合につながることを考慮する必要があります。これらの炉は、カテゴリ 1 の電気エネルギー受信装置として分類される必要があります。

電気溶接設備

受信機が交流と直流で動作する設備にどのように分割されるか。技術的には、溶接はアーク溶接と接触溶接に分けられ、作業方法に応じて手動と自動に分けられます。

直流電気溶接ユニットは、交流モーターと直流溶接発電機で構成されています。このようなシステムでは、溶接負荷は AC 電源ネットワーク内の 3 つの相に均等に分散されますが、そのスケジュールは可変的なままです。このような設備の力率は、公称動作条件で 0.7 ～ 0.8 です。アイドル時の力率は 0.4 に低下します。直流溶接ユニットの中には整流器ユニットもあります。

AC 電気溶接ユニットは 50 Hz の工業用 AC 周波数で動作し、アーク溶接および抵抗溶接機用の溶接変圧器の形で単相負荷を表します。交流による溶接では、断続動作を伴う単相負荷、相の不均一な負荷が発生し、一般に力率が低くなります (アークの場合は 0.3 ～ 0.35、抵抗溶接の場合は 0.4 ～ 0.7)。溶接設備には、380 ～ 220 V の電圧のネットワークから電力が供給されます。建設現場や設置現場の溶接変圧器は、供給ネットワーク内で頻繁に移動するという特徴があります。供給ネットワークを設計する際には、この状況を考慮する必要があります。電力の信頼性の観点から、溶接設備はカテゴリ 2 の電気エネルギー受信機に属します。

結論

自動化の進歩により、異なるプロセスが単一の流れシステムに接続される連続冶金プラントのプロジェクトを作成することが可能になりました。高炉が依然としてプロセス全体の中心的な位置を占めていることがわかりました。ドメインなしでも可能でしょうか？

高炉生産、あるいはいわゆる鉄の直接生産の問題は、何十年にもわたって解決されてきました。この方向では大きな進歩が見られました。 70 年代には、日量 500 トンの非常に大規模な直接鉄還元プラントが稼働すると考えられる理由があります。しかし、その時点でも、高炉の生産は何十年にもわたってその地位を維持するでしょう。

ドメインレスプロセスは、たとえば次のように想像できます。回転管状炉では、鉄鉱石が鉄に変換されます。磁石を使用すると、鉄の粒子が残りの塊から分離され、純粋な製品がさらに加工できる状態になります。鉄粉をプレス加工して完成品を得ることができます。必要な添加剤（合金元素）を加えることにより、さまざまなグレードの鋼の製造に使用できます。

巨大な発電所の稼働により、ソ連の冶金業界は大量の安価な電力を受け取ることになる。これにより、電気冶金生産の発展と、その後の鉄合金加工のすべての段階での電気のさらに幅広い利用にとって好ましい条件が生み出されるでしょう。

原子物理学の成功は、いわゆる放射線冶金学の考えを促しました。学者 I.P. バルディン (1883-1960) は、冶金学の将来の発展について、大胆でほとんど幻想的なアイデアを表明しました。「最初は、希少で高価な合金添加剤を合金に導入することなく、溶鋼の取鍋で直接合金鋼を作り、放射性の影響を利用して必要な組成の合金鋼を「製造」し始めるのではないかと私は思います」と彼は言った。おそらく、鉄原子から、硫黄とリンが、光線の流れの影響下で、標的を絞った核変態が溶融金属内で起こるでしょう。」

将来の世代の研究者は、この問題やその他の興味深い問題の解決に取り組む必要があるでしょう。鉄冶金学は新たな発見者を待っています。

このエッセイでは、私たちの意見では、目標を達成し、長距離にわたる電力の伝送と、電気製鋼プロセスの必要なコンポーネントとしてのその使用について検討しました。また、私たちには、私たちが設定したすべてのタスクを完了したように見えます。つまり、この作品を書くのに役立つ追加の文献を研究しました。新しいタイプの発電機と変圧器を知りました。電流の受け取りから消費者への配送までの経路を考慮します。そして最後に、電気製鋼炉内で発生する物理的および機械的プロセスを研究しました。

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