- Способы передачи электроэнергии
- Передача электроэнергии на расстояние
- Высокое напряжение как способ уменьшения потерь
- Классификация линий электропередач
- Способы передачи электроэнергии
- Схема передачи энергии от электростанции до потребителя
- Трансформаторные подстанции
- Пропускная способность линий электропередач
- Потери электроэнергии
- Передача электричества на дальние расстояния
- Постоянный ток в качестве альтернативы
- Видео
Способы передачи электроэнергии
Осуществить передачу электроэнергии можно двумя способами:
– методом прямой передачи;
– преобразуя электричество в другой вид энергии.
В первом случае электроэнергия передается по проводникам, в качестве которых выступает провод или токопроводящая среда. В воздушных и кабельных ЛЭП применяется именно этот метод передачи. Преобразование электричества в другой вид энергии открывает перспективы беспроводного снабжения потребителей. Это позволит отказаться от линий электропередач и, соответственно, от расходов, связанных с их монтажом и обслуживанием.
Ниже на рисунке представлены типовые схемы, из которых первые две (1, 2) относятся к разомкнутому виду, остальные – к замкнутому. Разница между ними заключается в том, что разомкнутые конфигурации не являются резервированными, то есть, не имеют резервных линий, которые можно задействовать при критическом увеличении электрической нагрузки.
Рисунок 9.1 – Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя: 1 – радиальная схема, на одном конце линии находится электростанция производящая энергию, на втором – потребитель или распределительное устройство; 2 – магистральный вариант радиальной схемы, отличие от предыдущего варианта заключается в наличии отводов между начальным и конечным пунктами передачи; 3 – магистральная схема с питанием на обоих концах ЛЭП; 4 – кольцевой тип конфигурации; 5 – магистраль с резервной линией (двойная магистраль); 6 – сложнозамкнутый вариант конфигурации (подобные схемы применяются при подключении ответственных потребителей)
Теперь рассмотрим более подробно радиальную схему для передачи вырабатываемой электроэнергии по ЛЭП переменного и постоянного тока.
Рисунок 9.2 – Схемы передачи электроэнергии к потребителям при использовании ЛЭП с переменным (А) и постоянным (В) током: 1 – генератор, где вырабатывается я электроэнергия с синусоидальной характеристикой; 2 – подстанция с повышающим трехфазным трансформатором; 3 – подстанция с трансформатором, понижающим напряжение трехфазного переменного тока; 4 – отвод для передачи электроэнергии распределительному устройству; 5 – выпрямитель, то есть устройство преобразующее трехфазный переменный ток в постоянный; 6 – инверторный блок, его задача сформировать из постоянного напряжение синусоидальное.
Как видно из схемы (А), с источника энергии электричество подается на повышающий трансформатор, затем при помощи воздушных линий электропередач производится транспортировка электроэнергии на значительные расстояния. В конечной точке линия подключается к понижающему трансформатору и от него идет к распределителю.
Метод передачи электроэнергии в виде постоянного тока (рисунок 9.2, В) от предыдущей схемы отличается наличием двух преобразовательных блоков (5 и 6).
9.4 Структурная схема электроснабжения
Передача электроэнергии на дальние расстояния. Основная проблема, связанная с такой задачей – рост потерь с увеличением протяженности ЛЭП. Как уже упоминалось выше, для снижения энергозатрат на передачу электричества уменьшают силу тока путем увеличения напряжения. К сожалению, такой вариант решения порождает новые проблемы, одна из которых коронные разряды.
С точки зрения экономической целесообразности потери в ВЛ не должны превышать 10%. Ниже представлена таблица, в которой приводится максимальная протяженность линий, отвечающих условиям рентабельности.
В качестве альтернативы электропередачи переменного тока на большое расстояние можно рассматривать ЛЭП с постоянным напряжением. Такие ЛЭП обладают следующими преимуществами: протяженность ВЛ не влияет на мощность, при этом ее максимальное значение существенно выше, чем у ЛЭП с переменным напряжением, то есть при увеличении потребления электроэнергии (до определенного предела) можно обойтись без модернизации. Статическую устойчивость можно не принимать во внимание. Нет необходимости синхронизировать по частоте связанные энергосистемы. Можно организовать передачу электроэнергии по двухпроводной или однопроводной линии, что существенно упрощает конструкцию. Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи. Практически отсутствует генерация реактивной мощности.
Рисунок 9.3 – Пример структурной схемы электроснабжения: 1 – электростанция, где электроэнергия производится; 2 – подстанция, повышающая напряжение, чтобы обеспечить высокую эффективность передачи электроэнергии на значительные расстояния; 3 – ЛЭП с высоким напряжением (35,0-750,0 кВ); 4 – подстанция с понижающими функциями (на выходе 6,0-10,0 кВ); 5 – пункт распределения электроэнергии; 6 – питающие кабельные линии; 7 – центральная подстанция на промышленном объекте, служит для понижения напряжения до 0,40 кВ; 8 – радиальные или магистральные кабельные линии; 9 – вводный щит в цеховом помещении; 10 – районная распределительная подстанция; 11 – кабельная радиальная или магистральная линия; 12 – подстанция, понижающая напряжение до 0,40 кВ; 13 – вводный щит жилого дома, для подключения внутренней электрической сети
Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях.
С инверсией (процесс полностью противоположный выпрямлению) также не все просто, необходимо допиться качественных синусоидальных характеристик, что существенно увеличивает стоимость оборудования.
Помимо этого следует учитывать проблемы с организацией отбора мощности и низкую рентабельность при протяженности ВЛ менее 1000-1500 км.
Сопротивление проводов можно существенно снизить, охладив их до сверхнизких температур. Это позволило бы вывести эффективность передачи электроэнергии на качественно новый уровень и увеличить протяженность линий для использования электроэнергии на большом удалении от места ее производства. К сожалению, доступные на сегодняшний день технологии не могут позволить использования сверхпроводимости для этих целей ввиду экономической нецелесообразности.
Источник
Передача электроэнергии на расстояние
Весь быт современного человека тесно связан с электроэнергией. От неё работает всё: начиная от зарядных устройств телефонов и заканчивая аппаратами искусственной вентиляции лёгких. Поэтому электроэнергия должна быть легкодоступна в каждом уголке планеты.
Высокое напряжение как способ уменьшения потерь
Реальность такова, что передача электроэнергии на большие расстояния неизбежно сопровождается её потерями. Существенная часть электричества, проходя путь от генератора на электростанции до розетки бытового потребителя, превращается в тепло и расходуется на обогрев атмосферы. Однако это не снижает затрат за производство электроэнергии, поэтому конечному пользователю всё же приходится оплачивать и эти нецелевые расходы.
Уменьшить ненужные потери, соответственно, траты, позволяют следующие способы:
- применение высокотемпературных сверхпроводников;
- увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
- повышение напряжения в линиях передачи.
За первым способом будущее. Однако сегодня он технически неосуществим. От второго отказались на первых парах развития электроэнергетики, ведь он экономически нецелесообразен из-за лишних расходов на утолщение проводников. Применение высокого напряжения оказалось наиболее удачным методом, поэтому он используется по всему миру уже порядка ста лет.
Классификация линий электропередач
Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.
По классу напряжению ЛЭП бывают:
- низковольтные, до 1 кВ;
- высоковольтные, свыше 1 кВ.
По назначению:
- Межсистемные линии с напряжением от 500 кВ и выше;
- Магистральные, 220-500 кВ;
- Распределительные, 110-220 кВ;
- Линии 35 кВ для питания сельхоз потребителей;
- ЛЭП 1-20 кВ, используемые в пределах одного населённого пункта.
Род электрического тока в ЛЭП подразделяются на:
- переменный (практически все линии);
- постоянный ток (встречается редко, в основном 3,3 кВ контактной сети железной дороги).
Способы передачи электроэнергии
Наиболее распространены два способа передачи электроэнергии: с помощью воздушных и кабельных линий. Они отличаются между собой по дальности и среде, в которой находится проводник.
Воздушные линии – это, упрощённо, медные или алюминиевые проводники, подвешенные через изоляторы на металлические или железобетонные опоры. При таком методе возможна передача электричества на большие расстояния и между разными государствами.
Кабельная линия – прокладка проводов под землёй. Отдельные токоведущие жилы расположены, как правило, в резиновой или ПВХ изоляции. Если напряжение высокое, то имеется и броня из металлической ленты. Также она служит в качестве экрана для защиты от помех. Встречается преимущественно в пределах города или предприятия.
Дополнительная информация. Применяя кабельные линии, возможно транспортировать электроэнергию по дну водоёмов и даже морей. Это позволяет поставлять электричество на острова. Применение ЛЭП таких возможностей не подразумевает.
Схема передачи энергии от электростанции до потребителя
Главная электростанция (1) вырабатывает напряжение порядка 10-12 кВ. Затем оно повышается с помощью трансформатора (2) до более высокого уровня: 35, 110, 220, 400, 500 или 1150 кВ. После по кабельной или воздушной линии (3) энергия передаётся на расстояния от единиц до тысяч километров и попадает на понижающую подстанцию. На ней также установлен трансформатор (4), который преобразует сотни киловольт снова в 10-12 тысяч вольт. Далее следует ещё один каскад понижения до 380/220 В (5). Это напряжение является конечным и раздаётся по потребителям (6), т.е. жилым домам, больницам и т.д.
Трансформаторные подстанции
Для преобразования напряжения одной величины в другую служат трансформаторные подстанции. Они представляют собой огороженный забором объект, имеющий на своей территории трансформатор. Внутри него располагаются первичная и вторичная обмотки (катушки). Их электромагнитное взаимодействие позволяет с большим КПД преобразовывать энергию. На подстанцию заходят воздушные линии или кабеля с одним напряжением, а выходят с другим, как правило, более низким.
Там же располагаются всевозможные системы контроля и учёта электроэнергии и распределительное устройство (РУ). Оно предназначено для связи с другими объектами энергосистемы и является неотъемлемой частью трансформаторной подстанции. РУ позволяет отключить отдельного потребителя по стороне низкого напряжения, не обесточивая при этом всех остальных.
Пропускная способность линий электропередач
Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.
Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.
Потери электроэнергии
Причины потерь при передаче электрической энергии на расстояние кроются в строении вещества. Электрический ток – это направленное движение по проводнику свободных носителей зарядов. В случае с ЛЭП и кабелями их роль играют электроны. Эти частицы, проходя по сечению провода, неизбежно сталкиваются с окружающими их атомами меди или алюминия и сообщают им часть своей кинетической энергии. Микрочастицы металла за счёт этого удара становятся подвижнее, что и воспринимается органами чувств человека как повышение температуры.
Количество теплоты Q, выделенной в проводнике за время t и потерянной впустую, вычисляется по закону Джоуля – Ленца. Оно пропорционально квадрату протекающего в проводе тока I и его сопротивлению R:
Дополнительная информация. Потери электричества имеются и в трансформаторе. К самым большим из них относятся затраты энергии на создание вихревых токов в сердечнике и нагрев обмоток.
Передача электричества на дальние расстояния
Если передача электрической энергии осуществляется на дистанции в сотни километров, то используют воздушные линии. Их строительство обходится существенно дешевле, в сравнении с кабельными, укладываемыми под землю. ЛЭП способны объединять в общую сеть соседние страны. Помимо этого, они проще в эксплуатации, ведь провода находятся под открытым небом. Этот фактор упрощает осмотр технического состояния линии и позволяет заблаговременно спрогнозировать её неисправности.
Постоянный ток в качестве альтернативы
Большинство из используемых сегодня в мире линий электропередач работает на переменном токе. Однако имеются исключения. В некоторых случаях применение постоянного тока оказывается более эффективным:
- отпадает необходимость в синхронизации генераторов, работающих в разных энергосистемах;
- сводятся к нулю потери на ёмкостное и индуктивное сопротивления кабеля;
- снижается стоимость линии, т.к. для передачи постоянного тока достаточно всего 2 проводников;
- возможность использования на уже построенных ЛЭП переменного тока, т.е. не нужно возводить новые магистрали;
- снижение электромагнитного излучения, возникающего при смене направления тока.
Дополнительная информация. Большинство домашних электроприборов может работать от постоянного тока. К ним относятся лампочки, интернет роутеры, дрели, обогреватели и многое другое. Переменный ток необходим только для некоторых видов двигателей, которые в быту встречаются крайне редко.
Умение передавать электрический ток на огромные расстояния послужило решающим фактором для развития всего человечества. Однако индустрия не стоит на месте, поэтому сейчас учёные работают над тем, чтобы сделать транспортировку энергии ещё эффективнее и дешевле.
Видео
Источник
