Почему электроэнергию передают под высоким напряжением: Ошибка 404 — Запрашиваемая страница на сайте отсутствует.

Передача электроэнергии на большие расстояния

 

Передача новостей на большие расстояния всего пару сотен лет назад казалась чем-то из области фантастики. Время почтовых голубей, издревле использовавшихся римлянами, персами, и египтянами, прошло после изобретения телеграфной связи. С уверенностью можно сказать, что с передачей энергии на большие дистанции в те же периоды истории дела обстояли гораздо хуже. Проводники с высоким сопротивлением, низкое напряжение, серьезная коммерческая борьба за использование постоянного тока – лишь некоторые из факторов, тормозивших развитие электрических систем и сетей.

Ни для кого не секрет, что энергетику можно назвать достаточно консервативной отраслью. Если сравнивать скорость развития тепло- и электроэнергетики с прогрессом в информационных технологиях за одинаковые периоды времени, то разница чувствуется особенно резко. Окружающие нас сенсорные дисплеи с ультравысоким разрешением, искусственный интеллект, повсеместный и универсальный доступ к сети Интернет заметно развились с начала этого столетия. Однако опоры линий электропередачи (ЛЭП) до сих пор несут на себе тысячи километров сталеалюминиевыех проводов, перегрузки предотвращаются автоматическими выключателями, не сильно изменившимися за последние 70 лет. Суперпроводники, работающие при комнатной температуре, так и остались артефактами на страницах научных журналов и научно-популярной литературы. Чем же вызвана кажущаяся неповоротливость энергетики? Какие факторы на это влияют? И как вообще происходит передача электроэнергии на большие расстояния? Обо всем по порядку.

Как отмечалось выше, исторически сложилось, что изначально сторонников передачи электричества с использованием постоянного тока было больше. Такой перевес не был обусловлен точными расчетами, имела место пропаганда в СМИ и реклама. Почему же сейчас в контексте передачи электроэнергии мы слышим лишь о переменном токе?

Все начинается с электростанций. И для производителей, и для потребителей электроэнергии экономически выгодно иметь один централизованной источник энергии, а не множество разрозненных. От таких центров питания финансово целесообразно прокладывать ЛЭП к потребителям. Как известно, мощность (а в каждый момент времени по проводам передается именно мощность) равна произведению напряжения на ток. Для получения одной и той же мощности можно либо увеличить ток и снизить напряжение, либо сделать наоборот.

Случай с низким напряжением и высоким током очень неэффективный, при такой стратегии потери электроэнергии на длинных ЛЭП могут составлять 60 и более процентов. Случай с высоким напряжением и низким током гораздо более выгодный. При использовании постоянного тока увеличение уровня напряжения составляет серьезную проблему, а вот с переменным этого добиться очень просто. Трансформаторы – это электрические машины, преобразующие электрическую мощность с низкого напряжения в мощность с высоким напряжением. Чем длиннее ЛЭП, тем под более высоким напряжением находятся ее провода. Кроме того, бесчисленное количество заводов и предприятий используют электродвигатели. Двигатели постоянного тока в сравнении с двигателями переменного тока безусловно проигрывают: их КПД ниже, в них больше трущихся частей, их конструкция сложнее. Поэтому большинство электродвигателей в мире – это двигатели переменного тока.

Теперь, зная ответ на вопрос, почему победа осталась за переменным током, можно взглянуть на энергосистему с большей высоты. Различные электростанции в разных уголках планеты производят электричество. Говоря упрощенно, от электрогенераторов на станциях провода тянутся к трансформаторной подстанции (ТП), повышающей напряжение до 35, 110, 330, или 750 кВ. Провода на опорах оттуда тянутся к потребителям – в города и на заводы, где напряжение снова понижается на понижающих ТП до уровня, необходимого потребителю. Это напряжения в 0.4, 1, 10 кВ. Точка, в которой соединяются две и более ЛЭП, называется электрической подстанцией. Таким образом различные электростанции одной страны связываются в одну энергосистему, а энергосистемы разных стран – в объединенную энергосистему.

Трансформатор на подстанции

Передача энергии на большие расстояния – это всегда вопрос компромисса. Что выгоднее: строить новую электростанцию или прокладывать ЛЭП от существующих станций на огромное расстояние? Например, суммарная протяженность ЛЭП в Беларуси на начало 2019 года составляла почти 280 000 км. Где и как строить линию электропередачи? При монтаже опор огромное значение играет рельеф местности и характер грунта, а также наличие населенных пунктов, дорог и деревьев.

От потребляемой мощности зависит напряжение сети. От мощности, напряжения, и, как ни странно, погоды зависит выбор проводов, изоляторов и опор. При строительстве энергоемких предприятий надо решить: питаться от существующей подстанции или монтировать ТП в цеху? В целом при строительстве объектов решается вопрос о категории электроснабжения, то есть нужно ли прокладывать резервные линии и если да, то сколько? Отдельный и сложный вопрос представляет собой устойчивость энергосистемы, то есть ее способность функционировать, когда пропадает питание от электростанций или ЛЭП вследствие запланированного ремонта или аварии.  

Ротор турбогенератора

На данный момент принимается множество решений для модернизации энергосистем, например, привычные провода заменяют на алюминиевые с композитным тросом вместо стального. Это уменьшает провис проводов, увеличивает безопасную зону вокруг ЛЭП и их надежность. В целом же человечество еще не вышло на революционно новые методы производства и передачи электроэнергии.

Пожалуй, можно сказать, что в современном мире электроэнергетика находится на третьем месте после воздуха и воды. Миллионы километров проводов и кабелей смонтированы, огромные генераторы (диаметром до 16 метров) прочно закреплены на земной поверхности, это и объясняет вынужденную неповоротливость и стратегическую важность высоковольтной электроэнергетики.

Для обслуживания и проверки ЛЭП и электрических сетей существуют лаборатории электрофизических измерений. К таким, например, относится компания «ТМРсила-М», имеющая многолетний опыт работы в энергетике и сформированная из опытных специалистов.

 

Почему электроэнергию передают под высоким напряжением

Главная причина потерь при передаче электроэнергии — нагревание проводов, то есть превращение электрической энергии во внутреннюю.

Напомним, что согласно закону Джоуля-Ленца при прохождении тока в проводнике выделяется количество теплоты где — сила тока, — сопротивление проводника, — время прохождения тока (см. § 10. Работа и мощность постоянного тока). Следовательно, чтобы уменьшить нагревание проводов, надо уменьшать их сопротивление и силу тока в них.

Чтобы уменьшить сопротивление проводов, увеличивают их диаметр, но очень толстые провода слишком тяжелы и, кроме того, на них пошло бы много дорогой меди. Так что «главный резерв» борьбы с потерями — уменьшение силы тока в проводах.

Силу тока действительно можно уменьшить, причем многократно, но — ценой повышения напряжения во столько же раз, так как передаваемая потребителю мощность равна произведению где — напряжение в сети.

При заданной мощности сила тока Подставляя это выражение в выражение получаем откуда следует, что при заданной передаваемой мощности и заданном сопротивлении проводов «тепловые потери» в проводах обратно пропорциональны квадрату напряжения

А это значит, что при повышении напряжения в тысячу раз потери на нагревание проводов уменьшаются в миллион раз!

Что ты хочешь узнать?

Ответ

Рассмотрим систему электроснабжения, представляющую из себя группу электротехнических устройств для передачи, преобразования, распределения и потребления электрической энергии.

Снабжение электроэнергией осуществляется по стандартным схемам. Например, на рис. ниже представлена радиальная однолинейная схема электроснабжения для передачи электроэнергии от понижающей подстанции электростанции до потребителя электроэнергии напряжением 380 В.

Радиальная однолинейная схема электроснабжения

От электростанции электроэнергия напряжением 110. 750 кВ передается по линиям электропередач (ЛЭП) на главные или районные понижающие подстанции, на которых напряжение снижается до 6. 35 кВ. От распределительных устройств это напряжение по воздушным или кабельным ЛЭП передается к трансформаторным подстанциям, расположенным в непосредственной близости от потребителей электрической энергии. На подстанции величина напряжения снижается до 380 В и по воздушным или кабельным линиям поступает непосредственно к потребителю электроэнергии в доме. При этом линии имеют четвертый (нулевой) провод 0, позволяющий получить фазное напряжение 220 В, а также обеспечивать защиту электроустановок.

Такая схема позволяет передать электроэнергию потребителю с наименьшими потерями. Поэтому на пути от электростанции к потребителям электроэнергия трансформируется с одного напряжения на другое. Упрощенный пример трансформации для небольшого участка энергосистемы показан на следующем рисунке.

Пример трансформации электроэнергии при передаче потребителю

Зачем применяют высокое напряжение? Расчет сложен, но ответ прост. Для снижения потерь на нагрев проводов при передаче на большие расстояния.

Потому, что при передаче эл. Энергии какая-то часть теряется. По этому и нужно повышать напряжение, что б потери не вредели работе.

Это следует из соотношений U1/U2=I2/I1 и Q= Iкв*Rt/Nfr при большей мощности, если сила тока велика, то потери на джоулево тепло в квадратичной зависимости и потери энергии огромны. При трансформации же напряжение повышается. А сила тока уменьшается -это видно из первого соотношения, следовательно потери на тепло уменьшается. Поэтому приходится повышать напряжение. Можно уменьшить сопротивление проводника, это экономически невыгодно.

Зачем нужно высокое напряжение? | Энергия

Задумывались ли вы, зачем для передачи электроэнергии на большое расстояние нужно такое высокое напряжение, заставляющее строить высокие башни-опоры и гигантские изоляторы? Почему бы не передавать электричество низкого напряжения по сверхпрочным проводам, протянутым между скромными сооружениями или даже под землей? Тому есть причина.

Для заданной мощности электроэнергии, потребляемой конечными потребителями (нагрузка сети), сила тока в линиях электропередачи с ростом напряжения понижается. Уменьшение силы тока сокращает потери электроснабжения в линии электропередачи. Обратившись к формуле из школьного курса физики, вы поймете почему:

Р = EI,

где Р — мощность в ваттах, Е — напряжение в вольтах, а / — сила тока в амперах. Из нее следует, что на данном уровне мощности сила тока обратно пропорциональна напряжению:

I = Р/Е.

Потери электроснабжения (т. е. потери мощности) в линии электропередачи пропорциональны квадрату силы тока. Эти потери — мощности, которые не доходят до конечных потребителей; они уходят на нагрев проводов. Это соотношение описывается следующей формулой:

Р = I2R,

где Р — мощность в ваттах, I — сила тока в амперах, a R — сопротивление провода в омах. Конструкторы не могут изменить сопротивление провода или мощность нагрузки сети, но они могут довести до максимума напряжение, минимизируя таким образом «лишний» ток, который вынуждена нести линия передачи для обеспечения потребности сети.

Предположим, напряжение, подаваемое в сеть, повышается десятикратно, а потребительские нагрузки в сети постоянны. Рост напряжения уменьшает силу тока в десять раз, и в результате потери мощности сокращаются в(1/10)2, т. е. в сто раз! Разумеется, использовать повышающий трансформатор в одном месте проще и дешевле, чем протягивать на многие километры провода, тяжесть которых (без трансформатора) оказывалась бы в сто раз больше.

Вид высоковольтной линии переменного тока под напряжением, скажем, 500 000 вольт страшноват? Возможно. Но угрозу здоровью, исходящую от линий электропередачи (реальный уровень этой угрозы — вопрос спорный), на самом деле несут магнитные поля, генерируемые этими линиями. Сила этих колеблющихся полей прямо пропорциональна силе тока, а не напряжению. Если бы такая линия, проходящая по вашему пригороду, имела напряжение в 500 вольт, а не в 500 000, магнитные поля, окружающие ее, были бы гораздо интенсивнее и потенциальная угроза здоровью, соответственно, выше.

§ 12 учебника К.Ю Богданова для 11 класса

§ 13. Передача электроэнергии

Для уменьшения потерь электроэнергии при её передаче на дальние расстояния напряжение в сети увеличивают до нескольких сотен киловольт. 

Электроэнергия необходима повсюду. Однако теплоэлектростанции выгоднее строить там, где топливо дешевле, а электростанции – только на мощных реках, иначе стоимость электроэнергии будет неоправданно высокой. Поэтому потребители электроэнергии, производимой в сравнительно немногих местах, часто находятся на очень больших расстояниях от электростанций.

Передавать электроэнергию от мест её производства к потребителям необходимо с минимальными потерями. Главная причина этих потерь – превращение части электроэнергии во внутреннюю энергию проводов, их нагрев. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты Q, выделяемое за время t в проводнике сопротивлением R при прохождении тока I , равно:

 

   Из (13.1) следует, что для уменьшения нагрева проводов необходимо уменьшать силу тока в них и их сопротивление. Чтобы уменьшить сопротивление проводов, увеличивают их диаметр, однако, очень толстые провода, висящие между опорами линий электропередач, могут оборваться под действием силы тяжести, особенно, при снегопаде. Кроме того, при увеличении толщины проводов растёт их стоимость, а они сделаны из относительно дорогого металла, меди. Поэтому более эффективным способом минимизации энергопотерь при передаче электроэнергии служит уменьшение силы тока в проводах.

Таким образом, чтобы уменьшить нагрев проводов при передаче электроэнергии на дальние расстояния, необходимо сделать силу тока в них как можно меньше. Как известно, мощность тока равна произведению силы тока на напряжение. Значит, для сохранения мощности, передаваемой на дальние расстояния, надо во столько же раз увеличить напряжение, во сколько была уменьшена сила тока в проводах.

Пусть P — мощность, передаваемая потребителю электроэнергии при напряжении в сети, равном U. Если в формуле (13.1) силу тока I заменить на P/U, то она преобразуется в :

из которой следует, что при постоянных значениях передаваемой мощности тока и сопротивления проводов потери на нагрев в проводах обратно пропорциональны квадрату напряжению в сети. Например, при увеличении напряжения в 10 раз потери электроэнергии при её передаче уменьшатся в 100 раз. Поэтому для передачи электроэнергии на расстояния в несколько сотен километров используют высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), напряжение между проводами которых составляет десятки, а иногда сотни тысяч вольт.

Высокое напряжение опасно для жизни, и поэтому напряжение в электрических сетях потребления последовательно уменьшают на трансформаторных подстанциях: сначала до 4-40 кВ для магистральной сети, разводящей электроэнергию по улицам и дорогам, а потом до 120-240 В для распределительной сети бытовых и коммерческих потребителей (см. рис. 13).

С помощью ЛЭП соседние электростанции объединяются в единую сеть, называемую энергосистемой. Единая энергосистема России включает в себя огромное число электростанций, управляемых из единого центра и обеспечивает бесперебойную подачу электроэнергии потребителям.

Вопросы для повторения:

·        Почему электроэнергию передают на дальние расстояния по высоковольтным линиям электропередач?

·        Во сколько раз уменьшатся потери электроэнергии при её передаче, связанные с нагревом проводов, при повышении напряжения в сети в 100 раз?

·        Почему при потреблении электроэнергии напряжение в сети уменьшают?

·        В чём заключается преимущество переменного тока перед постоянным при передаче электроэнергии на дальние расстояния.

 

 

Рис. 13. Схема передачи и распределения электроэнергии. 1 – тепловая электростанция; 2 – трансформаторная подстанция, повышающая напряжение; 3 – мачты высоковольтной линии электропередач; 4 - трансформаторная подстанция, понижающая напряжение; 5 – магистральная сеть; 6 – понижающий трансформатор.

Передача электричества без потерь ⋆ Geoenergetics.ru

На самых первых этапах появления электростанций для тех, кто их разрабатывал и строил, все было просто и незатейливо – вот тут строим электростанцию, а вот здесь будет здание, в котором будет гореть свет, работать станки. Один производитель электроэнергии и один потребитель, нужно только решить проблему с разводкой электричества между розетками да выключателями.  Но такой схема оставалась очень недолго, поскольку она «страдала» сразу по двум логическим предпосылкам.

Развитие электротехники позволяло наращивать мощность электростанций – они были способны генерировать электроэнергии куда больше, чем требовалось единственному потребителю. Но и потребителю, который получал электроэнергию только из одного источника, тоже было неуютно, поскольку любая авария на электростанции мгновенно приводила к полному обесточиванию. Поскольку блок «логика» в мозговой аппарат физиков, инженеров, конструкторов встроен намертво, в нашей с вами реальности схема «один источник – один потребитель» исчезла раз и навсегда. Энергосистема даже, скажем, федерального округа нашей страны, гораздо более наворочена, а в масштабах всей России сложность ещё увеличивается. Как известно, с увеличением сложности любой технической системы снижается её отказоустойчивость, однако с энергосистемой не просто не так, а ровно наоборот.

От простого – к сложному, все более надежному

Строить у каждого, даже небольшого, городка свою электростанцию, конечно, прикольно. И раньше, во времена до ГОЭРЛО, всё именно так и было, но уже в то время схема электроснабжения простой не была – у каждой электростанции внутри города потребителей было куда как больше одного, то есть уже тогда энергетики разрабатывали и конструировали те самые подстанции и трансформаторные «будки», о которых мы уже говорили. Но с ростом масштабов потребности в энергии, с ростом промышленности, со строительством новых поселков и городов схема «одна электростанция – один город» работать перестала. Во-первых, несмотря на всю простоту, вариант питания каждого объекта от одной электростанции очень ненадёжен. Случись что непосредственно на электростанции – без электричества останется целый город, поскольку больше взять энергию негде. Снова на полную мощность включился блок «логика» в головах энергетиков-проектировщиков, подсказавший единственно возможное решение: необходимо объединить несколько электростанций, построенных в разных местах, в общую систему, связать их мощными линиями электропередачи и от этой системы питать потребителей. При таком раскладе остановка любой электростанции влечет за собой только снижение наличной мощности системы, но полного отключения не будет. Такой же эффект проявляется и при любой аварии или плановом отключении на линиях электропередачи. Достаточно просто изменить схему подачи напряжения по оставшимся линиям, и потребители ничего не заметят. Если коротко, несмотря на рост сложности системы энергообеспечения, вот парадокс, растёт и надёжность.

В идеале все генерирующие мощности всей страны желательно объединить в единую энергосистему. Это дает колоссальное преимущество, как по резервированию источников энергии, так и по многообразию вариантов подачи энергии потребителям. В России именно так всё и устроено, при этом стоит помнить о том, что устроено рационально, логично – система электроснабжения проектировалась и создавалась во времена плановой экономики, когда энергетики точно знали, где, сколько и каких промышленных потребителей возникнет в ближайшую пятилетку, когда проблемы землеотведения решались в десятки раз быстрее, чем теперь. Еще одно достоинство, которым мы пользуемся со времен планового развития экономики – наличие резервных мощностей на электростанциях, которые создавались не только на случай плановых ремонтов, но и для того, чтобы надежно страховаться от всяческого рода ЧП. Строительством электростанций командовало соответствующее министерство, для специалистов которого вопрос о зарабатывании прибыли за счет продажи электроэнергии волновал крайне незначительно, поскольку прибыль снималась в конце производственных цепочек, энергетики должны были выполнять главные для них задачи – гарантировать энергообеспеченность и ее надежность. Обратная сторона этой «медали» – то, что об энергосбережении в те времена думали на уровне лозунгов,  опыт последних лет показывает, что «агитация рублем» действует куда как более результативно.

Единая Энергосистема РФ имеет и ещё одну интересную особенность, на которую обычно не обращают внимания, но о которой немало лет думали специалисты Энергетического института, который в 1930 году создал и более четверти века возглавлял Глеб Максимилианович Кржижановский, главный инициатор разработки плана ГОЭЛРО.  Наша страна очень велика, она занимает целых 12 часовых поясов, когда на востоке полночь, на западе полдень. Нетрудно понять, что потребление электроэнергии сильно зависит от времени суток: обычно пик потребления и расхода мощности приходится на утро и вечер. Единая Энергосистема позволяет компенсировать пиковые нагрузки: скажем, вечером на Дальнем Востоке перетоком мощности из европейской части страны, и наоборот. В результате все электрохозяйство работает без перегрузок, в штатном режиме, с относительно постоянной производительностью. Особенно важно это для генерирующих мощностей, электроэнергия на которых вырабатывается со стабильным расходом, без бросков в нагрузке. Еще одно следствие того, что ЕЭС СССР разрабатывалась и создавалась именно по такой схеме – то, что в стране не требовалось строить дополнительные генерирующие мощности, предназначенные для того, чтобы успешно проходить часы пиковых нагрузок. Зачем нужна электростанция, которая будет работать только утром и вечером, когда меня надежно страхуют электростанции соседних часовых поясов? Итог одновременного использования достижений энергетики как науки, роста технологий, логики и планового характера развития экономики был парадоксален: самая северная страна мира имела самую дешевую в мире электроэнергию.

Возвращение экономики рыночной, приватизация заводов, фабрик, сельскохозяйственных предприятий, закрытие немалой их части и бессистемное появление новых, состоявшееся в 90-х годах минувшего века, лишило Россию этого конкурентного преимущества. Для ЕЭС, конечно, была важна не форма собственности того или иного предприятия, а его стабильная, предсказуемая работа, которая в то время исчезла полностью. Итог – разбалансировка системы, которую удалось в той или иной мере восстановить только в результате реформы ЕЭС. Эта реформа была не неким «абсолютным злом», а суровой необходимостью. Другой вопрос, что мы имеем в результате, но это уже совсем другая история.

Очевидно, что электростанции выгодно строить в местах, где есть или источник энергии для них (горючее топливо или река) и/или мощный потребитель, например, завод по производству алюминия, «жрущий» электроэнергию для своих технологических процессов в чудовищных объёмах. Кроме того, электростанция по возможности должна как можно более мощной, поскольку вырабатываемая ею электроэнергия в этом случае получается наиболее дешевой. Подавать электричество потребителям потребуется, как мы уже говорили выше, с помощью линий электропередачи, с учетом масштабов России эти линии иногда могут иметь протяженность в сотни и даже тысячи километров. Как же передать энергию на такие расстояния, по возможности максимально надёжно и с минимальными потерями?

Мало произвести – нужно уметь передать

Существует несколько способов передачи электрической энергии на расстояния. Например, бесконтактным способом, с помощью электромагнитной индукции. Носителем энергии в этом случае является электромагнитное поле – электрический ток в катушке источника преобразуется в электромагнитную энергию, которая в катушке приемника преобразуется обратно в электрический ток. Данный способ имеет и преимущества, и недостатки. Основным преимуществом является отсутствие физического носителя для энергии – проводники как таковые отсутствуют. Но такая технология имеет крайне существенный недостаток: низкий КПД, поскольку энергия очень сильно рассеивается по пути от источника к приемнику (убывает пропорционально квадрату расстояния между ними), и, стало быть, эффективна только на очень небольших расстояниях. Примером использования такой технологии может служить беспроводная зарядка для мобильного телефона или индукционная электроплита. В обоих случаях источник и приёмник расположены практически вплотную. Как нетрудно понять, для передачи энергии на большие расстояния такой способ не годится, для этого требуется носитель, по которому пойдет электрический ток.

Линии электропередачи

Носителем может быть проводник, чаще всего металл, у которого должно быть как можно меньшее внутреннее сопротивление электрическому току. Если сопротивление проводника будет сколь-нибудь заметным, то такой проводник будет нагреваться, то есть передаваемая энергия станет тратиться попусту, а это недопустимо. Наименьшим сопротивлением и, соответственно, наибольшей проводимостью из всех известных на данном этапе широко распространенных материалов является медь, кабели и провода из этого красного металла известны всем. Однако использовать медь для протяженных линий электропередачи невыгодно: медь тяжелая и достаточно дорогая. Поэтому самым удобным материалом, идущим на изготовление проводов ЛЭП (линий электропередач), является алюминий. Да, его проводимость хуже, чем у меди, зато алюминий дешевле и гораздо легче. Увы, алюминий мягок и не так прочен, как медь, да к тому же покрыт оксидной плёнкой, которая является пусть очень слабенькой, но электроизоляцией. Но эти недостатки можно компенсировать, не тратя на это значительные средства. Прочность проводов повышают, делая их кручеными из пучка тонких жил и добавляя в середину такого пучка одну или несколько стальных проволок, в местах контактов алюминий густо смазывают чем-нибудь жирным, например, техническим вазелином или консистентной смазкой, прямо под слоем смазки зачищают металлической щёткой и сразу же скрепляют контактное соединение. Оксидная плёнка без доступа воздуха не образуется, и это резко снижает сопротивление в контактах.

Нелишним будет напомнить, что электроэнергию можно передавать как по проводам воздушной линии, так и по кабелю. Под кабелем мы понимаем токонесущие жилы (как правило, алюминиевые), покрытые на всей длине кабеля индивидуальной изоляцией, и сверху укутанные общей оболочкой. Кабель обычно прокладывается в земле или под водой, однако иногда лёгкие кабели небольших сечений могут быть смонтированы и на опорах. Провода воздушных линий изоляцией не покрывают, это просто голый металл. От конструкций опор и друг от друга они отделяются изоляторами – фарфоровыми, стеклянными или полимерными. И воздушные линии (ВЛ), и кабельные (КЛ) имеют как преимущества, так и недостатки. ВЛ очень легко контролировать – все ее части, кроме фундаментов опор, находятся на виду. Как правило, ВЛ в габаритах своих конструкций мало ограничены, поэтому напряжение по ним можно передать любое, в том числе и очень высокое, надо только правильно изоляцию подобрать. Найти место повреждения на ВЛ просто, его видно сразу, ремонтировать провода также легче – достаточно их просто соединить. Да и повредить ВЛ вследствие того, что обычно они хорошо видимы, сложнее. С другой стороны, ВЛ – это достаточно высокие конструкции, а значит, подвержены ударам молний, поэтому на них в обязательном порядке должна иметься грозозащита. На мощных высоковольтных ВЛ даже специальный провод в верхних точках опор по всей длине трассы бывает натянут – именно для защиты от молний.  Кроме того, на ВЛ действует ветровая нагрузка, зимой еще и снеговая, обязательно учитывают то и другое, как и то, что вдоль каждой ЛЭП, идущей по лесу, необходимо устраивать просеки – для предупреждения риска падения деревьев на ЛЭП и для того, чтобы не возникали проблемы в случае лесных пожаров. Потребитель пошел избалованный, ему свет и ток в розетке нужен и в снег, и в дождь, и в бурю с ураганом. Что характерно – пока все в порядке, про электриков вспоминают, как говорится, раз в сто лет, а когда вспоминают по причине отсутствия электричества, то вспоминают словами такими красочными, что их и печатать-то нельзя, и только постоянные читатели Аналитического онлайн-журнала Геоэнергетика.ru каждое утро начинают со слов «Слава и почет энергетикам!».

Прокладка кабельных линий под землёй

КЛ обычно проложены в земле, потому ударам молний с ураганными ветрами не подвержены вообще. Однако напряжение в КЛ, как правило, ограничено. Достаточно распространены маслонаполненные кабели на 220 кВ, кабели на более высокое напряжение существуют, но они очень и очень дороги и используются в редчайших случаях, когда другие вариантов электроснабжения не существует. Один пример возникновения такой ситуации хорошо известен – после того, как Украина устроила «электрическую блокаду Крыма», наш полуостров был обеспечен материковой электроэнергией именно при помощи кабелей. Кроме того, трасса КЛ не видна, и, если нет ее точной привязки и соответствующей разметки, то КЛ легко повредить при проведении земляных работ. Такие проблемы, надо отметить, случаются сплошь и рядом, когда раскапывают какой-нибудь водопровод, и рвут ковшом экскаватора случайно оказавшийся в раскопе никому не известный кабель. Кабели, особенно высоковольтные, весьма сложны в ремонте, требуют применения специфических материалов и грамотных специалистов.

В общем, способов, как именно передать электроэнергию, существует несколько, и какой из них предпочесть, решают те, кто занимается проектированием линий. Решают, разумеется, исходя из местных условий. Например, если на пути линии есть река, то нужно решить, как будет её переходить трасса ЛЭП. Возможно, хватит длины воздушного перехода, провода не будут сильно провисать , схлестываться ветром,  не порвутся от собственного веса, выдержат снеговые нагрузки.  Но, если река широкая, а передаваемый объем электроэнергии не слишком велик, то иногда вполне целесообразно использовать подводный кабель.

Киловольты видны невооруженным глазом

Мы определились, при помощи чего можно передать электроэнергию. А вот как это сделать, чтобы передать необходимое количество киловаттов, то есть мощности? Напоминаем формулу электрической мощности:

Q = I x U

То есть мощность прямо пропорциональна произведению напряжения на силу тока. И мы также выяснили, что при необходимости передать большую мощность, нужно повышать напряжение, а не силу тока – это экономически более выгодно, большие значения силы тока становятся причиной контрпродуктивного нагрева материала ЛЭП, а вот большие значения напряжения ничего подобного не вызывают. А если надо передать очень большую мощность? Скажем, суммарную энергию нескольких больших электростанций перекачать с востока на запад страны? Вариант имеется только один – надо повысить напряжение в линии до очень больших значений. ЛЭП – это не компактный электрогенератор, она мало ограничена габаритами, поэтому можно не очень-то беспокоиться о том, что изоляция получится весьма громоздкой.

Где удобнее всего повышать напряжение? Всё верно, прямо на электростанции. Поэтому генераторы выдают свою мощность на специальные устройства – повышающие трансформаторы. Трансформатор, если кто забыл, это электромагнитный преобразователь, нужный для изменения величины напряжения и силы тока в ту или иную сторону. Трансформатор способен как повысить напряжение и/или силу тока, так и понизить, мощность передается через него практически без изменений, КПД трансформатора очень высок – доходит до 98%. Мощность в трансформаторе не изменяется, следовательно, исходя из упомянутой выше формулы, при повышении напряжения пропорционально уменьшается сила тока, и наоборот. Преобразование (трансформирование – отсюда и название этого устройства) энергии происходит в электромагнитной системе трансформатора. Это две катушки (обмотки), смонтированные на общем стальном сердечнике. Обмотки связаны друг с другом только с помощью электромагнитного поля, протекающего через сердечник, прямого электрического контакта не имеют, эффект повышения или понижения напряжения и силы тока получается за счёт разного количество витков в обмотках. Например, в обмотке, подключенной к генератору электростанции (она называется первичной обмоткой), 100 витков, а в обмотке (вторичной), подключенной к ошиновке, к линиям потребителей, 1100 витков. 1100/100 = 11 – это коэффициент трансформации данного устройства. И если генератор выдает на трансформатор 10 кВ, то на вторичной обмотке вот такого трансформатора мы получим 10 кВ х 11 = 110 кВ.

Трансформатор

С силой тока всё то же самое, но с точностью до наоборот: если генератор электростанции выдает на первичную обмотку трансформатора ток силой 1000 А, то на вторичной обмотке мы получим 1000 А : 11 = 91 А (примерно). Вот и вся арифметика. Ток, полученный на выходе из трансформатора вот с такими характеристиками, несмотря на огромное напряжение, легко коммутировать, то есть выключать и включать. Если увеличить число витков вторичной обмотки трансформатора до 5000, то коэффициент трансформации будет равен уже 50. В таком случае напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет 10 кВ х 50 = 500 кВ, а сила тока уменьшится 1000 А : 50 = 20 А. Это совсем крошечная нагрузка, иногда и в наших квартирах больше бывает. Но не забываем, что напряжение-то у нас не 220 В, а 500 кВ, и, стало быть, при токе в 20 А в линии будет передаваться мощность 500 кВ х 20 А = 10 000 кВт! Неплохо, правда?

Сделаем промежуточный вывод: электроэнергию на большие расстояния выгоднее передавать под очень высоким напряжением, какой тип линии использовать – КЛ или ВЛ – зависит от конкретных обстоятельств, но, как правило, высоковольтные линии строятся исключительно в виде ВЛ. В настоящее время типовое значение напряжения для магистральных линий электропередач составляет 500 кВ. Существуют магистральные ЛЭП с напряжением и в 750 кВ, и даже больше, но это большая редкость, ВЛ-500 экономически более целесообразны, сооружение их дешевле, чем ВЛ-750, и эксплуатация проще. Электроснабжение городов, не относящихся к числу наших мегаполисов, впрочем, таких высоких напряжений не требует, поскольку нагрузка города в 100-200 тысяч жителей не так велика, для них вполне хватает ЛЭП 110 или 220 кВ. Если коротко, то уровень напряжения ЛЭП выбирают из чисто экономических соображений: рассчитывается необходимая потребителям суммарная мощность, которую нужно подвести к данному городу, добавляется запас мощности на перспективу роста, после чего и определяется, на каком напряжении выгоднее всего построить ВЛ.

ЛЭП в городе

Высоковольтные линии электропередач между городами давно стали для нас привычной частью пейзажа, мы не часто пристально к ним присматриваемся. Однако есть минимальный набор знаний, который позволяет определить основную характеристику ВЛ – напряжение – невооруженным глазом. Как правило, ВЛ-110 и 220 кВ монтируются на бетонных одностоечных опорах. Напряжение в линии можно определить по количеству изоляторов в гирляндах, на которых подвешены провода. У ВЛ-110 каждый провод висит на гирлянде, состоящей из шести изоляторов, у ВЛ-220 провода подвешены на десяти изоляторах. Как правило, изоляторы используются стеклянные, и это далеко не случайность. Во время эксплуатации ВЛ может случиться пробой одного или двух изоляторов в гирлянде – от молнии или по грязи на поверхности. Остальные изоляторы могут быть исправными, и изоляция в целом не нарушена, поскольку класс изоляции выбирается с большим запасом. Стеклянные изоляторы удобны тем, что в случае пробоя их «шапки» разлетаются вдребезги, что позволяет легко с земли  это увидеть и оперативно принять меры. Фарфоровые и полимерные изоляторы даже после пробоя остаются целыми несмотря на то, что свою функцию уже не выполняют, и поэтому обнаружить пробой можно только непосредственно, вблизи. Электрики – они тоже люди, им хочется свою работу выполнять не только качественно, но и побыстрее, чтобы нервный потребитель поминал его тихим добрым словом не так долго и не так громко, знаете ли.

Коронный разряд – это красиво

Линии 330 кВ и выше отличить ещё проще. ВЛ-330 имеет два раздельных провода в каждой фазе, ВЛ-500 – три, это так называемые «расщепленные» провода. Сделано это для того, что на таких уровнях напряжения могут появиться вдоль проводов нежелательные эффекты в виде коронного разряда – электрики предпочитают знакомиться и наблюдать это замечательное, эффектно выглядящее явление в лабораторных условиях, а не на ЛЭП. Дело не в отсутствии любопытства или чувства прекрасного, а в странном, аномальном поведении руководителей, начальников электрокомпаний – коронный разряд на ВЛ мгновенно уничтожает их воспитанность, интеллигентность и чувство такта. Начальник обыкновенный в случае появления коронного разряда начинает выкрикивать бессвязные слова, размахивать руками, у них поднимается давление, они становятся опасны для себя и окружающих. Электрики с такой странной реакцией хорошо знакомы и предпочитают покинуть помещение подстанции и стремительно мчаться в направлении силовых выключателей, чтобы немедленно лишить питания ЛЭП, возомнившую о себе черт-те что и нацепившую на себя «корону». Как показывает практика, спустя короткое время после исчезновения «короны» к начальникам возвращается человеческий облик – с лиц сходит ярко-красный цвет, перестает покрываться испариной лысина, прекращают подергиваться конечности, и только тремор пальцев какое-то время напоминает о пережитом волнении.

Коронный разряд на ЛЭП

Коронный разряд – самостоятельный разряд в газе, может образоваться при наличии резко неоднородных электромагнитных полей на электродах с высокой кривизной поверхности. Линии электропередач – это гарантированно неоднородные электромагнитные поля, провод – та самая поверхность с высокой кривизной. Главное условие для начала разряда — вблизи острого края электрода должна присутствовать сравнительно более высокая напряженность электрического поля, чем на остальном пути между электродами, создающими разность потенциалов. Для воздуха в нормальных условиях (при атмосферном давлении), предельное значение электрической напряженности составляет 30 кВ/см, при такой напряженности на острие электрода уже появляется слабое свечение, напоминающее по форме корону. Вот почему такой газовый разряд называют коронным. Физики любопытны как дети и точно так же, по детски бесхитростны и наивны: видят корону при разряде, и бесхитростно нарекают разряд «коронным». Даже представлять не хочется, на что мог бы оказаться горазд физик, воспитанный фармокологами…

С физической точки зрения ничего загадочного в коронном разряде нет. К примеру, в предгрозовую пору воздух ионизируется без участия человека, сам по себе. Ион, напомним – это атом, «потерявший» свой или «укравший» чужой электрон и это, конечно, форменное безобразие. В нормальном, порядочном атоме, числе электронов строго равно числу протонов в его ядре, что и обеспечивает окружающим нас многочисленным химическим веществам электрическую нейтральность. А перед грозой в атмосферном воздухе носятся потерявшие свой атом свободные электроны в поисках хоть какого-нибудь прибежища. А тут рядом – провод с электротоком, и электрон с приличным ускорением несется к нему, сломя голову. Встретится ему на пути нейтральный атом – этот «спортсмен» ионизирует и его, увлекая в свое движение дополнительные электроны, в результате возле острия – провода – образуется целая лавина заряженных частиц. Существовать коронный разряд после своего образования может достаточно долго, и все то время, которое он длится, ВЛ будет терять огромное количество переносимой ею электроэнергии.

Способы борьбы с коронным разрядом известны, их условно можно разделить на «активные» и «пассивные», в первом случае требуется непосредственное участие человека, во втором этого не требуется – это защита, профилактика, действующая всегда, причем сама по себе.  Толстый проводник расщепляют на два-три идущих параллельно тонких, чтобы уменьшить локальные напряжения и не дать «короне» образоваться в принципе. Толщина таких расщепленных проводов всегда подобрана с особой тщательностью: сечение проводов ВЛ-110 равно минимум 95 квадратным мм, для ВЛ-220 – 240 квадратных миллиметров. Если, несмотря на эти предосторожности, «корона» все же умудрилась образоваться, в дело вступает «предохранитель №2» – анти-коронные кольца, металлические тороиды. Его задача – аккуратно распределить градиент электрического поля, чтобы его максимальные значения были ниже порога «короны». Если «корона» обойдет и эту защиту, то ее разрушительный эффект придется именно на это кольцо, а не приведет к тому, что из строя начнет выходить дорогостоящее оборудование на подстанциях. Сгорит кольцо – да и ладно, электрики новое повесят.

Анти-коронные кольца

Из прочих подробностей – номинальные (то есть максимально допустимые) значения напряжения в высоковольтных ВЛ, «бегущих» по России, имеют фиксированный ряд: 6, 10, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ. Данное требование определяется соответствующим ГОСТом для унификации оборудования и упрощения проектных решений, разброд и шатания недопустимы. Такие номиналы напряжения в линиях используются на данный момент в России повсеместно. Ещё одна важная деталь: имеется в виду переменный трехфазный ток.

При всем богатстве выбора фаз у электротока всегда три

Надеемся, что об отличии переменного и постоянного тока рассказывать нет необходимости, это не только изложено в школьном курсе физики, но и неоднократно повторено на страницах нашего журнала. Почему же используется именно переменный ток? Дело в том, что его очень легко изменять – увеличивать или уменьшать напряжение, сохраняя при этом заданную величину мощности. И устройства, обеспечивающее возможность таких изменений – трансформаторы – для подобных изменений крайне просты. Для изменения параметров постоянного тока требуются особые ухищрения, а любое особое ухищрение стоит особых денег, которых, как известно нет, но нам и без них велено держаться. Стало быть, всё решает та самая пресловутая экономика.

С трехфазным током немного сложнее. Для передачи однофазного тока требуется как минимум два провода – «фаза» и «нуль». Трехфазный ток передается по трём проводам, все они являются фазными. То есть в схеме появляется ещё один, «лишний» провод, и нулевой провод отсутствует вообще. Напряжение передается по всем трём проводам со стандартной для России частотой 50 Гц, только его колебания сдвинуты в каждой фазе относительно соседних на 120 градусов. Саркастическая фраза «сдвиг по фазе» растёт именно отсюда, а без юмора, зато с чувством, толком и расстановкой об этом уже подробно рассказывал на страницах Геоэнергетики Дмитрий Таланов.

Что даёт такая схема? Во-первых, более полно используется материал проводов: нагрузка передаётся по всем трём проводникам одновременно, а не по одному, как в однофазных системах. Во-вторых, тот самый сдвиг по фазе позволяет получить так называемое вращающееся магнитное поле, что очень упрощает конструкцию и генераторов, и электродвигателей. Например, типовой асинхронный двигатель на трёхфазный переменный ток не имеет никаких дополнительных устройств (коллектора и щёток) для передачи напряжения на вращающийся ротор, которые изнашиваются. А ещё у асинхронного мотора очень просто изменить направление вращения ротора, просто поменяв порядок подключения фаз в его обмотках, для любого электропривода это крайне важное свойство. Учение Михаила Осиповича Доливо-Добровольского всесильно, потому что оно верно: везде и повсюду в мире используется система передачи электроэнергии в виде трёхфазного переменного тока, меняются только номиналы напряжения и основные частоты. Например, в США у конечных потребителей (в квартирах и домах) используется напряжение 110 В частотой 60 Гц, в России – 220 В и 50 Гц, но в целом такие детали на общую картину влияют мало.

Поскольку в генерации и передачи энергии используется переменный ток фиксированной частоты, то в энергосистеме остро проявляется одна интересная проблема: все генерирующие мощности должны работать синфазно, то есть выдавать напряжение в ЛЭП строго в одной фазе, синхронно, не раньше и не позже. Другими словами, синусоида напряжения на электростанции Дальнего Востока должна полностью совпадать с синусоидой напряжения, выдаваемого электростанцией Подмосковья. Если появится даже малейший рассинхрон, в энергосистеме возникнут серьезные проблемы, вплоть до коротких замыканий. Пытливый читатель на этом месте уже может вспомнить, сколько в России электрогенераторов на электростанциях, и какого масштаба задача должна решаться. И она успешно решается – с помощью самых разнообразных технических и организационных ухищрений. Например, генераторы электростанций должны включаться в нагрузку строго на определенной частоте вращения роторов и строго в определенный момент. Самое занимательное – эта проблема решалась в годы создания ЕЭС СССР, когда в обиходе слова «компьютер» и в помине не было, да и до появления аббревиатуры «ЭВМ» оставался десяток-другой лет. Попытайтесь совместить в голове сразу два этих факта: масштабы России, сложность ее энергосистемы и логарифмическая линейка с механическим арифмометром в качестве самых продвинутых вычислительных устройств. Попробовали? Тогда мы еще раз   напоминаем – эта задача была решена Энергетическим институтом под руководством Глеба Кржижановского, чье имя ЭНИН носит в наше время.

Итак, подытожим сказанное. Сгенерированный на электростанции переменный трёхфазный ток повышается трансформаторами и выдаётся в объединенную энергосистему. С помощью высоковольтных линий ток подводится к потребителям, где понижается опять же трансформаторами до нужного значения и подается непосредственно на нагрузку – для освещения квартир или для выплавки стали. Наличие единой системы даёт массу преимуществ: это огромный централизованно управляемый организм, снабжающий страну энергией, притом достаточно отказоустойчивый, имеющий достаточное количество резервных мощностей на случай ЧП любых масштабов.

Перспективы постоянного тока

А теперь, «на закуску», немного интересных подробностей. Как это ни странно, постоянный ток также имеет перспективы в смысле передачи энергии на большие расстояния. Данный род тока обладает в несколько раз большей плотностью энергии в единице сечения проводника. Другими словами, по проводнику фиксированного сечения, скажем, 240 квадратных мм, постоянным током можно передать раза примерно в четыре большую мощность, чем переменным, без нагрева проводника. Связано это с так называемым поверхностным эффектом: если переменный ток электромагнитными силами вытесняется к поверхности проводника, а внутри провода напряжение может отсутствовать вообще, то постоянный ток занимает всю площадь сечения проводника. Поэтому такой ток вполне может применяться в энергосистеме.

Тут, правда, есть проблема: постоянный ток нужно передавать с высоким напряжением, точно так же, как это делается в случае тока переменного, поскольку формула мощности действует и в этом случае. Разумеется, способы преобразования переменного тока в постоянный (выпрямления) и наоборот (инвертирования) существуют, но в нашем случае придётся выпрямлять, а потом инвертировать переменный ток очень высокого напряжения. Соответственно, имеет место чисто технологическая трудность: придётся создавать выпрямитель или инвертор прямо-таки циклопических размеров. Тем не менее, работы в этом направлении велись и ведутся, в последнее время особенно активно в Европе.

О том, как это связано со все более настойчивыми попытками развивать ВИЭ-сектор электрогенерации, мы еще обязательно расскажем. Кроме этого, нового направления, постоянный ток очень широко используется на транспорте. Именно постоянным током «питаются» трамваи, троллейбусы и метро, а также достаточно большие участки железных дорог РФ. Но и об этом – не в этот раз.

 

Подготовлено в соавторстве с Борисом Марцинкевичем

Передача электрической энергии на расстояние — урок. Физика, 9 класс.

Электрическая энергия имеет неоспоримые преимущества перед другими видами энергии.

• Во-первых, её легко преобразовать в другие виды энергии: вспомни работу электродвигателя, нагревательных приборов, электрическое освещение и многое другое.
• Во-вторых, это экологически чистый вид энергии: при её преобразовании в другие виды окружающая среда не загрязняется.
• В-третьих, электрическую энергию легко передать на любые расстояния.

Как известно, электроэнергию вырабатывают на электростанциях и передают потребителям на большие расстояния с помощью линий электропередачи (ЛЭП). Но при передаче электрической энергии по проводам  часть энергии тратится на нагревание проводов линий электропередачи.

 

Теплота \(Q\), выделяемая током в проводнике, определяется по формуле закона Джоуля — Ленца: Q=I2Rt.

Очевидно, чтобы уменьшить потери тепловой энергии в проводах, нужно либо уменьшать силу тока, либо уменьшать сопротивление.

Сопротивление проводника вычисляется по формуле: R=ρlS.

Объединив эти формулы, получим следующее выражение: Q=I2ρlSt.

Чтобы уменьшить сопротивление линии, используют провода, изготовленные из материала с малым удельным сопротивлением (обычно медь или алюминий), и увеличивают их поперечное сечение. Однако этот путь малоэффективен — провода должны иметь малую массу. Противоречия в требованиях массы малой массы и малого удельного сопротивления с большим поперечным сечением не нашли своего решения. Поэтому используют высоковольтные линии передач.

Обрати внимание!

Для уменьшения силы тока при сохранении мощности (\(P = IU\)) повышают напряжение, т. е. ток трансформируют.

Для этого на территории электростанции устанавливают повышающие трансформаторы.

Электроприборы в домах рассчитаны на напряжение, отличающееся от передаваемого по ЛЭП. Поэтому существуют подстанции, на которых напряжение понижается до потребительского значения (\(220\) В).

Сокращение потерь при передаче электроэнергии

 

Сокращение потерь при передаче электроэнергии

В этой главе кратко рассмотрим систему электроснабжения, представляющую из себя группу электротехнических устройств для передачи, преобразования, распределения и потребления электрической энергии. Глава расширит кругозор тех, кто хочет научиться грамотно использовать домашнюю электросеть.

Снабжение электроэнергией осуществляется по стандартным схемам. На­ пример, на рис. 2.1 представлена радиальная однолинейная схема электро снабжения для передачи элект­ роэнергии от понижающей подстанции электростанции до потребителя электроэнергии напряжением 380 В. От элект­ ростанции электроэнергия на­ пряжением ПО…750 кВ переда­ ется по линиям электропередач (ЛЭП) на главные или район­ ные понижающие подстанции , на которых напряжение снижается до 6…35 кВ. От распределительных устройств это напряжение по воздушным или кабельным ЛЭП передается к трансфор­ маторным подстанциям, расположенным в непосредственной близости от по­ требителей электрической энергии. На подстанции величина напряжения сни­ жается до 380 В и по воздушным или кабельным линиям поступает непосредственно к потребителю электроэнергии в доме. При этом линии имеют четвертый (нулевой) провод 0, позволяющий получить фазное напря­жение 220 В, а также обеспечивать защиту электроустановок.

Такая схема позволяет передать электроэнергию потребителю с наименьшими потерями . Поэтому на пути от электростанции к потребителям электроэнергия трансформируется с одного напряжения на другое. Упрощенный пример транс­ формации для небольшого участка энергосистемы показан на рис. 2.2. Зачем применяют высокое напряжение? Расчет сложен, но ответ прост. Для снижения потерь на нагрев проводов при передаче на большие расстояния.

  Пример. Генератор вырабатывает напряжение 10 кВ. Оно повышается трансформатором, и при напряжении 110 кВ идет передача по линии на расстояние 100 км. Затем на районной подстанции трансформатором на­пряжение снижается до 10 кВ и по подземному кабелю поступает на трансформаторную подстанцию, находящуюся в нескольких сотнях метров от вашего дома. На этой подстанции трансформатор так понижает напря­ жение, чтобы запитать потребителей напряжением 220 В.

 

Потери зависят от величины проходящего тока и диаметра проводника, а не приложенного напряжения.

Пример. Допустим, что с электростанции в город, находящийся от нее на расстоянии 100 км, нужно передавать по одной линии 30 МВт. Из-за того, что провода линии имеют электрическое сопротивление, ток их нагревает. Эта теплота рассеивается и не может быть использована. Энергия, затра­ чиваемая на нагревание, представляет собой потери.

Свести потери к нулю невозможно. Но ограничить их необходимо. По­этому допустимые потери нормируют, т.е. при расчете проводов линии и выборе ее напряжения исходят из того, чтобы потери не превышали, напри­мер, 10% полезной мощности, передаваемой по линии. В нашем примере это 0,1 30 МВт = 3 МВт.

  Пример. Если не применять трансформацию, т.е. передавать электроэнер­ гию при напряжении 220 В, то для снижения потерь до заданного значения сечение проводов пришлось бы увеличить примерно до 10 м². Диаметр такого «провода» превышает 3 м, а масса в пролете составляет сотни тонн.

Применяя трансформацию, т.е. повышая напряжение в линии, а затем, снижая его вблизи расположения потребителей, пользуются другим спосо­ бом снижения потерь: уменьшают ток в линии. Этот способ весьма эффекти­ вен, так как потери пропорциональны квадрату силы тока. Действительно, при повышении напряжения вдвое ток снижается вдвое, а потери уменьша­ ются в 4 раза. Если напряжение повысить в 100 раз, то потери снизятся в 100², т.е. в 10000 раз.

  Пример. В качестве иллюстрации эффективности повышения напряжения укажем, что по линии электропередачи трехфазного переменного тока на­ пряжением 500 кВ передают 1000 МВт на 1000 км.

 

Передача электроэнергии при высоком напряжении

От побережья к побережью электричество передается по высоковольтным линиям электропередачи, чтобы обеспечить электроэнергией наши дома. В некоторых частях сетки в США Штаты, электричество передается напряжением до 500 000 вольт. Потребность в высоком напряжении передачи возникает, когда необходимо передать большое количество энергии. на большое расстояние.

Почему высокое напряжение

Основная причина того, что мощность передается при высоком напряжении, заключается в повышении эффективности.Поскольку электричество передается на большие расстояния, существуют неотъемлемые потери энергии в пути. Передача высокого напряжения сводит к минимуму потери мощности при перетекании электричества из одного места в другое. Как? Чем выше напряжение, тем меньше ток. Чем меньше ток, тем меньше потери сопротивления в проводниках. И когда сопротивление потери низки, малы и потери энергии. Инженеры-электрики учитывают такие факторы, как передаваемая мощность. и расстояние, необходимое для передачи при определении оптимального напряжения передачи.

Есть также экономическая выгода, связанная с передачей высокого напряжения. Более низкий ток, который сопровождает передачу высокого напряжения, снижает сопротивление в проводниках, поскольку электричество течет по кабелям. Это означает, что тонкие и легкие провода можно использовать для передачи на большие расстояния. Как результат, Опоры электропередачи не должны проектироваться так, чтобы выдерживать вес более тяжелых проводов, которые могут быть связаны с большим током. Эти соображения сделать передачу высокого напряжения на большие расстояния экономичным решением.

Рынок высокого напряжения

В последние годы быстрорастущий рынок возобновляемых источников энергии сыграл особенно большую роль на рынке высокого напряжения. Как более возобновляемые источники локализованных Электроэнергетика будет запущена, спрос на передачу высокого напряжения будет продолжать расти.

По всей территории Соединенных Штатов замена и модернизация существующей инфраструктуры передачи, а также добавление новых мощностей генерации и передачи являются ключевыми драйверами для рынка высокого напряжения.

О бете

Beta Engineering спроектировала и построила множество высоковольтных проектов по всей стране. Мы специализируемся на услугах EPC для подстанции с газовой изоляцией (КРУЭ), распределительные устройства и подстанции, ФАКТЫ и ЛЭП высокого напряжения. Взгляните на избранные проекты из нашего портфолио, чтобы узнать больше о решениях EPC, которые может предоставить вам Beta.

Электропередача — Энергетическое образование

Рисунок 1.Линии электропередачи высокого напряжения используются для передачи электроэнергии на большие расстояния. ^[1]

Передача электроэнергии — это процесс доставки произведенной электроэнергии — обычно на большие расстояния — в распределительную сеть, расположенную в населенных пунктах. ^[2] Важной частью этого процесса являются трансформаторы, которые используются для повышения уровней напряжения, чтобы сделать возможной передачу на большие расстояния. ^[2]

Система электропередачи в сочетании с электростанциями, системами распределения и подстанциями образует так называемую электрическую сеть .Сеть удовлетворяет потребности общества в электроэнергии и является тем, что передает электроэнергию от ее генерации до конечного использования. Поскольку электростанции чаще всего располагаются за пределами густонаселенных районов, система передачи должна быть довольно большой.

Линии электропередач

Линии электропередачи или линии передачи, такие как показанные на Рисунке 1, транспортируют электроэнергию с места на место. Обычно это электричество переменного тока, поэтому повышающие трансформаторы могут повышать напряжение. Это повышенное напряжение обеспечивает эффективную передачу на 500 километров или меньше.Есть 3 типа линий: ^[3]

• Воздушные линии имеют очень высокое напряжение, от 100 кВ до 800 кВ, и обеспечивают большую часть передачи на большие расстояния. Они должны быть высокого напряжения, чтобы минимизировать потери мощности на сопротивление.
• Подземные линии используются для транспортировки электроэнергии через населенные пункты, под водой или почти везде, где нельзя использовать воздушные линии. Они менее распространены, чем воздушные линии из-за потерь, связанных с теплом, и более высокой стоимости.2 \ times R [/ математика]

  где

  • [math] I [/ math] — ток в амперах
  • [math] R [/ math] — сопротивление в Ом.

  Выше было упомянуто, что линии высокого напряжения уменьшают эту потерянную мощность. Этот факт можно объяснить, посмотрев на передаваемую мощность, [математически] P_ {trans} = I \ times V [/ math]. По мере увеличения напряжения ток должен пропорционально уменьшаться, поскольку мощность остается постоянной. Например, если напряжение увеличивается в 100 раз, ток должен уменьшиться в 100 раз, и результирующая потеря мощности будет уменьшена на 100 ² = 10000.Однако есть предел, заключающийся в том, что при чрезвычайно высоких напряжениях (2000 кВ) электричество начинает разряжаться, что приводит к большим потерям. ^[3] При передаче электроэнергии и в США, по оценкам EIA, около 6% электроэнергии теряется. ^[5]

  Для дальнейшего чтения

  Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

  Список литературы

  1. ↑ Wikimedia Commons [Online], Доступно: http: // commons.wikimedia.org/wiki/File:Ligne_haute-tension.jpg
  2. ↑ ^{2,0 2,1} Р. Пэйнтер и Б. Дж. Бойделл, «Передача и распределение энергии: обзор» в Введение в электричество , 1-е изд., Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Пирсон, 2011, глава 25, сек. .1, стр 1095-1097
  3. ↑ ^{3,0 3,1 3,2} Р. Пейнтер и Б. Дж. Бойделл, «Линии передачи и подстанции» в книге Введение в электричество , 1-е изд., Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси: Пирсон, 2011, гл.25, сек 3, с.1102-1104
  4. ↑ EIA, Canada Week: Интегрированная электрическая сеть повышает надежность в США и Канаде. [Online], Доступно: http://www.eia.gov/todayinenergy/detail.cfm?id=8930
  5. ↑ EIA. (27 мая 2015 г.). Потери электроэнергии [Онлайн]. Доступно: http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=105&t=3

  электроэнергии — Почему ЛЭП высокого напряжения?

  Это вопрос, который я, кажется, решал несколько раз, решал каждый раз после прочтения хитроумного интернет-объяснения, а затем частично забывал и возвращался к нему через полгода.2} {R} = 100

  долл. США

  ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ !! Но мне это тоже кажется довольно логичным, напряжение на сопротивлении равно 10 (не так ли? Я могу забыть здесь что-то фундаментальное? Не уверен), а сопротивление равно 1.

  Любая помощь полезна, я, наверное, в том или ином шаге веду себя глупо.

  РЕДАКТИРОВАТЬ

  Ну, я был прав, я думаю, я был глупцом. Я почти полностью проигнорировал тот факт, что $ V = IR $, поэтому в случае, когда $ P_g $ равно 10, а сопротивление равно 1.Кажется, сейчас у меня возникли сложности. Если я устанавливаю напряжение равным 10, согласно $ P = VI $ ток должен быть равен единице, но согласно $ V = IR $ ток должен быть 10. Я нахожусь в загадке? Теперь я полностью запутался. Любая помощь полезна.

  электроэнергии — Почему мы используем переменный ток для передачи на большие расстояния?

  Первое, что нужно отметить: мы не всегда используем AC. Для передачи электроэнергии на большие расстояния существует такое понятие, как постоянный ток высокого напряжения. Однако его использование было редкостью до последних нескольких десятилетий, когда были разработаны относительно эффективные методы преобразования постоянного тока в переменный.

  Второй момент — опровергнуть распространенный ответ, который гласит: «Потому что DC не пойдет на большие расстояния». Конечно, будет. Фактически, постоянный ток иногда лучше для больших расстояний (потому что у вас нет потерь на емкостное или электромагнитное излучение).

  Но да, AC использовался традиционно. «Почему» возникает из-за серии «а ведет к б ведет к с ведет к…»:

  1. Вы хотите как можно меньше терять мощность в ваших линиях передачи. И при прочих равных, чем больше расстояние, тем больше мощности вы потеряете.Таким образом, чем больше расстояние, тем важнее сократить потери в линии до минимума.

  2. Основной причиной потери мощности в линиях электропередач являются резистивные потери. Они не являются идеальными проводниками (их сопротивление ненулевое), поэтому небольшая часть энергии, проходящей через них, теряется на тепло — так же, как в электронагревателе, только там, конечно, тепло — это то, что мы хотим! Теперь, чем больше силы переносится, тем больше теряется. Для данного количества передаваемой мощности резистивные потери в линии передачи пропорциональны квадрату тока! (Это потому, что мощность (в ваттах), рассеиваемая на сопротивлении, равна току в амперах, возведенному в квадрат, умноженному на сопротивление в омах.Эти потери обычно называют потерями «I-квадрат-R», произносится как «глаз-квадрат-arr», «I» является обычным символом тока в электромонтажных работах.) Таким образом, вы хотите, чтобы ток был как можно более низким. У низкого тока есть еще одно преимущество: вы можете использовать более тонкие провода.

  3. Итак, если вы сохраняете низкий ток, то для того же количества подаваемой мощности вам понадобится высокое напряжение (мощность в ваттах = ЭДС в вольтах, умноженная на ток в амперах). например чтобы уменьшить ток вдвое, вам нужно удвоить напряжение.Но это сократит ваши потери до четверти от того, что было раньше! Это победа. Теперь у высокого напряжения есть свои проблемы. Чем выше напряжение, тем сложнее защитить от случайного контакта, короткого замыкания и т. Д. Это означает более высокие башни, более широкое расстояние между проводниками и т. Д. Таким образом, вы не можете везде использовать максимально возможное напряжение; это не экономично. Но в целом, чем длиннее линия передачи, тем выше значение напряжения.

  4. К сожалению, вы не можете подавать электроэнергию в конечную точку использования (настенные розетки и осветительные розетки) при высоком напряжении, которое имеет смысл для линий передачи на большие расстояния.(это может быть несколько сотен тысяч вольт!) Практические генераторы также не могут выдавать чрезвычайно высокие напряжения (они могут вызвать ужасную дугу). Итак, вам нужен простой способ преобразования одного напряжения в другое.

  5. И это проще всего сделать с переменным током и трансформаторами. Трансформаторы могут быть удивительно эффективными: трансформаторы распределения мощности обычно достигают 98-99% эффективности, что намного выше, чем у любой механической машины.

  Напротив, для преобразования постоянного напряжения вам необходимо преобразовать его в переменный ток, использовать трансформатор, а затем преобразовать обратно в постоянный ток.В частности, ступень постоянного тока в переменный будет иметь потери. Современные полупроводники сделали это намного лучше в последние годы, но, как правило, этого не стоит делать, пока вы не говорите о очень длинных линиях передачи , где преимущества постоянного тока перевешивают потери преобразования.

  Другая причина того, что переменный ток преобладал над постоянным током Эдисона, заключалась в том, что система переменного тока лучше масштабировалась, поскольку позволяла небольшое количество электростанций далеко от города, а не большое количество небольших электростанций на расстоянии около мили.Эдисон не просто хотел продавать лампочки; он (или, скорее, его инвесторы) хотел продавать системы освещения предприятиям. Сети распределения электроэнергии не было, и он не хотел ее строить, прежде чем продавать лампочки. Сначала он продавал системы освещения коммерческим зданиям, возможно, некоторым большим многоквартирным домам; каждое здание будет иметь свой собственный независимый генератор в подвале, точно так же, как сегодня у вас обычно есть водонагреватели. Первоначально он добился успеха, потому что (в отличие от других разработчиков лампочек) продавал и устанавливал полные системы, генератор, распределительное устройство, проводку и все такое, а не только лампочки.

  Это позволило бы избежать беспорядка с воздушными проводами в городах, но было ясно, что это не подойдет для малых предприятий или домов (какой домовладелец или продавец захочет беспокоиться о том, чтобы генератор работал?). Westinghouse хотела построить гидроэлектростанцию ​​на Ниагарском водопаде — одну станцию, которая будет управлять всем Нью-Йорком и за его пределами. Тесла спроектировал всю систему распределения переменного тока, включающую индукционные генераторы переменного тока, повышающие трансформаторы для повышения их выходной мощности по мере необходимости на больших расстояниях, затем преобразование через серию понижений до так называемого «напряжения распределения», а затем, наконец, для линий которые связаны с жилыми домами и легкими коммерческими постройками.Это была гораздо более масштабируемая система, чем система Эдисона. И, конечно же, переменный ток работает как для лампочек, так и для двигателей.

  Кстати об этом … Еще одна причина для предпочтения переменного тока заключается в том, что переменный ток, и особенно трехфазный переменный ток, который использовала система Westinghouse (везде, кроме последней капли, от полюсного распределительного трансформатора до дома), был и остается намного лучше для ходовые двигатели большой мощности. Все практические двигатели в основе своей являются двигателями переменного тока; Двигатели постоянного тока используют коммутаторы для переключения полярности катушек вперед и назад по мере необходимости, чтобы поддерживать вращение — по сути, они создают свой собственный переменный ток внутри.Но для коммутаторов требуются щетки, которые изнашиваются и требуют обслуживания; они создают искры (которые мешают работе радио) и т. д. В то время как асинхронный двигатель переменного тока не нуждается ни в коммутаторе, ни даже в контактных кольцах. Системы передачи электроэнергии переменного тока начинаются с генераторов трехфазного переменного тока и поддерживают трехфазное напряжение вплоть до полюсного трансформатора. Таким образом, они могут легко поставлять трехфазные сети там, где это необходимо (средние и крупные коммерческие и промышленные предприятия), но полюсный трансформатор может отводить однофазное питание для дома и небольшого коммерческого использования.

  Распределение мощности трехфазного переменного тока имеет еще одно преимущество, заключающееся в отсутствии необходимости в выделенном «обратном» проводе. (К вашему сведению, система Tesla, изначально разработанная для Westinghouse, была двухфазной. Они изменились на трехфазную после работы Михаила Доливо-Добровольского в 1888–1891 годах.)

  Во время «войны токов» Эдисон придавал большое значение большей опасности переменного тока. Верно, что данный уровень тока, проходящего через заданный путь через тело, более опасен при переменном токе, чем при постоянном. Это потому, что переменный ток на частотах линии электропередачи вызовет непроизвольные сокращения мышц — паралич — и фибрилляцию сердца при гораздо более низком токе, чем постоянный ток (около одной десятой).(См. Allaboutcircuits.com). Однако разъемы для конечных пользователей были разработаны таким образом, чтобы свести к минимуму риск контакта с токоведущими частями, и мы продолжаем совершенствовать их в этом отношении.

  (В сторону: я долгое время считал, что электрический трансформатор следует рассматривать как одну из основных машин, наряду с рычагом, наклонной плоскостью, блоком и захватом и т.д. В случае базовых механических машин это мощность, обменяемая на расстояние, на эквивалентный объем выполненной работы, в трансформаторе это напряжение на ток при эквивалентной мощности.Пары гидроцилиндров «главный-подчиненный» тоже должны быть в списке «простых машин». ;))

  Высоковольтные электрические линии — Power Lines Inc

  Безопасность электрических контактов

  Электричество хочет достичь земли. Объект на земле все еще может быть наэлектризован, не касаясь верхнего провода, потому что электричество может проходить через воздух. Из-за этого следует соблюдать дистанцию ​​между собой, строительной и сельхозтехникой, воздушными линиями электропередач.

  Национальный кодекс электробезопасности рекомендует безопасное расстояние в зависимости от напряжения и расстояния от земли. При работе рядом с воздушными линиями или вокруг них не следует изменять уровень земли без предварительной консультации с вашей коммунальной компанией. Оборудование и механизмы всегда должны находиться на безопасном расстоянии от линий высокого напряжения в зависимости от обстоятельств.

  Такие вещи, как воздушные змеи, очень опасны вблизи воздушных линий высокого напряжения. Если веревка от воздушного змея пересекает провода, она может замкнуть цепь, передавая электричество человеку, держащему веревку.

  Риск поражения электрическим током

  Оборудование должно иметь надлежащее заземление, чтобы избежать поражения электрическим током. Если часть оборудования соприкасается с линиями высокого напряжения и не заземлена должным образом, любой, кто прикоснется к этому оборудованию, может получить электрошок. Правильное заземление снижает риск поражения электрическим током. На силу удара влияет ряд факторов, таких как напряжение, расстояние от проводника, размер объектов и расстояние до земли.

  Линии высокого напряжения и здоровье

  Несмотря на опасения, что проживание рядом с высоковольтными линиями электропередач может быть небезопасным, с 1970 года ученые провели множество исследований, в том числе исследование, финансировавшееся в 1992 году Конгрессом, а затем и Американским физическим обществом, которое не обнаружило корреляции между раком и полями линий электропередачи.

  В 1999 году Национальный исследовательский совет Национальной академии наук пришел к выводу, «что имеющиеся данные не показывают, что воздействие этих полей представляет опасность для здоровья. . . . »

  Высокое значение линий высокого напряжения

  Высоковольтные линии электропередачи являются важной частью энергетической инфраструктуры, от которой мы зависим. Их устанавливают и обслуживают квалифицированные специалисты, и они требуют уважения из-за энергии, которую они несут.

  Энергосистема, от которой мы зависим, настолько надежна, что мы часто принимаем это как должное.В следующий раз, когда вы щелкнете выключателем и включите свет, подумайте о том, что было сделано для того, чтобы это простое действие стало возможным. И как в прошлые годы почти вся человеческая деятельность прекращалась после захода солнца. Вещи, которые мы принимаем как должное, являются важной частью нашего современного общества. Мы ценим упорный труд и профессионализм, которые необходимы для поддержания этой важной части нашей жизни.

  Преимущества систем передачи постоянного тока высокого напряжения

  Технология постоянного тока высокого напряжения (HVDC) предлагает несколько преимуществ по сравнению с системами передачи переменного тока.Например, он обеспечивает более эффективную передачу большой мощности на большие расстояния. Однако стоимость — важная переменная в уравнении. После установки системы передачи HVDC становятся неотъемлемой частью системы электроснабжения, повышая стабильность, надежность и пропускную способность.

  Типичные электростанции коммунального масштаба вырабатывают электроэнергию переменного тока (AC), и большинство электрических нагрузок работают от сети переменного тока. Таким образом, большинство линий электропередачи по всему миру относятся к типу переменного тока.Однако бывают случаи, когда системы передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) предлагают значительные преимущества.

  «Одним из больших преимуществ HVDC является эффективность передачи электроэнергии на большие расстояния», — сказал Джордж Калбертсон, вице-президент по рынкам энергоснабжения HDR, POWER . «Если маршрут линии электропередачи длиннее примерно 300 миль, постоянный ток — лучший вариант, потому что линии переменного тока имеют больше потерь в линии, чем постоянный ток при большой передаче электроэнергии».

  Преобразование переменного тока в постоянный

  Проблема, однако, заключается в том, что для передачи через HVDC необходимы две преобразовательные подстанции.Во-первых, мощность переменного тока должна быть преобразована в постоянный ток, чтобы начать процесс передачи, а затем, когда она достигнет желаемого места назначения, мощность постоянного тока должна быть преобразована обратно в переменный ток для использования в сети.

  Технология преобразования хорошо известна. Пионеры в области электротехники работали над строительными блоками для линий постоянного тока высокого напряжения еще в конце 1800-х годов. Традиционная технология преобразователей HVDC основана на использовании преобразователей с линейной или фазовой коммутацией. В 1954 году компания ASEA, предшественница ABB, использовала эту классическую технологию с использованием ртутных дуговых клапанов для строительства первой в мире коммерческой линии HVDC между Вестервиком на восточном побережье Швеции и Игне на острове Готланд в Балтийском море.Первоначальная линия связи Готланда могла передавать 20 МВт по подводному кабелю длиной 98 км (км) с напряжением 100 кВ. В 1970 году установка была модернизирована, и ее мощность была увеличена до 30 МВт при напряжении 150 кВ за счет установки моста с тиристорным клапаном.

  ASEA продолжала расширять границы, разрабатывая новые системы HVDC в последующие десятилетия. В 1997 году ABB запустила в эксплуатацию первый в мире демонстрационный проект HVDC с использованием преобразователей источника напряжения (VSC). В технологии VSC для выполнения преобразования используются устройства выключения затвора, такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).Возможность высокой частоты переключения IGBT позволяет более точное управление VSC и менее сложную конфигурацию схемы за счет использования методов широтно-импульсной модуляции. Компания ABB назвала свой новый продукт на основе VSC HVDC Light.

  Технология

  VSC была усовершенствована, когда компания Siemens представила модульный многоуровневый преобразователь (MMC). Проект Trans Bay Cable, который проходит между Сан-Франциско и Питтсбургом, Калифорния, был завершен в 2010 году с использованием системы Siemens HVDC Plus. Технология MMC обеспечивает отличные характеристики гармоник и снижение потерь мощности по сравнению с предыдущими VSC.Сегодня все производители HVDC применяют технологию MMC в VSC.

  От платформы до берега

  Винс Курчи, менеджер проекта подземной передачи данных компании HDR, сказал, что одним из преимуществ технологии VSC является то, что она очень компактна. «Для них требуется около 30% площади обычного преобразователя и около 50% веса», — сказал Курчи. Это делает их хорошим выбором для оффшорных ветряных электростанций. «Для VSC мощностью 600 МВт требуется менее одного акра земли, тогда как для обычного преобразователя требуется три или четыре акра.Таким образом, преимущество этой новой технологии заключается в том, что вы можете разместить их в море на небольшой площади и передавать энергию на сушу по подводным кабелям ».

  Одним из примеров этого является проект DolWin2 (рисунок 1). Компания TenneT, европейский оператор системы электропередачи, работающая в Нидерландах и Германии, потребовала линии HVDC мощностью 916 МВт для подключения ветряных электростанций Nordsee One, Gode Wind I и Gode Wind II к наземной сети электропередачи. Компания ABB спроектировала, поставила, установила и ввела в эксплуатацию компактные морские и береговые преобразовательные подстанции, а также подводные и подземные кабельные системы.

  1. Морская ссылка. DolWin2, строительство которого завершено в 2017 году, связывает три ветряных электростанции в Северном море с энергосистемой Германии через линию передачи постоянного высокого напряжения (HVDC) мощностью 916 МВт. Предоставлено: ABB

  Ветряные электростанции подключены кабелями переменного тока к преобразовательной подстанции HVDC, установленной на морской платформе в Северном море. Затем мощность постоянного тока передается по системе морского кабеля длиной 45 км (рис. 2) и далее по наземному кабелю длиной 90 км на береговую станцию ​​постоянного тока высокого напряжения в точке подключения к сети Dörpen West.Проект был завершен ABB и передан TenneT в июне 2017 года.

  2. Подводные кабели. Электроэнергия, вырабатываемая морскими ветряными электростанциями Nordsee One, Gode Wind I и Gode Wind II, передается на сушу через подводные кабели HVDC, показанные здесь во время установки. Предоставлено: TenneT

  «HVDC — это предпочтительная технология для надежной и эффективной передачи больших объемов энергии на большие расстояния с минимальными потерями.Он идеально подходит для интеграции удаленных возобновляемых источников энергии в энергосистему », — сказал Клаудио Факчин, президент подразделения ABB Power Grids, в пресс-релизе, в котором объявляется о завершении проекта. Компания «Сименс» реализовывала и подобные проекты.

  Параметры анализа

  Одна вещь, которая часто ставит под сомнение проект HVDC, — это стоимость. Преобразовательные станции дороги. «VSC для крупного проекта передачи HVDC могут стоить более 100 миллионов долларов и зависят от номинального напряжения и мощности», — сказал Курчи.Поэтому разумно завершить изучение доступных альтернатив. Необходимо учитывать три основных фактора.

  «Это зависит от расстояния, от напряжения и от передаваемой мощности», — сказал Курчи. «Обычно проводятся исследования безубыточности, которые включают стоимость жизненного цикла, а затем вы достигаете точки, когда система HVDC становится более экономичной на основе этих факторов.

  “Системы переменного тока имеют более низкие капитальные затраты, но более крутой наклон линии при увеличении расстояния.По всей длине они нуждаются в компенсации, особенно при высоких напряжениях, потому что они требуют того, что мы называем VAR [вольт-амперная реактивная] поддержка », — продолжил Курчи. «Системы HVDC имеют гораздо более высокие капитальные затраты, но по мере увеличения расстояния наклон линии становится более пологим. Итак, есть точка, в которой эти две линии пересекаются, и это ваша точка безубыточности — это функция расстояния, напряжения и передаваемой мощности ».

  Калбертсон вспомнил исследование, в котором он участвовал в начале своей карьеры.Он был завершен для газовой компании, которая пыталась определить, что было бы более рентабельным — построить газопровод или линию электропередачи постоянного тока высокого напряжения из Туркменистана, где газа было много, в Пакистан, где была потребность в электроэнергии, через Афганистан. . Оба варианта стоили очень дорого. В конечном итоге проект так и не сдвинулся с мертвой точки во многом из-за политических волнений в регионе.

  Но есть много проектов, которые продвигаются вперед. В марте 2017 года консорциум между Siemens и Sumitomo Electric Industries Ltd.был награжден заказом HVDC от индийского оператора передачи Power Grid Corp. of India. Команда построит 200-километровое соединение HVDC, используя как подземный кабель, так и воздушные линии, между Пугалуром, Тамил Наду, и Тричуром, Керала. Это будет первая линия HVDC в Индии с технологией VSC. Siemens поставляет две преобразовательные подстанции с двумя параллельными преобразователями мощностью 1000 МВт, а Sumitomo Electric отвечает за кабельную систему HVDC из сшитого полиэтилена в цепи постоянного тока. Общий объем заказов двух компаний составляет около 520 миллионов долларов.Подключение к сети запланировано на первую половину 2020 года.

  Siemens также участвует в нескольких британских проектах. Nemo Link соединит британские и бельгийские национальные сети с помощью подводного кабеля. Компания «Сименс» отвечает за установку «под ключ» преобразовательной подстанции на участке площадью 8 га в юго-восточной Англии, ранее занимаемом электростанцией Ричборо, и аналогичной преобразовательной подстанции в промышленной зоне Хердерсбруг в Брюгге, Бельгия. Ожидается, что линия протяженностью 140 км, мощностью 1000 МВт и рабочим напряжением 400 кВ будет введена в промышленную эксплуатацию в 2019 году.Кроме того, ElecLink соединит электрические сети Великобритании и Франции. Кабели HVDC будут проложены через туннель под Ла-Маншем в рамках этого проекта. Линия протяженностью 51 км будет иметь мощность 1000 МВт и рабочее напряжение 320 кВ (Рисунок 3).

  3. Преобразовательная подстанция HVDC. Преобразовательный зал, показанный здесь, является частью линии передачи постоянного тока высокого напряжения между Францией и Испанией. В нем используются модули биполярных транзисторов с изолированным затвором HVDC Plus компании Siemens для обеспечения мощности 1000 МВт с напряжением 320 кВ, которое в настоящее время является самым мощным каналом связи в мире, с использованием технологии преобразователя напряжения. Предоставлено: Siemens

  ABB также работает над проектом, который соединит английский и французский рынки. Линия мощностью 1000 МВт будет проходить от Чиллинга, Хэмпшир, на южном побережье Англии, до Турбе на севере Франции — на расстоянии 240 км через Ла-Манш. Кроме того, в начале июля ABB получила заказ на модернизацию линии HVDC, которая соединяет северные и южные острова Новой Зеландии.

  Разрешение и стоимость

  «С моей точки зрения, одна из самых больших проблем для любого проекта — это получение разрешений, особенно когда вы говорите о линии протяженностью 500 или 1000 миль», — сказал Калбертсон.«Вы собираетесь пересекать разные юрисдикции — города, округа, штаты или даже страны».

  Однако эта проблема не ограничивается проектами HVDC. Любой проект передачи электроэнергии может столкнуться с трудностями при получении необходимых разрешений. Часто негативная реакция общественности возникает со стороны пострадавших жителей, которые не хотят видеть башни, проходящие через их кварталы или через их земли. На западе США есть много федеральных земель, которые, возможно, придется пересечь, что усложняет получение разрешений от таких агентств, как Бюро землепользования.

  Практически все проекты требуют исследования воздействия на окружающую среду в той или иной форме для устранения временных и постоянных воздействий, и этот процесс может занять много времени, а иногда и годы. Кроме того, существуют требования к полосе отвода, которые необходимо соблюдать в отношении ширины при установке, эксплуатации и техническом обслуживании, в зависимости от напряжения и количества линий. Существуют также обязательства по горизонтальной и вертикальной очистке — на самом деле ничего не оставлено на волю случая.

  Хотя преобразовательные подстанции дороги, проекты HVDC действительно имеют некоторые преимущества по сравнению с системами переменного тока.«Линии постоянного тока могут быть дешевле в расчете на милю из-за конфигурации проводников», — сказал Калбертсон. «У вас должно быть три отдельные фазы для переменного тока, поэтому для большой линии у вас есть три набора проводов, обычно это несколько пучков проводов — очень тяжелых — и башни должны быть довольно массивными, чтобы выдерживать весь этот вес. Эта дополнительная сталь и алюминий также усиливают визуальный эффект.

  «Линия постоянного тока может поставлять сопоставимые или даже большие количества энергии, используя только два набора проводников вместо трех, поэтому опоры не должны быть такими большими, что приводит к гораздо меньшим затратам на установку передающей части. из этого.Вы также можете проложить под землей более длинные линии постоянного тока. Таким образом, у округа Колумбия может быть большое преимущество, если разрешение и визуальное воздействие вызывают озабоченность », — сказал Калбертсон. ■

  — Аарон Ларсон — исполнительный редактор POWER.

  Передача электроэнергии

  
  Передача электроэнергии на большие расстояния является одной из основных проблем электрического века. Цели, над которыми работали инженеры по направлению остались прежними, несмотря на то, что многое изменилось года.

  1. КПД — транспортный электрический мощность на расстояние с минимальными потерями
  2. Безопасность — транспортная мощность через городские и сельские районы, сводящие к минимуму вред людям и животным.
  3. Стоимость — используйте минимальное сырье материалы и строительные / эксплуатационные расходы возможны
  4. Надежность — создать систему который не уязвим для ударов молний, ​​солнечных вспышек, землетрясений, ледяные бури, ураганы и система может «исцелить» себя, когда происходят перебои в работе, изолируя проблемные места.

  Ниже: простая иллюстрация электросети, показывающая высокое напряжение. перешел на фидерные линии

  С момента появления первых мощностей на большие расстояния передача в Мюнхен, Германия в 1882 году, люди совершали все ошибки возможно и извлек из этого урок. Инженеры все еще пытаются решить очень сложные проблемы, такие как контроль затрат и устойчивость к солнечным вспышкам который мог бы вывести из строя власть во всем мире.

  Есть четыре способа транспортировки электрических мощность:

  
  
  

  Высокое напряжение переменного тока

  Самый большой распространенный в мире метод, при этом используются алюминиевые проводники со стальным центр поддержки.Линии подвешены высоко выше земли. Чем выше напряжение, тем больше электромагнитный поле, создаваемое вокруг провода

  Ниже: простая модель системы распределения переменного тока. Мощность ступенчатая до 345 кВ, понижен до 69 кВ и в конечном итоге оказывается в доме на 220 вольт. Трансформаторы изменяют напряжение, а конденсаторы и катушки индуктивности синхронизировать форму волны. Влияние индуктивности и изменяющихся нагрузок может привести к рассинхронизации формы сигнала переменного тока, что приведет к потере эффективных коробка передач.

  Вверху: HVDC облегчает пересечение водоемов. Дания и Великобритания зависят от Подключение HVDC к материку, чтобы их системы оставались частью более крупных сетка.

  Высокое напряжение постоянного тока

  Это может быть более эффективным, чем кондиционер, и технология для твердых Государственные системы HVDC являются относительно новыми. HVDC был первой формой Передача на большие расстояния Эти линии не находятся в конфигурации «сети» которые могут равномерно распределять мощность в сети, но системы HVDC представляют собой единую междугородная линия, соединяющая основные сети.Сети HVDC пересекают Китай, США и Европа, соединяющие основные географические области. HVDC особенно полезно для соединения островов, таких как Великобритания и Япония, так как он может уйти под вода.
  
  Вверху: поперечное сечение сверхпроводящего ленточного провода. Сверхпроводящий провод разработан инженерами специально для данного использования.

  Сверхпроводники

  Если мы используем сверхпроводящие проводники при сверхнизких температурах, мы можем доставлять электроэнергию по подземным кабелям практически без потерь. К сожалению, эта технология пока не является рентабельной. Короткий экспериментальный линии были введены в Олбани, штат Нью-Йорк и других местах в Японии и Германия.

  Беспроводная передача энергии

  Можно передавать энергию по беспроводной сети. Никола Однако Tesla и Исследовательская лаборатория General Electric экспериментировали с этим. это непрактично по ряду причин. Это крайне неэффективно проходит через воздух, и это смертельно опасно для таких животных, как птицы проходя через мощные лучи.Вряд ли эта технология когда-либо будет полезен, особенно с учетом того, что мы продвигаемся вперед с HVDC, достижение впечатляющего уровня эффективности.

  Тестирование:

  Инженеры работали в специальных лабораториях для проверки устойчивости. на освещение, шорты, ЭМИ-бомбардировку. Многие инженеры Эдисона Tech Center, в течение многих лет проводивший собеседования, пришел к выводу, что тестирование достаточно удовлетворительная карьера.

  Первый шаг в понимании передачи энергии — это поведение проводов и электромагнетизма.

  Узнайте о деталях «трансмиссии» электросети:

  
  Грозовые разрядники
  Трансформаторы
  Изоляторы
  Регуляторы напряжения
  Шунтирующие конденсаторы
  Провода
  Метры

  Источники:
  John D.