Передача електроенергії на відстань

Весь побут сучасної людини тісно пов'язаний з електроенергією. Від неї працює все: починаючи від зарядних пристроїв телефонів і закінчуючи апаратами штучної вентиляції легенів. Тому електроенергія повинна бути легкодоступна в кожному куточку планети.

Висока напруга як спосіб зменшення втрат

Реальність така, що передача електроенергії на великі відстані неминуче супроводжується її втратами. Істотна частина електрики, проходячи шлях від генератора на електростанції до розетки побутового споживача, перетворюється в тепло і витрачається на обігрів атмосфери. Однак це не знижує витрат за виробництво електроенергії, тому кінцевому користувачеві все ж доводиться оплачувати і ці нецільові витрати.

Зменшити непотрібні втрати, відповідно, витрати, дозволяють наступні способи:

1. застосування високотемпературних надпровідників;
2. збільшення перетину кабелів і проводів ЛЕП;
3. підвищення напруги в лініях передачі.

За першим способом майбутнє. Однак сьогодні він технічно неможливий. Від другого відмовилися на перших парах розвитку електроенергетики, адже він економічно недоцільний через зайвих витрат на потовщення провідників. Застосування високої напруги виявилося найбільш вдалим методом, тому він використовується по всьому світу вже близько ста років.

Класифікація ліній електропередач

Існує безліч різновидів ЛЕП. Кожен з видів заточений під свої певні потреби і завдання. Відповідно до цього, ПУЕ регламентує таку класифікацію повітряних ліній електропередач.

По класу напруги ЛЕП бувають:

• низьковольтні, до 1 кВ;
• високовольтні, понад 1 кВ.

За призначенням:

• Міжсистемні лінії з напругою від 500 кВ і вище;
• Магістральні, 220-500 кВ;
• Розподільні, 110-220 кВ;
• Лінії 35 кВ для живлення сільгосп споживачів;
• ЛЕП 1-20 кВ, що використовуються в межах одного населеного пункту.

Рід електричного струму в ЛЕП поділяються на:

• змінний (практично всі лінії);
• постійний струм (зустрічається рідко, в основному 3,3 кВ контактної мережі залізниці).

Способи передачі електроенергії

Найбільш поширені два способи передачі електроенергії: за допомогою повітряних і кабельних ліній. Вони відрізняються між собою по дальності і середовищі, в якій знаходиться провідник.

Повітряні лінії – це, спрощено, мідні або алюмінієві провідники, підвішені через ізолятори на металеві або залізобетонні опори. При такому методі можлива передача електрики на великі відстані і між різними державами.

Кабельна лінія – прокладка проводів під землею. Окремі струмопровідні жили розташовані, як правило, в гумовій або ПВХ ізоляції. Якщо напруга висока, то є і броня з металевої стрічки. Також вона служить в якості екрану для захисту від перешкод. Зустрічається переважно в межах міста або підприємства.

Додаткова інформація. Застосовуючи кабельні лінії, можливо транспортувати електроенергію по дну водойм і навіть морів. Це дозволяє постачати електрику на острови. Застосування ЛЕП таких можливостей не має на увазі.

Схема передачі енергії від електростанції до споживача

Головна електростанція (1) виробляє напругу близько 10-12 кВ. Потім воно підвищується за допомогою трансформатора (2) до більш високого рівня: 35, 110, 220, 400, 500 або 1150 кВ. Після по кабельній або повітряної лінії (3) енергія передається на відстані від одиниць до тисяч кілометрів і потрапляє на знижувальну підстанцію. На ній також встановлено трансформатор (4), який перетворює сотні кіловольт знову в 10-12 тисяч вольт. Далі слід ще один каскад зниження до 380/220 В (5). Ця напруга є кінцевим і лунає по споживачах (6), тобто житловим будинкам, лікарням і т.д.

трансформаторні підстанції

Для перетворення напруги однієї величини в іншу служать трансформаторні підстанції. Вони являють собою обгороджений забором об'єкт, що має на своїй території трансформатор. Усередині нього розташовуються первинна і вторинна обмотки (котушки). Їх електромагнітне взаємодія дозволяє з більшим ККД перетворювати енергію. На підстанцію заходять повітряні лінії або кабелю з одним напругою, а виходять з іншим, як правило, більш низьким.

Там же розташовуються всілякі системи контролю та обліку електроенергії і розподільний пристрій (РУ). Воно призначене для зв'язку з іншими об'єктами енергосистеми і є невід'ємною частиною трансформаторної підстанції. РУ дозволяє відключити окремого споживача по стороні низької напруги, що не знеструмлюючи при цьому всіх інших.

Пропускна спроможність ліній електропередач

Напруга в кінці лінії неминуче нижче, ніж на її початку. Вольтаж втрачається на опорі проводів ЛЕП. Саме ця різниця напруг марнується на обігрів всесвіту.

Така проблема призводить до того, що неможливо створити лінію електропередач нескінченної довжини і передати по ній необмежену потужність. Тому введено поняття – пропускна здатність ЛЕП. Дана характеристика в першу чергу залежить від довжини лінії, металу, з якого зроблені її проводу і їх перетину. Втрати в міді менш відчутні, ніж у алюмінію. Пропускна здатність лінії тим вище, чим товще її проводу.

втрати електроенергії

Причини втрат при передачі електричної енергії на відстань криються в будові речовини. Електричний струм – це спрямований рух по провіднику вільних носіїв зарядів. У випадку з ЛЕП і кабелями їх роль відіграють електрони. Ці частинки, проходячи по перетину проводу, неминуче стикаються з оточуючими їх атомами міді або алюмінію і повідомляють їм частину своєї кінетичної енергії. Мікрочастинки металу за рахунок цього удару стають більш рухливими, що і сприймається органами почуттів людини як підвищення температури.

Кількість теплоти Q, виділеної в провіднику за час t і втраченої даремно, обчислюється за законом Джоуля – Ленца. Воно пропорційно квадрату протікає в проводі струму I і його опору R:

Додаткова інформація. Втрати електроенергії є і в трансформаторі. До найбільших з них відносяться витрати енергії на створення вихрових струмів в осерді і нагрів обмоток.

Передача електрики на далекі відстані

Якщо передача електричної енергії здійснюється на дистанції в сотні кілометрів, то використовують повітряні лінії. Їх будівництво обходиться істотно дешевше, в порівнянні з кабельними, що укладаються під землю. ЛЕП здатні об'єднувати в загальну мережу сусідні країни. Крім цього, вони простіше в експлуатації, адже дроти знаходяться під відкритим небом. Цей фактор спрощує огляд технічного стану лінії і дозволяє завчасно спрогнозувати її несправності.

Постійний струм в якості альтернативи

Більшість з використовуваних сьогодні в світі ліній електропередач працює на змінному струмі. Проте є винятки. У деяких випадках застосування постійного струму виявляється більш ефективним:

• відпадає необхідність в синхронізації генераторів, що працюють в різних енергосистемах;
• зводяться до нуля втрати на ємкісне і індуктивний опори кабелю;
• знижується вартість лінії, тому що для передачі постійного струму достатньо всього 2 провідників;
• можливість використання на вже побудованих ЛЕП змінного струму, тобто не потрібно зводити нові магістралі;
• зниження електромагнітного випромінювання, що виникає при зміні напрямку струму.

Додаткова інформація. Більшість домашніх електроприладів може працювати від постійного струму. До них відносяться лампочки, інтернет роутери, дрилі, обігрівачі та багато іншого.Змінний струм необхідний тільки для деяких видів двигунів, які в побуті зустрічаються вкрай рідко.

Уміння передавати електричний струм на величезні відстані послужило вирішальним фактором для розвитку всього людства. Однак індустрія не стоїть на місці, тому зараз вчені працюють над тим, щоб зробити транспортування енергії ще ефективніше і дешевше.

Відео