Окончательное господство переменного тока над постоянным утвердила созданная в 1888 г. М. О. Доливо-Добровольским система трехфазного переменного тока. Вращающееся магнитное поле этой системы позволило применить разработанный М. О. Доливо-Добровольским самый простой по конструкции, дешевый, надежный, неприхотливый и компактный асинхронный двигатель, который и поныне занимает исключительное положение в промышленности и сельском хозяйстве. В настоящее время постоянный ток применяют только в специальных электроустановках (например, в двигателях электровозов, трамваев, троллейбусов и т. п.), а также в отдельных случаях в линиях электропередачи межсистемных связей (пока — при опытно-промышленной эксплуатации). Большинство современных электростанций мира вырабатывает трехфазный переменный ток частотой 50 Гц, который при необходимости выпрямляют на специальных устройствах — ртутных и полупроводниковых выпрямителях. В некоторых странах (США, Япония) электроэнергия передается переменным током частотой 60 Гц.

Роторы электрических генераторов приводятся во вращение первичными двигателями, в качестве которых на электростанциях используют главным образом паровые турбины, приводимые во вращение давлением водяного пара, или гидравлические водяные турбины, приводимые во вращение напором воды, создаваемым плотиной. Иногда в качестве первичных двигателей используют газовые турбины, ветряные двигатели, паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (главным образом на электростанциях небольшой мощности местного значения).

Генератор, соединенный с паровой турбиной, называется турбогенератором, а электростанция — тепловой электростанцией (ТЭС). Пар, необходимый для вращения турбогенератора, получают в паровых котлах сжиганием твердого (торфа, каменного или бурого угля), жидкого (мазута, нефти) или газообразного топлива или с помощью атомных реакторов. В этом случае электростанцию называют атомной (АЭС). В некоторых случаях для нагрева воды используют внутреннее тепло земного шара — горячие источники, или гейзеры.

Тепловым электрическим станциям принадлежит ведущая роль в мировом производстве электрической энергии (более 70%). Однако удельный вес тепловых электростанций будет уменьшаться, так как они постепенно должны вытесняться атомными электростанциями.

Генератор, соединенный с гидравлической турбиной, называется гидрогенератором, а станция — гидравлической (ГЭС). При строительстве гидроэлектростанций на горных и равнинных реках сооружают плотины и водохранилища, что позволяет регулировать поток воды через турбины и тем самым изменять мощность ГЭС. Проводятся также исследования по использованию энергии морских приливов (приливные электростанции).

Помимо «традиционных» существуют и другие пути производства электроэнергии. Так, во многих странах ведутся исследования магнитогидродинамического способа, при котором электроэнергию получают при движении потока ионизированного газа через магнитное поле. Изучается также работа термоэлектронных и термоэлектрических преобразователей тепловой энергии в электрическую. Однако основой промышленной энергетики во всем мире являются крупные турбо- и гидрогенераторы, вырабатывающие большое количество сравнительно дешевой электроэнергии.

Мощность современных электрических станций измеряется сотнями тысяч и миллионами киловатт, а количество вырабатываемой электроэнергии — миллионами и миллиардами киловатт-часов. Такая концентрация производства электроэнергии имеет неоспоримые экономические Преимущества: снижаются удельные затраты на 1 кВт установленной мощности, уменьшаются эксплуатационные расходы, повышается к.п.д. оборудования, а также сокращаются сроки строительства электростанций. По такому пути идет развитее электроэнергетики в СССР и других промышленно развитых странах. Например, к 1975 г. в СССР уже работало более 120 блоков мощностью по 300 МВт, несколько головных блоков по 500 и 800 МВт, а 14 электростанций достигли единичной мощности от 2000 до 3000 МВт.

Электрические сети. Чем мощнее электростанция, тем больше обслуживаемый ею район. Поэтому передача электроэнергии от места производства к месту потребления имеет большое значение и решается сооружением линий электропередачи (ЛЭП). Передаваемая по металлическим проводникам линий мощность зависит от силы тока и напряжения. Для снижения потерь электроэнергии силу тока выгодно уменьшать, а напряжение увеличивать, так как по закону Джоуля — Ленца потери электроэнергии на выделение тепла пропорциональны квадрату силы тока. Пропускная способность линий электропередачи растет пропорционально квадрату напряжения, а стоимость ее — пропорционально напряжению. Следовательно, передавать электроэнергию высокого напряжения экономически выгодно, так как с ростом напряжения резко уменьшаются как потери, так и расходы на передачу каждого киловатт-часа.

Для повышения напряжения при электростанциях строят повысительные трансформаторные подстанции (ТП) и по линиям электропередачи высокого напряжения передают электроэнергию на значительные расстояния. В местах потребления сооружают понизительные трансформаторные подстанции.

Однако количество потребителей электроэнергии очень велико и подводить к каждому из них свою линию высокого напряжения экономически невыгодно. Поэтому линиями высокого напряжения соединяют электростанции только с так называемыми узловыми понизительными трансформаторными подстанциями, от которых электроснабжение потребителей производят по линиям электропередачи пониженного напряжения. Для обеспечения надежности электроснабжения к узловым подстанциям, а также-к потребителям обычно подводят не одну, а несколько линий электропередачи.

Ступеней повышения и понижения напряжений может быть несколько. В Советском Союзе действуют две основные системы сочетания ступеней напряжений переменного тока; 0,4—10(6)—35—110 —220—500 кВ и 0,4 -10(6) —35—110(150) —330—750 кВ, на каждой из которых создается сеть линий электропередачи и трансформаторных подстанций для электроснабжения следующей ступени. Таким образом образуется электрическая сеть, состоящая из ряда сетей различных напряжений, связанных между собой трансформаторами.

Основой электрической сети обычно являются надземные, так называемые воздушные, линии электропередачи высокого напряжения, по которым передают мощные потоки электроэнергии от электростанций к подстанциям и далее к распределительным устройствам потребителей. Непосредственно к электроприемникам потребителей питание подводят обычно подземными, кабельными линиями низкого напряжения. В стесненных условиях (по территории городов, промышленных предприятий) кабельные сети используют также для передачи электроэнергии высокого напряжения.

Энергетические системы. В первые годы развития электрификации электрические станции работали изолированно, т. е. каждая из них снабжала электроэнергией потребителей, расположенных вблизи от нее. На случай замены поврежденного или ремонтируемого агрегата на каждой станции устанавливался резервный агрегат.

Рис. 1. Схема производства и распределения электроэнергии:
ПК — паровой котел, ПТ — паровая турбина, ГТ — гидравлическая турбина, эг — электрический генератор, ТП — трансформаторная подстанция, ВЛЭП — линия электропередачи высокого напряжения, НЛЭП — линия электропередачи пониженного напряжения, П — потребители электроэнергии

Кроме того, из-за больших суточных и сезонных колебаний потребления электроэнергии и невозможности ее хранения необходимо было иметь резервные мощности, что приводило к низкому коэффициенту использования оборудования. К тому же надежность электроснабжения при одном источнике электроэнергии невысока. В настоящее время несколько электростанций, объединенных электрическими сетями и работающих на общую сеть, образуют так называемые энергетические системы.

В общем случае под энергосистемой понимают комплекс энергетических сооружений, состоящий из электростанций, линий электропередачи, трансформаторных подстанций и потребителей электроэнергии, связанных между собой в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической энергии. Кроме того, в энергосистему, как правило, входят и потребители тепла (с тепловыми сетями), которые используют тепло, получаемое при охлаждении отработанного пара на тепловых электростанциях.

Особенностью энергосистемы является то, что все входящие в нее энергетические объекты работают в таком едином режиме, который обеспечивает наиболее экономичную и качественную работу энергосистемы в целом.

Объединение электростанций и потребителей в энергосистемы выравнивает график общей суммарной нагрузки электростанций (так как периоды максимальной нагрузки разных потребителей, как правило, не совпадают по времени), позволяет объединить работу электростанций разных типов (тепловых, гидравлических, атомных), повышает коэффициент использования оборудования, уменьшает число резервных агрегатов, позволяет вводить в работу экономически выгодные агрегаты большой единичной мощности (300—1200 МВт), а также повышает надежность и обеспечивает бесперебойность электроснабжения.

Энергосистемы обычно создаются по территориальному признаку, и мощности их все время возрастают. Первые энергосистемы в Советском Союзе (Московская и Ленинградская) имели мощность в сотни киловатт. В настоящее время мощность электростанций большинства энергосистем исчисляется сотнями тысяч или миллионами киловатт. Кроме того, энергосистемы объединяются так называемыми межсистемными линиями и образуют Единую энергетическую систему (ЕЭС). Так, Единая энергетическая система европейской части СССР объединяет более 600 электростанций общей мощностью около 150 млн. кВт.

В 1974 г. электростанции Советского Союза, объединенные в энергетические системы, произвели 97% всей электрической энергии.