☰

Принцип передачи энергии на большие расстояния. Конспект урока "Трансформатор

Процесс передачи электрической энергии уже давно не вызывает у нас удивления. Электричество настолько прочно вошло в нашу жизнь, что представить себе ситуацию, когда его нет, для большинства из нас почти не возможно. За последние десятилетия были проложены миллионы километров проводов. Стоимость работ по вводу их в работу и эксплуатации составляет триллионы рублей. Но зачем строить протяженные ЛЭП, когда можно у каждого потребителя поставить генератор? Есть ли зависимость между длиной ЛЭП и качеством передаваемой электроэнергии? На эти и другие вопросы я и попытаюсь ответить.

Редакция ПМ

Провода и генераторы

Сторонники распределенной генерации полагают, что будущее энергетики состоит в использовании небольших генерирующих устройств каждым потребителем. Можно подумать, что столь привычные нам опоры ЛЭП доживают свои последние деньки. Попробую встать на защиту «старушек» ЛЭП и рассмотреть те плюсы, которые получает энергосистема при строительстве протяженных линий электропередачи.

Во-первых, транспорт электрической энергии напрямую конкурирует с транспортом топлива по железной дороге, нефте- и газопроводам. При их удаленности или отсутствии строительство линий электропередачи является единственным оптимальным решением для энергоснабжения.

Во-вторых, в электротехнике уделяется пристальное внимание резервированию мощности. Согласно правилам проектирования энергосистем, резерв должен обеспечивать работу энергосистемы при потере любого ее элемента. Сейчас этот принцип называется «N-1». Для двух изолированных систем суммарный резерв будет больше, чем для связанных, а меньший резерв — это меньшее количество денег, потраченных на дорогостоящее электрооборудование.

В-третьих, экономия достигается за счет более грамотного управления энергоресурсами. Атомные электростанции, гидроэлектростанции (за исключением малой генерации) по понятным причинам зачастую расположены в отдалении от крупных городов и поселений. Без линий электропередачи «мирный атом» и гидроэлектроэнергия не были бы использованы по их прямому назначению. Разветвленная энергосистема также позволяет оптимизировать загрузку и прочих видов электростанций. Ключ к оптимизации — управление очередью загрузки. Вначале загружаются электростанции с более дешевым производством каждого кВт*ч, затем уже электростанции с более дорогим. Не стоит забывать и о часовых поясах! Когда в Москве пик энергопотребления, в Якутске этот показатель невелик. Отдавая дешевую электроэнергию в разные часовые пояса, мы стабилизируем загрузку генераторов и сводим к минимуму издержки производства электричества.

Не стоит забывать и о конечном потребителе — чем больше у нас возможностей доставить до него электрическую энергию от разных источников, тем меньше вероятность, что когда-нибудь его энергоснабжение прервется.

К минусам построения разветвленной электросети можно отнести: сложное диспетчерское управление, трудную задачу автоматического управления и работы релейной защиты, появление необходимости дополнительного контроля и регулирования частоты передаваемой мощности.

Однако отмеченные недостатки не могут нивелировать положительный эффект от построения разветвленной энергосистемы. Развитие современных систем противоаварийного управления и компьютерных технологий постепенно упрощают процесс диспетчерского управления и увеличивают надежность электросетей.

Постоянный или переменный?

Существует два принципиальных подхода к передаче электроэнергии — использование переменного или постоянного тока. Не вдаваясь в подробности, отметим, что для небольших расстояний гораздо эффективнее использовать переменный ток. Но при передаче электроэнергии на расстояния свыше 300 км практичность использования переменного тока уже не так очевидна.

Связано это в первую очередь с волновыми характеристиками передаваемой электромагнитной волны. Для частоты 50 Гц длина волны составляет примерно 6000 км. Оказывается, что в зависимости от протяженности ЛЭП существуют физические ограничения на передаваемую мощность. Максимум мощности можно передать при длинах ЛЭП порядка 3000 км, что составляет половину длины передаваемой волны. К слову, этот же объем мощности передают по ЛЭП протяженностью в 10 раз меньше. При прочих размерах линий объем мощности может достигать всего лишь половины от данного значения.

В 1968 году в СССР был осуществлен уникальный и пока единственный в мире эксперимент по передаче мощности на расстояние 2858 км. Была собрана искусственно схема передачи, включающая в себя участки Волгоград-Москва-Куйбышев (ныне Самара)-Челябинск-Свердловск (ныне Екатеринбург) на напряжении 500 кВ. Опытным путем были подтверждены теоретические исследования длинных линий.

Из рекордсменов по протяженности можно выделить проложенную в Китае ЛЭП в 2200 км от восточной провинции Хами до города Чженчжоу (столица провинции Хэнань). Стоит отметить, что полный ее ввод в эксплуатацию намечен на 2014 год.

Также не стоит забывать о напряжении линий. Со школы нам знаком закон Джоуля-Ленца P = I? R , который постулирует, что потери электрической энергии зависят от значения электрического тока в проводе и от материала, из которого он изготовлен. Мощность, передаваемая по линиям электропередачи, есть произведение тока на напряжение. Чем выше напряжение, тем меньше ток в проводе и тем самым меньше уровень потерь электроэнергии при передаче. Отсюда следствие: если мы хотим передавать электроэнергию на большие расстояния, необходимо выбирать как можно большее напряжение.

При использовании переменного тока в протяженных ЛЭП возникает ряд технологических проблем. Главная проблема связана с реактивными параметрами линий электропередачи. Емкостное и индуктивное сопротивление проводов оказывают существенное влияние на потери напряжения и мощности при передаче, возникает необходимость поддержания уровня напряжения на должном уровне и компенсации реактивной составляющей, что достаточно ощутимо увеличивает стоимость прокладки километра провода. Высокое напряжение заставляет использовать большее количество гирлянд изоляции, а также накладывает ограничение на сечение провода. Все вместе увеличивает суммарный вес всей конструкции и влечет за собой необходимость использовать более устойчивые и сложные по своей конструкции опоры ЛЭП.

Этих проблем можно избежать, используя линии постоянного тока. Провода, используемые в линиях постоянного тока, дешевле и дольше служат при эксплуатации в связи с отсутствием частичных разрядов в изоляции. Реактивные параметры электропередачи не оказывают существенного влияния на потери. По линиям постоянного тока наиболее эффективно передавать мощность от генераторов, так как возможен выбор оптимальной скорости вращения ротора генератора, что повышает КПД его использования. Минусами использования линий постоянного тока является высокая стоимость выпрямителей, инверторов и различных фильтров для компенсации неизбежно появляющихся высших гармоник при преобразовании переменного тока в постоянный.

Но чем выше длина линии электропередачи, тем эффективнее использовать линии постоянного тока. Существует некоторая критическая длина ЛЭП, которая позволяет оценить целесообразность использования постоянного тока при прочих равных условиях. По данным американских исследователей для кабельных линий эффект ощутим при длинах более 80 км, но величина эта все время уменьшается при развитии технологий и удешевлении необходимых комплектующих.

Самая длинная линия постоянного тока в мире опять же расположена в Китае. Соединяет она ГЭС Сянцзяба (Xiangjiaba Dam) с Шанхаем. Ее длина составляет почти 2000 км при напряжении 800 кВ. Достаточно много линий постоянного тока находится в Европе. В России можно выделить отдельно вставку постоянного тока Выборг, соединяющую Россию и Финляндию, и высоковольтную линию постоянного тока Волгоград-Донбасс протяженностью почти 500 км и напряжением 400 кВ.

Холодные провода

Принципиально новый подход к передаче электрической энергии открывает явление сверхпроводимости. Вспомним, что потери электрической энергии в проводе зависят помимо напряжения еще и от материала провода. Сверхпроводящие материалы обладают почти нулевым сопротивлением, что теоретически позволяет передавать электрическую энергию без потерь на большие расстояния. Минусом использования данной технологии является необходимость постоянного охлаждения линии, что иногда приводит к тому, что стоимость системы охлаждения значительно превышает потери электрической энергии при использовании обычного не сверхпроводимого материала. Типовая конструкция подобной ЛЭП состоит из нескольких контуров: провод, который заключен в кожух с жидким гелием, опоясывающий их кожух из жидкого азота и менее экзотичная тепловая изоляция снаружи. Проектирование таких линий ведется ежедневно, но до практической реализации доходит не всегда. Самым успешным проектом можно считать линию, построенную American Superconductor в Нью-Йорке, а самым амбициозным проектом — ЛЭП в Корее, протяженностью около 3000 км.

Прощайте, провода!

Идеи не использовать провода вообще для передачи электрической энергии возникли уже достаточно давно. Разве не могут вдохновлять опыты, которые проводил Никола Тесла в конце XIX — начале XX века? По свидетельствам его современников, в 1899 году в Колорадо-Спрингс Тесла смог заставить загореться две сотни лампочек без использования каких-либо проводов. К сожалению, записей о его работах почти не осталось, и повторить подобные успехи смогли лишь спустя сотню лет. Технология WiTricity, разработанная профессором MIT Марином Солячичем, позволяет передавать электрическую энергию без использования проводов. Идея заключается в синхронной работе генератора и приемника. При достижении резонанса возбуждаемое переменное магнитное поле излучателем в приемнике преобразуется в электрический ток. В 2007 году был успешно проведен эксперимент подобной передачи электроэнергии на расстояние в несколько метров.

К сожалению, современный уровень развития технологий не позволяет эффективно использовать сверхпроводящие материалы и технологию беспроводной передачи электрической энергии. Линии электропередачи в привычном для нас виде будут еще долго украшать поля и окраины городов, но даже их правильное использование позволяет принести существенную выгоду для развития всей мировой энергетики.

Необходимость сооружения ЛЭП объясняется выработкой элект­роэнергии в основном на крупных электростанциях, удаленных от потребителей - относительно мелких приемников, распределенных на обширных территориях.

Электростанции размещаются с учетом совокупного влияния большого числа факторов: наличия энергоресурсов, их видов и запасов; возможности транспортировки; перспектив потребления энергии в том или ином районе и т. п. Передача электрической энергии на расстояние дает ряд преимуществ, позволяя:

Применять отдаленные источники энергии;

Уменьшать суммарную резервную мощность генераторов;

Использовать расхождение времени в разных географических широтах, при котором не совпадают максимумы расположенных в них нагрузок;

Более полно использовать мощности ГЭС;

Увеличивать надежность электроснабжения потребителей и т. д.

ЛЭП, предназначенные для распределения электроэнергии между отдельными потребителями в некотором районе и для свя­зи энергосистем, могут выполняться как на большие, так и на ма­лые расстояния и предназначаться для передачи мощностей раз­личных величин. Для дальних передач большое значение имеет пропускная способность , т. е. та наибольшая мощность, которую можно передавать по ЛЭП с учетом всех ограничивающих факторов.

Для воздушных ЛЭП переменного тока можно приближено считать, что та максимальная мощность, которую они могут пе­редать, примерно пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна длине передачи. Стоимость сооружения также очень грубо можно принять пропорциональной величине напряже­ния. Поэтому в развитии передач электрической энергии на рас­стояние наблюдается тенденция к увеличению напряжения как к главному средству повышения пропускной способности. Со време­ни создания первых ЛЭП напряжение повышалось в 1,5-2 раза примерно каждые 10-15 лет. Рост напряжения давал возможность увеличивать протяженности ЛЭП и передаваемые мощности. Так, в 20-е годы ХХ века электроэнергия передавалась на мак­симальные расстояния порядка 100 км. К 30-м годам эти рассто­яния увеличились до 400 км, а в 60-е годы длина ЛЭП достигла 1000-1200 км (например, электропередача Волгоград - Москва).

Повышение пропускной способности ЛЭП достигается в основ­ном за счет увеличения напряжения, однако существенное значение имеет также изменение конструкции ЛЭП, введение различных дополнительных компенсирующих устройств, при которых влияние параметров, ограничивающих передаваемую мощность, оказывается уменьшенным. Например, на ЛЭП напряжением 330 кВ и выше расщепляют провода в каждой фазе на несколько электрически связанных между собой проводников, при этом существенна улуч­шаются параметры линий (уменьшается ее реактивное сопротив­ление); применяют так называемую последовательную компенса­цию - включение в линию конденсаторов и т. д.

Возможности дальнейшего повышения предельных мощностей требуют увеличения напряжений и изменения конструкции ЛЭП. Они связаны с общим техническим прогрессом, в частности с ус­пехами в полупроводниковой технике, с созданием совершенных материалов, с разработками новых видов передачи энергии.

При сооружении ЛЭП постоянного тока, имеющих большие пре­дельные мощности, необходимо осуществлять прямое преобразование переменного тока в постоянный в начале линии и обратное преобразование постоянного тока в переменный в конце линии, что вызывает определенные трудности технического и экономическогохарактера.

Существует принципиальная возможность беспроводной ЛЭП с помощью электромагнитных волн или высокочастотных колеба­ний, направляемых по волноводам. Однако практическая реализа­ция этих ЛЭП в промышленности в настоящее время неприемлемо из-за, низкой их эффективности.

Для передачи электрической энергии могут использоваться сверхпроводящие линии, в которых значительно может быть понижено напряжение. Эффект, близкий к сверхпроводимости, достигается глубоким охлаждением проводников. В этом случае ЛЭП называют криогенными. Этот вопрос имеет историю. Еще в 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес установил, что при охлаж­дении ртути до температуры ниже 4 К ее электрическое сопротив­ление исчезает вовсе. Оно скачком возникает вновь при повышении температуры сверх критического значения. Эта явление назвали сверхпроводимостью. Разумеется, что если бы такие материалы получили энергетики, та они заменили бы ими обычные проводники, ЛЭП доставляли бы без потерь энергию в громадных количествах на сверхдальние расстояния. Удалось бы заметно повысить к. п. д. мощных энергоемких устройств (электромагнитов, трансформато­ров, электромашин), избежать многих трудностей, связанных с перегревом, расплавлением, разрушением деталей.

Все это, однако, оставалось не более чем мечтами, хотя в самом явлении сомневаться не приходилось. Сверхпроводников было обнаружено немало. В периодической системе ими оказались 28 элементов. Но, самая высокая критическая температура, принад­лежащая ниобию не превышала 10 К. Возможности сверхпроводи­мости, таким образам, резко ограничивали дороговизна и сложно­сть установок, поддерживающих сверхнизкие температуры. Спла­вы молибдена с технецием продвинули критическую температуру до 14 К. Далее удалась получить соединение ниобия, алюминия и германия с критической температурой 21 К. Для нескольких сотен сверхпроводящих веществ, известных сегодня, это рекордная цифра.

Практические исследования показали, что с ростом критичес­кой температуры число сверхпроводников резка убывает. Некоторые специалисты даже полагали, что вырваться из плена cвepxнизких температур не удастся. Где-то около 25 К лежит наивыс­шая возможная критическая температура.

После экспериментального открытия сверхпроводимости физики-теоретики долго пытались постичь суть непонятного явления. И только спустя полвека, в 1957 г., появилась первая серьезная теория сверхпроводимости. За ней последовали другие. Они несли в себе много необычного. Так, например, согласно созданной теории, электроны сверхпроводника вопреки известному закону Кулона, предписывающему всем одноименно заряженным частицам взаимно отталкиваться, наоборот, притягиваются, объединяются в пары. Было отмечено, что сверхпроводниками могут быть не толь­ко металлы, сплавы, но и... органические вещества. Одним из самых существенных выводов теории был следующий. Металлический водород в силу своих исключительных особенностей - в узлах кристаллической решетки расположены легкие протоны- может обладать сверхпроводимостью при сравнительно высоких, вполне приемлемых для практических целей температурах порядка 220К или -53 0 С. И еще: возможно, что процесс перевода вещества из молекулярной фазы в атомарную необратим. При снятии внешнего давления водород, быть может, еще долгое время не потеряет свой­ств сверхпроводника. /

Теперь стало ясно: чтобы обладать материалом, проявляющим в обычных условиях свойства сверхпроводимости, нужно освоить область давлений порядка не­скольких сотен килопаскаль. Величины эти, по нашим чело­веческим масштабам, гранди­озны. Они сравнимы разве что с давлениями в центре Земли (там около 300 кПа). Перед исследователями открылась дорога, ведущая к цели, хотя даже в лабораторном экспери­менте пока не удалось полу­чать такого рода давлений и, разумеется, твердого водоро­да - сверхпроводника при нор­мальной температуре.

Альтернативой передачи на расстояние электрической энергии переменным и посто­янным токами от ТЭС к потре­бителям служит перевозка топлива. Сравнительный анализ возможных вариантов энергоснабжения потребителей по­казывает, что уголь высокой калорийности (более 4000 ккал/кг) обычно целесообразно перевозить по железной дороге (при усло­вии существования ее). Во многих случаях при использовании на электростанции природного газа и нефти оказывается предпочти­тельней передача их по трубопроводам (рис. 1). При выборе способа передачи энергии на расстояние необходимо учитывать большой комплекс вопросов, таких, как усиление электрической системы при сооружении электропередачи, электроснабжение, по­требителей, расположенных вблизи линий, увеличение загрузки же­лезных дорог и т. д.

Анализируя развитие энергосистем в ряде стран, можно выде­лить две основные тенденции:

1) приближение электрических станций к центрам потребления в тех случаях, когда на территории, охватываемой объединенной энергосистемой, нет дешевых источников энергии или когда источ­ники уже использованы;

2) сооружение электростанций вблизи дешевых источников энергии и передача электроэнергии к центрам ее потребления.

Электропередачи, нефтепроводы и газопроводы образуют Еди­ную систему энергоснабжения страны. Системы электро-, нефте- и газоснабжающие должны конструироваться, сооружаться и эксп­луатироваться в определенной координации между собой, образуя Единую энергетическую систему .

Рисунок 1 - Характеристики различных способов передачи энергии на рас­стояние: З - расчетные затраты, l - расстояние; 1 - двухколейная железная дорога, 2 - газопроводы, 3 - нефтепроводы, 4 - электро­передача от станций, работающих на деше­вом угле

Главой задачей, которую решают энергетические комплексы можно считать передача потребителям электрической энергии через расстояние. По этой причине можно заметить специальные линии, которые идут от станций к пользователям. Чаще всего используют линии воздушного типа, по которым перемещается переменный ток. С помощью таких установок вырабатывается энергия, которая поставляется к более слабым потребителям. Была создана сильная структура разветвленного характера, для того чтобы охватить все сети с электрической энергией.

Основные характеристики: передача электрической энергии

Главный показатель, который характеризует передачу электричества – это пропускная способность. Она представлена в виде максимальной мощности перемещающейся по линиям даже в ограниченных условиях.

Сама схема передачи энергии включает в себя 3 компонента:

  • Повышающий трансформатор;
  • Высоковольтная линия передач;
  • Понижающий трансформатор.

Согласно этой схеме электричество передается от главного генератора к потребителю.

Что касается ограниченных условий, то здесь можно назвать определенные потери в процессе нагрева проводов, потери на коронах и другие факторы. Так же мощность передачи будет зависеть от того насколько протяжна ЛЭП и каким напряжением обладает ток. Что касается напряжения, то если ее мощность увеличивается, то и пропускные свойства становятся лучше, а вот с ЛЭП все немного сложнее, так как для повышения производительности нужно создать конструктивное улучшение или же устанавливать компенсирующее устройство.

Постоянная передача электроэнергии на расстояние

Пропускные способности линий электропередач с постоянным током намного выше. Но здесь следует учесть, что потребуются дорогие преобразовательные устройства. По этой причине такой тип передачи электроэнергии всегда выглядит предпочтительнее.


На конце, который передает переменный ток, вырабатывается напряжение с помощью генератора, в обычном случае оно составляет 25 кВ, после этого показатель можно увеличить до необходимого уровня. На конце линии электропередачи ток снова принимает состояние переменного, а после этого трансформаторы преобразуют напряжение в тот уровень, которое необходимо для потребителей.

Важным вопросом остается понижение потерь энергии в процессе передачи. Рассматривались способы, которые были основаны на зависимости проводов от температурного режима. Если температура провода будет составлять -209 градусов, то потери снизятся в 10 раз.

Вся суть заключается в том, что большинство металлов и сплавов, а так же интерметаллических соединений не способны активно проводить даже при комнатной температуре. Если же температура будет снижена до 0, то потери значительно уменьшаться.

К недостаткам таких линий электропередач можно отнести:

  • Из-за сильных электрических полей возникает вредное биологическое воздействие на окружающую среду;
  • Полоса отчуждения должна составлять около 1Га при протяженности 1 км.

Не смотря на положительные результаты методики понижения потерь, все способы не были реализованы в жизни, так как оборудование стоит больших затрат.

Передача электроэнергии на большие расстояния

Для того чтобы организовать передачу электрической энергии на большое расстояние чаще всего применяют специальные каналы из проводов сделанных из алюминия, металла или меди. Здесь могут быть организованы несколько типов линий.

А именно:

  • Линии воздушного типа;
  • Подземные кабели экранизированного вида.

И первый, и второй тип распространяет электромагнитную энергию в диэлектрике, и только доля процента теряется при нагреве проводника.

Если используется открытый проводник, то определенная часть энергии при передаче проходит в свободное пространство, и она не значительна. Это происходит в том случае, если линия передачи намного меньше длинны волны.

Как уже было сказано, в настоящее время передачу энергии осуществляют с помощью переменного напряжения. Это можно объяснить тем, что появляется возможность изменять величину напряжения в трансформаторах.

На практике электромагнитное поле распространяется по металлу в проводах на глубину, а общие потери будут зависеть от того сколько примесей ест в металле и от температуры провода. Чем больше будет нагреваться провод, тем больше потерь будет на выходе.

По какому маршруту происходит передача электроэнергии на расстояние

Уже ни для кого не станет секретом, что электроэнергия попадает в наше жилье от электрических станций, которые являются основным источником электрической энергии. Но между этими установками и нашими домами проходят сотни километров, и все это расстояние ток должен сохранить максимальный коэффициент полезного действия.

Итак, как уже было сказано, первоначальным пунктом является станция, которая проводит генерацию энергии.

На сегодняшний день можно выделит следующие станции:

  • ГЭС (гидроэлектростанция);
  • ТЭС (теплоэлектростанция);
  • АЭС (атомная электростанция);
  • Солнечная;
  • Ветровая;
  • Геотермальная.


Здесь от основного источника, то есть от станции, электричество передвигается к потребителям, которые могут располагаться на дальнем расстоянии. Для того чтобы передать напряжение, его повышают при помощи установленных трансформаторов. Напряжение может быть повышено до 1100 кВ, показатель будет зависеть от расстояния.

Электроэнергия должна передаваться под высоким напряжением. Дело в том, что в процессе повышения, сила тока будет уменьшена, как результат и сопротивление в проводах. Все эти действия необходимы для сокращения потерь мощности тока.

При передаче электроэнергии на большие расстояния от электростанции осуществляется распределение. Принцип не сложный его можно понять даже впервые взглянув на картинки – схемы. Вся передача зависит на каком расстоянии находится конечная точка и при каком напряжении она работает выгоднее. На последнем этапе, там где находятся структурные объекты, происходит получение постоянного тока в допустимом показателе

В соответствии с этим электроэнергия предается на трансформатор, который повышает показатель, после этого энергия передается на центральную распределительную подстанцию и здесь показатель снижается до потребляемого в 220 или 110 кВ. Именно отсюда происходит распределения на подстанции.

После этого напряжение снижается еще раз уже до показателя 6-10 кВ и направляется в трансформаторные пункты. От них электричество передается в жилые дома, многоэтажки, частные сектора и гаражи.

Если кратко описать схему передачи энергии, то она выглядит так:

  • Электростанция;
  • Повышающий трансформатор;
  • Понижающий трансформатор;
  • Жилой дом.

Передача тока осуществлена по этому маршруту, а все действие можно охарактеризовать как сообщение, которое передается одному объекту. Все показатели заносятся в определенный журнал.

Таким образом, электрическая энергия приходит в наш жилой дом. Схема передачи не очень сложная, и как мы убедились, все зависит от расстояния от исходной точки до потребителя.

Хотелось бы отметить тот факт, что на сегодняшний день является открытым и популярным вопросом передача электричества на расстояние без проводов. Идея было предложено много, но самым успешным вариантом можно считать беспроводную технологию, известную так, же как Wi-Fi. В Вашингтоне ученые уже рассмотрели этот метод и занялись его изучением более подробно.

Важнейшей задачей, которую приходится постоянно решать энергетическому комплексу, является передача электроэнергии на расстоянии. Поэтому, на пути между электростанцией и потребителями обязательно присутствуют . В большинстве случаев, используются воздушные линии, по которым проходит переменный ток. Энергия вырабатывается с помощью мощных агрегатов, а используется преимущественно слабыми потребителями. Для того, чтобы все они были охвачены электрической энергией, создана мощная и разветвленная структура электрических сетей.

Характеристики электропередачи

Основным показателем, характеризующим электропередачу, является величина ее пропускной способности. Она представляет собой максимальную мощность, которая может передаваться по линиям, при различных ограничивающих условиях.

Прежде всего, это потери при нагреве проводов, потери на корону, условия устойчивости и прочие факторы. Кроме того, передаваемая мощность переменного тока, зависит от напряжения и протяженности . В связи с этим, увеличение напряжения позволяет значительно увеличить пропускную способность передающих линий.

Существуют предельные значения для ЛЭП, связанные с перенапряжением и возможностями изоляции. Чтобы повысить их производительность, производятся конструктивные улучшения, применяются всевозможные компенсирующие устройства.

Назначение и работа компенсирующих устройств

Реактивные параметры и реактивная мощность в линиях электропередачи и у потребителей, компенсируются с помощью специальных устройств. Все эти приборы устанавливаются на промежуточных и конечных подстанциях. Когда происходит передача электроэнергии на расстоянии, с помощью компенсирующих устройств увеличивается пропускная способность линий, улучшаются общие показатели их работы.

Например, реактивная мощность компенсируется электрическими батареями конденсаторов, включаемых поперечным способом. Также, практикуется использование синхронных двигателей и компенсаторов, работающих в перевозбужденном режиме. Таким образом, обеспечивается реактивная мощность потребителей с сохранением желаемого значения напряжения. Одновременно, снижаются потери активной мощности на отдельных участках электрических сетей. С помощью компенсирующих устройств, напряжение в электрических системах может регулироваться автоматически. Места установки и мощность этих устройств определяются расчетным путем, на основании технико-экономических показателей.

Соблюдение всех необходимых условий позволяет осуществлять передачу электроэнергии потребителям с минимальными , в необходимом количестве и с расчетной мощностью.

Известно, что крупные теплоэлектростанции строят вблизи угольных месторождений или крупных газопроводов, гидроэлектростанции возводят на крупных реках, а атомные электростанции - не ближе 30-50 км от больших городов, где расположены основные потребители электроэнергии. Другими словами, электроэнергия производится вдали от мест её потребления. Следовательно, она должна быть передана к местам её потребления, для чего служат линии электропередачи (ЛЭП).

А знаете ли вы, что при типичной мощности генератора электростанции 500 МВт и напряжении 10 кВ сила тока в проводах составляет 50 тысяч ампер? Такой ток, согласно закону Джоуля-Ленца, при сопротивлении линии электропередачи всего 1 Ом ежесекундно будет выделять столько же теплоты, сколько миллион электрочайников, включённых одновременно!
По закону Джоуля-Ленца Q = I2Rt существуют две возможности для снижения потерь электроэнергии: уменьшить сопротивление линии электропередачи (R) или уменьшить в ней силу тока (I).
Рассмотрим первую возможность. Для уменьшения сопротивления нужно либо уменьшить длину проводов (и энергия не дойдёт до потребителя), либо увеличить их толщину (и тогда они станут тяжёлыми и могут обломить опоры). Как видите, первая возможность невыполнима на практике.
Рассмотрим теперь вторую возможность. При изучении трансформатора (см. § 10-з) мы отметили, что трансформатор повышает напряжение, одновременно понижая силу тока в такое же число раз. Поэтому, прежде чем ток от генератора попадает в линию электропередачи, он трансформируется (преобразовывается) в ток высокого напряжения. Повысив напряжение с 10 кВ до 1000 кВ, то есть в 100 раз, мы в такое же число раз понизим силу тока. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты, бесполезно выделяющейся в проводах, уменьшится в 100·100 раз, то есть сразу в 10 000 раз.
На рисунке на предыдущей странице показано, что электроэнергия, выработанная генератором 1, по толстым проводам 2 поступает на трансформатор 3. После повышения напряжения ток передаётся потребителям по сравнительно тонким проводам 4. Для этого используют специальные прочные опоры 5 с гирляндами изоляторов 6.


Когда электроэнергия доходит по проводам 4 до места потребления, применяют понижающий трансформатор 7, от которого энергия поступает к потребителям 9. Энергия может поступать и к другим трансформаторам, понижающим напряжение ещё сильнее.


Как правило, энергия, подающаяся в город по высоковольтной линии, проходит через три-четыре понижающих трансформатора. Они понижают напряжение каскадно, чтобы получались различные напряжения, необходимые как промышленным, так и бытовым потребителям. Это условно показано на схеме.