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:

1. применение высокотемпературных сверхпроводников;
2. увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
3. 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

Воздушные и кабельные линии электропередачи: краткая характеристика, достоинства и недостатки

Линии электропередачи предназначены для передачи электрической энергии от источника питания (электростанций) к потребителям – в дома, учреждения, на различные предприятия. Электроэнергия от электростанции до конечного потребителя проходит большой путь через множество различных повышающих и понижающих распределительных подстанций, между которыми электроэнергия передается при помощи воздушных и кабельных линий электропередач.

Рассмотрим, что собой представляют воздушные и кабельные линии электропередачи, приведем их достоинства и недостатки.

Воздушные линии электропередачи

Передача электроэнергии по воздушной линии электропередачи (ВЛ) осуществляется по проводам, которые находятся на открытом воздухе и поддерживаются над землей на опорах при помощи специальных креплений (траверс), изоляторов и других приспособлений, используемых для крепления, соединения и ответвления проводов. Все эти устройства называют линейная арматура воздушных линий электропередачи.

Линия электропередач со стороны источника питания и со стороны потребителя подключается к оборудованию распределительного устройства подстанции. Если электрооборудование располагается вне помещений, под открытым небом, то такое распределительное устройство называется ОРУ – открытое распределительное устройство.

Воздушная линия подводится к линейному порталу – конструкции, к которой через изоляторы подвешиваются провода. От линейного портала к проводникам линии подключаются спуски к линейным разъединителям.

Помимо распределительных подстанций со стороны источника питания и потребителя разъединители могут быть установлены и на линии электропередач.

Разъединитель – элемент оборудования, предназначенный для коммутации (включения и отключения) и создания видимого разрыва в электрической цепи для обеспечения безопасности при обслуживании линии электропередач и других элементов электрооборудования.

На линиях электропередач разъединитель может быть установлен на протяженной линии, а также на отпайках (ответвлениях) для возможности разделения линии для удобства поиска места повреждения и при необходимости выполнения ремонтных работ.

Если распределительное устройство подстанции выполнено в помещении (закрытое распределительное устройство), то должен быть реализован ввод воздушной линии в здание.

Для ввода воздушной линии на стене здания монтируется траверса с изоляторами, к которой подводятся проводники ВЛ. К проводникам подключается кабель, который заходит в здание через монтированную в стене трубу.

Ввод ВЛ в здание может быть выполнен при помощи трубостойки, которая монтируется на крыше здания, либо вблизи здания, при этом ввод кабель в здание будет осуществляться также через трубу.

В служебно-технических зданиях вместо труб для ввода кабеля могут быть выполнены отверстия в стене. Если ввод ВЛ в здание выполнен кабелем, то такая линия считается кабельно-воздушной (КВЛ) – это нужно учитывать при эксплуатации линии.

Линейный ввод может быть выполнен без применения кабеля, для этого используются специальные проходные изоляторы. Проходные изоляторы монтируются в стене здания, снаружи к вводам подключаются проводники линии электропередачи, а внутри здания подключается гибкая ошиновка либо жесткие шины плоского, трубчатого или коробчатого сечения.

Для защиты от возможных перенапряжений на первой опоре ВЛ или на спусках к линейному разъединителю, а также на вводах комплектных трансформаторных подстанций (КТП) или мачтовых (столбовых) подстанций, установленных на линии, устанавливаются разрядники или ОПН.

Кроме того, на ВЛ напряжением 35 кВ и выше для защиты от грозовых перенапряжений по всей длине линии над фазными проводниками монтируется грозозащитный трос, а на линейных порталах распределительных подстанций по обоим концам линии – молниеотводы.

Основные преимущества воздушной линии электропередачи:

меньшая стоимость, по сравнению с кабельными линиями;

простота поиска и устранения повреждения.

Наиболее распространенные виды повреждения воздушной линии — обрыв провода, повреждение изолятора или другого конструктивного элемента ВЛ.

Данные повреждения диагностируются визуальным осмотром при обходе линии после аварийного отключения и устраняются в большинстве случаев быстро, без необходимости применения специализированного оборудования, испытательных установок и проведения земляных работ. Исключение составляют случаи наличия пробоя изолятора на одной из опор.

В данном случае при снижении диэлектрической прочности изолятора через него будет протекать утечка тока и на данном участке электроустановки будет зафиксировано наличие замыкания на землю.

К преимуществам воздушных линий электропередач можно также отнести возможность передачи по проводам ЛЭП высокочастотных (ВЧ) сигналов, которые используются для телефонной связи, передачи телеметрических данных, данных средств систем автоматизированного диспетчерского технологического управления (АСДТУ), сигналов устройств релейной защиты и автоматики.

Для реализации ВЧ-канала связи между подстанциями в начале и конце линии на линейном портале устанавливается специальное оборудование: высокочастотный заградитель, конденсатор связи, фильтр присоединения и ряд других устройств, посредством которых осуществляется прием, преобразование и передача ВЧ-сигналов по линиям электропередач.

Кроме того, опоры ВЛ могут использоваться для прокладки волоконно-оптических линий связи. Оптический кабель бывает разных типов. Обычный кабель связи крепится или навивается на один из фазных проводников или на грозозащитный трос. Самонесущий неметаллический кабель связи может прокладываться по опорам ВЛ самостоятельно. Существуют также волоконно-оптические линии связи, встроенные в фазный провод или в грозозащитный трос.

Недостатками ВЛ является:

большая площадь охранной зоны: в зависимости от класса напряжения от 10 до 55 м с обеих сторон от крайних проводов ВЛ;

высокая вероятность возникновения грозовых перенапряжений при ударе молнии, а также повреждение ВЛ из-за неблагоприятных погодных условий: в результате схлестывания проводов, обрыва провода с изолятора или разрыва проводника от ветра или падения деревьев, а также по причине обледенения проводов;

возможность повреждения при выполнении работ со спецтехникой вблизи линии с несоблюдением допустимого расстояния до проводов ВЛ (в зависимости от класса напряжения от 1 до 10 м), а также при провозе под линией негабаритного груза или транспорта;

возможность поражения электрическим током в случае приближения людей к поврежденному участку ВЛ, к проводу, лежащему на земле (действие шагового напряжения). Также опасность представляет приближение к проводам исправной ВЛ на недопустимое расстояние;

с точки зрения воздействия на экологию, ВЛ являются источником опасности для птиц, которые нередко погибают от поражения электрическим током.

Кабельные линии электропередачи

Кабельная линия электропередачи – это линия электропередачи, которая состоит из одного или нескольких проложенных параллельно кабелей, концевых и соединительных муфт, а также различных крепежных элементов.

Кабель состоит из двух и более токопроводящих жил, каждая жила имеет изолирующий покров, а все жилы в целом закрыты внешней изолирующей оболочкой.

В зависимости от типа, кабель конструктивно может иметь ряд других составляющих: металлический трос, оболочка (алюминиевая или стальная), заполнитель промежутков между жилами, защитная броня (ленточная или проволочная), герметизирующий слой и ряд других промежуточных слоев изоляции.

Существуют отдельные типы кабелей, в которых для обеспечения требуемых изоляционных характеристик закачивается специальный газ или масло, находящиеся в полости кабеля под определенным давлением.

Преимущества кабельных линий следующие:

охранная зона кабельной линии – 1 м от кабеля в обе стороны, независимо от класса напряжения;

широкая область применения, возможность выбора оптимального способа прокладки, в зависимости от местных условий. Кабель можно проложить в земле, на опорах, в тоннелях, блоках, лотках, каналах, галереях, коллекторах и др. Возможность оперативного подключения электроснабжения временных объектов без необходимости проведения сложных электромонтажных работ;

защищенность от неблагоприятных погодных условий, грозовых перенапряжений;

безопасность при эксплуатации, что позволяет прокладывать линии электропередачи в населенных пунктах в местах скопления людей, интенсивного движения транспорта, а также в других местах, где строительство ВЛ затруднено или невозможно;

отсутствие доступа к линии посторонним лицам.

Недостатки кабельных линий:

чрезмерные смещения и просадки грунта могут привести к деформации, растяжению и как следствие повреждению кабельной линии;

вероятность механических повреждений в результате проведения несогласованных земляных работ вблизи кабельной трассы;

более сложный, по сравнению с ВЛ, поиск и устранение поврежденного участка. Для устранения повреждения необходимо проведение земляных работ, наличие специализированного оборудования для поиска места повреждения, проверки изоляции линии, а также оборудование для монтажа соединительных муфт. После ликвидации повреждения требуется проверка правильности фазировки.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник