Почему невыгодно транспортировать бытовое напряжение

Почему передачу электроэнергии на расстояние выполняют на повышенном напряжении

Сегодня передачу электрической энергии на расстояние всегда выполняют на повышенном напряжении, которое измеряется десятками и сотнями киловольт. По всему миру электростанции различного типа генерируют электричество гигаваттами. Это электричество распределяется по городам и селам при помощи проводов, которые мы можем видеть например вдоль трасс и железных дорог, где они неизменно закреплены на высоких опорах с длинными изоляторами. Но почему передача всегда осуществляется на высоком напряжении? Об этом расскажем далее.

Представьте что вам необходимо передать по проводам электрическую мощность хотя бы в 1000 ватт на расстояние 10 километров в форме переменного тока с минимальными потерями, чтобы запитать мощный киловаттный прожектор. Что вы предпримете? Очевидно, что напряжение необходимо будет так или иначе преобразовывать, понижать или повышать при помощи трансформатора.

Допустим, источник (небольшой бензиновый генератор) выдает напряжение 220 вольт, при этом в вашем распоряжении есть двухжильный медный кабель с сечением каждой жилы по 35 кв.мм. На 10 километров такой кабель даст активное сопротивление около 10 Ом.

Нагрузка мощностью 1 кВт имеет сопротивление около 50 Ом. И что если передаваемое напряжение оставить на уровне 220 вольт? Это значит, что шестая часть напряжения придется (упадет) на передающий провод, который окажется под напряжением около 36 вольт. И вот, порядка 130 Вт потеряно по пути — просто подогрели передающие провода. А на прожекторе получим не 220 вольт, а 183 вольта. КПД передачи оказалось 87%, и это пренебрегая еще индуктивном сопротивлении передающих проводов.

Дело в том, что активные потери в передающих проводах всегда прямо пропорциональны квадрату тока (см. Закон Ома). Следовательно если передачу той же самой мощности осуществить при более высоком напряжении, то падение напряжения на проводах не окажется столь губительным фактором.

Допустим теперь иную ситуацию. У нас имеется тот же самый бензиновый генератор, выдающий 220 вольт, те же 10 километров провода с активным сопротивлением 10 Ом, и тот же самый прожектор на 1кВт, но плюс ко всему еще есть два киловаттных трансформатора, первый — повышающий 220-22000 вольт, расположенный возле генератора и подключенный к нему обмоткой низкого напряжения, а обмоткой высокого напряжения — присоединен к передающим проводам. А второй трансформатор, на расстоянии 10 километров, — понижающий 22000-220 вольт, к обмотке низкого напряжения которого присоединен прожектор, а обмотка высокого напряжения — получает питание от передающих проводов.

Итак, при мощности нагрузки 1000 ватт при напряжении 22000 вольт, ток в передающем проводе (здесь можно обойтись без учета реактивной составляющей) составит всего 45мА, а значит на нем упадет уже не 36 вольт, (как было без трансформаторов) а всего 0,45 вольт! Потери составят уже не 130 Вт, а всего 20 мВт. КПД такой передачи на повышенном напряжении составит 99,99%. Вот почему передача на повышенном напряжении более эффективна.

В нашем примере ситуация рассмотрена грубо, и использовать дорогие трансформаторы для такой простой бытовой цели было бы конечно нецелесообразным решением. Но в масштабах стран и даже областей, когда речь идет о расстояниях в сотни километров и об огромных передаваемых мощностях, стоимость электроэнергии, которая могла бы потеряться, тысячекратно превышает любые затраты на трансформаторы. Вот почему при передаче электроэнергии на расстояние всегда применяется повышенное напряжение, измеряемое сотнями киловольт — чтобы снизить потери мощности при передаче.

Непрерывный рост электропотребления, концентрация генерирующих мощностей на электростанциях, сокращение свободных от застройки территорий, ужесточение требований по защите окружающей среды, инфляция и рост цен на землю, а также ряд других факторов настоятельно диктуют повышение пропускной способности линий электропередачи.

Конструкции различных линий электропередачи рассмотрены здесь: Устройство различных ЛЭП разного напряжения

Объединение энергетических систем, увеличение мощности электрических станций и систем в целом сопровождаются увеличением расстояний и потоков мощности, передаваемых по линии электропередачи. Без мощных линий электропередачи высокого напряжения невозможна выдача энергии от современных крупных электростанций.

Единая энергетическая система позволяет обеспечить передачу резервной мощности в те районы, где имеется в ней потребность, связанная с ремонтными работами или аварийными условиями, появится возможность передавать избыток мощности с запада на восток или наоборот, обусловленный поясным сдвигом во времени.

Благодаря дальним передачам стало возможным строительство сверхмощных электростанций и полное использование их энергии.

Капиталовложения на передачу 1 кВт мощности на заданное расстояние при напряжении 500 кВ в 3,5 раза ниже, чем при напряжении 220 кВ, и на 30 — 40% ниже, чем при 330 — 400 кВ.

Стоимость передачи 1 кВт•ч энергии при напряжении 500 кВ вдвое ниже, чем при напряжении 220 кВ, и на 33 — 40% ниже, чем при напряжении 330 или 400 кВ. Технические возможности напряжения 500 кВ (натуральная мощность, расстояние передачи) в 2 — 2,5 раза превышают возможности напряжения 330 кВ и в 1,5 раза — напряжения 400 кВ.

Линия напряжением 220 кВ может передать мощность 200 — 250 МВт на расстояние до 200 — 250 км, линия 330 кВ — мощность 400 — 500 МВт на расстояние до 500 км, линия 400 кВ — мощность 600 — 700 МВт на расстояние до 900 км. Напряжение 500 кВ обеспечивает передачу мощности 750 — 1 000 МВт по одной цепи на расстояние до 1 000 — 1 200 км.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях

Реальность такова, что передача электроэнергии на большие расстояния неизбежно сопровождается её потерями. Существенная часть электричества, проходя путь от генератора на электростанции до розетки бытового потребителя, превращается в тепло и расходуется на обогрев атмосферы. Однако это не снижает затрат за производство электроэнергии, поэтому конечному пользователю всё же приходится оплачивать и эти нецелевые расходы.

Уменьшить ненужные потери, соответственно, траты, позволяют следующие способы:

1. применение высокотемпературных сверхпроводников;
2. увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
3. повышение напряжения в линиях передачи.

За первым способом будущее. Однако сегодня он технически неосуществим. От второго отказались на первых парах развития электроэнергетики, ведь он экономически нецелесообразен из-за лишних расходов на утолщение проводников. Применение высокого напряжения оказалось наиболее удачным методом, поэтому он используется по всему миру уже порядка ста лет.

Общее описание пути тока

Такие объекты, как ЦРП, находятся уже в непосредственной близости от городов, сел и т. д. Здесь происходит не только распределение, но и понижение напряжения до 220 или же 110 кВ. После этого электроэнергия передается на подстанции, расположенные уже в черте города.

При прохождении таких небольших подстанций напряжение понижается еще раз, но уже до 6-10 кВ. После этого осуществляется передача и распределение электроэнергии по трансформаторным пунктам, расположенным по разным участкам города. Здесь также стоит отметить, что передача энергии в черте города к ТП осуществляется уже не при помощи ЛЭП, а при помощи проложенных подземных кабелей. Это гораздо целесообразнее, чем применение ЛЭП. Трансформаторный пункт – это последний объект, на котором происходит распределение и передача электроэнергии, а также ее понижение в последний раз. На таких участках напряжение снижается до уже привычных 0,4 кВ, то есть 380 В. Далее оно передается в частные, многоэтажные дома, гаражные кооперативы и т. д.

Если кратко рассмотреть путь передачи, то он примерно следующий: источник энергии (электростанция на 10 кВ) – трансформатор повышающего типа до 110-1150 кВ – ЛЭП – подстанция с трансформатором понижающего типа – трансформаторный пункт с понижением напряжения до 10-0,4 кВ – потребители (частный сектор, жилые дома и т. д.).

Потери электроэнергии

Причины потерь при передаче электрической энергии на расстояние кроются в строении вещества. Электрический ток – это направленное движение по проводнику свободных носителей зарядов. В случае с ЛЭП и кабелями их роль играют электроны. Эти частицы, проходя по сечению провода, неизбежно сталкиваются с окружающими их атомами меди или алюминия и сообщают им часть своей кинетической энергии. Микрочастицы металла за счёт этого удара становятся подвижнее, что и воспринимается органами чувств человека как повышение температуры.

Количество теплоты Q, выделенной в проводнике за время t и потерянной впустую, вычисляется по закону Джоуля – Ленца. Оно пропорционально квадрату протекающего в проводе тока I и его сопротивлению R

Дополнительная информация. Потери электричества имеются и в трансформаторе. К самым большим из них относятся затраты энергии на создание вихревых токов в сердечнике и нагрев обмоток.

Способы передачи электроэнергии

Знакомство с пиковыми и другими зонами тарификации электроэнергии

Наиболее распространены два способа передачи электроэнергии: с помощью воздушных и кабельных линий. Они отличаются между собой по дальности и среде, в которой находится проводник.

Воздушные линии – это, упрощённо, медные или алюминиевые проводники, подвешенные через изоляторы на металлические или железобетонные опоры. При таком методе возможна передача электричества на большие расстояния и между разными государствами.

Кабельная линия – прокладка проводов под землёй. Отдельные токоведущие жилы расположены, как правило, в резиновой или ПВХ изоляции. Если напряжение высокое, то имеется и броня из металлической ленты. Также она служит в качестве экрана для защиты от помех. Встречается преимущественно в пределах города или предприятия.

Прокладка кабелей

Дополнительная информация. Применяя кабельные линии, возможно транспортировать электроэнергию по дну водоёмов и даже морей. Это позволяет поставлять электричество на острова. Применение ЛЭП таких возможностей не подразумевает.

Передача электроэнергии на большие расстояния

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

• Линии воздушного типа;
• Подземные кабели экранизированного вида.

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

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

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

Общее описание процесса

Как говорилось ранее, начальным объектом, откуда начинается распределение электроэнергии, на сегодняшний день является электрическая станция. В наше время существует три основных типа станции, которые могут снабжать потребителей электричеством. Это может быть тепловая электрическая станция (ТЭС), гидроэлектростанция (ГЭС) и атомная электрическая станция (АЭС). Помимо этих основных типов, есть также солнечные или ветровые станции, однако они используются для более локальных целей.

Эти три типа станция является и источником и первой точкой распределения электроэнергии. Для того чтобы осуществить такой процесс, как передача электрической энергии, необходимо значительно увеличить напряжение. Чем дальше находится потребитель, тем выше должно быть напряжение. Так, увеличение может доходить до 1150 кВ. Повышение напряжения необходимо для того, чтобы снизилась сила тока. В таком случае также падает и сопротивление в проводах. Такой эффект позволяет передавать ток с наименьшими потерями мощности. Для того чтобы повышать напряжение до нужного значения, каждая станция имеет повышающий трансформатор. После прохождения участка с трансформатором, электрический ток при помощи ЛЭП передается на ЦРП. ЦРП – это центральная распределительная станция, где осуществляется непосредственное распределение электроэнергии.

Схемы распределения для первой категории приемников

Что касается распределения энергии для питания приемников первой категории, то в данном случае необходимо подключение от двух независимых центров питания одновременно. Кроме того, в таких схемах часто используется не один распределительный пункт, а два, а также всегда предусмотрена система автоматического включения резервного питания.

Для электрических приемников, которые принадлежат к первой категории, автоматика переключения на резервное питание устанавливается на вводно-распределительных устройствах. При такой системе подключения распределение электрического тока осуществляется при помощи двух силовых линий, каждая из которых характеризуется напряжением до 1 кВ, а также подключаются к независимым трансформаторам.

По какому маршруту происходит передача электроэнергии на расстояние

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

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

На сегодняшний день можно выделит следующие станции:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Трансформаторные подстанции

Для преобразования напряжения одной величины в другую служат трансформаторные подстанции. Они представляют собой огороженный забором объект, имеющий на своей территории трансформатор. Внутри него располагаются первичная и вторичная обмотки (катушки). Их электромагнитное взаимодействие позволяет с большим КПД преобразовывать энергию. На подстанцию заходят воздушные линии или кабеля с одним напряжением, а выходят с другим, как правило, более низким.

Там же располагаются всевозможные системы контроля и учёта электроэнергии и распределительное устройство (РУ). Оно предназначено для связи с другими объектами энергосистемы и является неотъемлемой частью трансформаторной подстанции. РУ позволяет отключить отдельного потребителя по стороне низкого напряжения, не обесточивая при этом всех остальных.

Постоянный ток в качестве альтернативы

Большинство из используемых сегодня в мире линий электропередач работает на переменном токе. Однако имеются исключения. В некоторых случаях применение постоянного тока оказывается более эффективным:

• отпадает необходимость в синхронизации генераторов, работающих в разных энергосистемах;
• сводятся к нулю потери на ёмкостное и индуктивное сопротивления кабеля;
• снижается стоимость линии, т.к. для передачи постоянного тока достаточно всего 2 проводников;
• возможность использования на уже построенных ЛЭП переменного тока, т.е. не нужно возводить новые магистрали;
• снижение электромагнитного излучения, возникающего при смене направления тока.

Дополнительная информация. Большинство домашних электроприборов может работать от постоянного тока. К ним относятся лампочки, интернет роутеры, дрели, обогреватели и многое другое. Переменный ток необходим только для некоторых видов двигателей, которые в быту встречаются крайне редко.

Умение передавать электрический ток на огромные расстояния послужило решающим фактором для развития всего человечества. Однако индустрия не стоит на месте, поэтому сейчас учёные работают над тем, чтобы сделать транспортировку энергии ещё эффективнее и дешевле.

Потери при передаче электроэнергии

При передаче электроэнергии происходят довольно большие потери, которые бьют по карману не только поставщику, но и потребителю. В условиях кризиса это особенно ощутимо. Есть ли решение у этой проблемы? Как устранить ее и возможно ли это сделать?

Электрическая сеть состоит минимум из 3-х ключевых компонентов:

• Генератор;
• Потребитель;
• Сеть проводов или линия электропередачи.

Это идеальная схема, но на самом деле она состоит их многотысячных проводов длиной в несколько километров, оборудования и многочисленных подстанций. Все они связывают участников сети между собой. При этом на каждом звене происходят потери электроэнергии. Потребитель в результате получает электроэнергию не в отпущенном количестве, а в фактически переданном. Чтобы эти потери не достигали больших значений, поставщики ищут постоянно решения, используют разные способы и методы. Но для их подбора необходимо определить причину потери электроэнергии.

Условно делят их на:

• Производственные;
• Технологические;
• Коммерческие.

Разберемся подробнее с каждым из них.

Коммерческие потери происходят по следующим причинам:

• Погрешности расчетов и показаний;
• Незаконное использование электроэнергии;
• Неправильно подобранные тарифы.

Уменьшить нецелевые затраты позволяют специальные расчеты, определение категории потери. Например, технологические — это задача потребителя электроэнергии. Сократить потери возможно корректировкой тарифов или модернизацией оборудования.

Коммерческие потери влияют на прибыль поставщика, поэтому ведется особый контроль за незаконными подключениями, работают контролирующие отделы, внедряются системы сбора данных в автоматическом режиме.

Технологические потери возникают при передаче электроэнергии ЛЭП.

Причины возникновения электропотерь:

• Постоянные расходы. К ним можно отнести работу оборудования вхолостую.
• Высокие токи нагрузочные.
• Климатические особенности. Это затраты на устранение льда и других последствий погоды.

Производственные потери — расходы для питания оборудования. Замеряют его специальными приборами.

Как уменьшить потери электропередачи?

Есть 2 варианта: уменьшить сопротивление проводов или силу тока в линии электропередач. Для первого варианта используют провода из меди, алюминия, увеличивают их поперечное сечение. При этом важно, чтобы провода были небольшого веса и рекомендуется применение перфорированных кабельных лотков. Также для уменьшения потерь используют шинопровод. Его применение позволяет сэкономить немалую сумму.

С целью уменьшения силы тока в линии электропередач используется трансформатор или станция.

Снизить затраты также можно следующими эффективными методами:

• Оптимизация схемы и работы электросети;
• Модернизация оборудования.;
• Уменьшение суммарной мощности;
• Оптимизация нагрузки трансформаторов.

Подбор метода осуществляется специалистами индивидуально для каждого конкретного случая.

Заключение

Снижение потерь электроэнергии при передаче – комплексная работа. Безусловно, процесс этот очень непростой и часто финансово затратный, но, если добиться желаемого результата, все старания быстро окупятся. Главное — делать правильно, грамотно, учесть все детали и особенности. В этом вопросе должны быть заинтересованы 2 стороны, так, как только при таком подходе можно сократить потери и при этом существенно снизить затраты. Избежать потерь — нельзя, но минимизировать — можно. Для этого стоит использовать современное оборудование, инновационный подход и опыт ведущих специалистов.