Где используется высокое напряжение

Основы электропитания. Почему в розетке высокое напряжение

В предыдущей части цикла было показано, что электричество необходимо человеку в качестве промежуточного звена для передачи энергии в нужную точку пространства с последующим преобразованием ее в тот вид энергии, который ему действительно необходим. Благодаря освоению электричества, в наших домах появился удобный, доступный и условно неисчерпаемый источник энергии, без которого нашу жизнь уже сложно представить.

Однако вместе с появлением электропроводки в наши дома пришла новая опасность – опасность поражения электрическим током. Каждый из нас с детства знает, что «пальцы в розетку совать нельзя». И хоть это физически невозможно – диаметр отверстий в розетке намного меньше толщины даже самого тонкого человеческого пальца, – все понимают, что с любым электрическим оборудованием нужно обращаться осторожно, а разбирать и ремонтировать электроприборы неподготовленному человеку категорически запрещено.

Причиной этого является высокое напряжение. На сегодняшний день, номинальное напряжение в наших розетках равно опасному для жизни человека значению – 230 B. Более того, один из проводов розетки («ноль») электрически соединен с землей, поэтому если стоящий на земле человек случайно коснется второго провода («фазы»), то цепь замкнется и по телу человека через землю пойдет ток.

Но почему выбрано столь высокое напряжение? Разве сложно было придумать электропроводку с напряжением, например, 12 В – как в легковых автомобилях? Тогда количество бед от электрического тока было бы намного меньше. К сожалению, это не получится, и в этой части цикла будет рассмотрено, почему.

Электрические процессы в системах электропитания

Простейшая система электропитания состоит из источника и потребителя электрической энергии (Рисунок 1). Потребитель электрической энергии (нагрузка) является самым важным элементом системы. Именно это оборудование выполняет нужную и полезную работу, например, электрическая дрель позволяет сверлить отверстия, чайник – греть воду, лампочка – осветить помещение, а компьютер или смартфон – обработать информацию. Без полезной нагрузки система электропитания бессмысленна, ведь она существует только потому, что существуют потребители электрической энергии.

Рисунок 1.

Простейшая система электропитания.

Чтобы потребитель мог работать, ему необходим источник электрической энергии, или, как его часто называют, источник питания. Различают два вида источников: первичные и вторичные (Рисунок 2). Первичные источники преобразуют энергию других видов в электричество, а вторичные преобразуют только параметры электрической энергии. Например, батарейка (гальванический элемент) является первичным источником, поскольку в ней протекает химическая реакция, в результате которой вырабатывается электричество. А вот сетевая зарядка для смартфона уже относится к вторичным источникам (выпрямительное устройство), поскольку она лишь преобразует параметры уже где-то сгенерированного (первичным источником) электричества – в данном случае, переменное напряжение 230 B она преобразует в постоянное, величиной, обычно, 5 В.

Рисунок 2.

Классификация источников электрической энергии.

Если источник питания не соединен с нагрузкой, то между его выводами будет присутствовать некоторое напряжение V – главный параметр любого источника питания. Это очень важный момент, который нужно понять – за величину напряжения в цепи питания отвечает источник. Чтобы запомнить это, достаточно представить розетку, к которой ничего не подключено – напряжение в ней есть (230 В), а тока нет.

Если соединить источник питания с нагрузкой, например, с помощью двух проводов, то электрическая цепь замкнется, в ней начнет протекать электрический ток I, величина которого будет зависеть от оборудования. Это второй важный момент, который нужно понять – за величину тока в цепи питания отвечает потребитель (не зря его называют нагрузкой).

И снова представим розетку, а точнее, блок из двух розеток (Рисунок 3). Если к ним ничего не подключено, то ток в проводах равен нулю. Если подключить настольную лампу, то ток в этом участке сети станет равен какому-нибудь значению, например, 1 А, а если подключить вместо лампы электрический чайник, то ток изменится и уже будет другим, например, 10 А. А если подключить одновременно и чайник и лампу, то ток теперь будет равен сумме токов, потребляемых каждым из потребителей, в данном случае – 10 + 1 = 11 А. То есть, ток в цепи питания определяется нагрузкой – оборудованием, которое выполняет полезную работу.

Рисунок 3.

Напряжение и ток в системе электропитания при разных нагрузках.

Даже если никаких физических коммутаций в цепи питания не происходит, ток, потребляемый нагрузкой, постоянно изменяется. Это связано с тем, что количество работы, выполняемой оборудованием, в каждый момент времени разное. Например, лазерный принтер в режиме ожидания потребляет ток, практически равный нулю, ведь в этом состоянии он просто периодически проверяет порт и светит «зеленым глазом» – энергии для этого нужно немного. Но если потребуется распечатать документ, то принтеру придется забрать лист бумаги с лотка, протащить его через весь механизм, создать с помощью лазера на светочувствительном барабане электростатический образ печатаемого документа, перенести тонер с барабана на лист, и только после этого вплавить тонер в бумагу. Все эти процессы требуют энергии, поэтому в процессе печати энергопотребление лазерного принтера может увеличиться до 1 кВт.

Произведение напряжения и тока в цепи питания дадут мощность P – скорость, с какой энергия будет переходить от источника к нагрузке:

В идеальном случае напряжение V не должно зависеть от тока нагрузки I. Следовательно, мощность P, потребляемая от источника питания, должна быть прямо пропорциональна току I. Однако если постоянно увеличивать ток, то рано или поздно наступит момент, когда нагрузка «потребует» от источника питания энергии больше, чем он может обеспечить. Поскольку напряжение в формуле (1), теоретически, должно быть неизменным (V = const), то произойдет это, когда ток нагрузки станет больше некоторого максимально допустимого значения I_MAX. Максимальный ток нагрузки или максимальная мощность также входят в число самых важных параметров любого источника питания – эти параметры показывают, какое количество энергии можно получить от этого источника за единицу времени.

Рисунок 4.	Выходные характеристики зарядного устройства, указанные на его корпусе.

Выходное напряжение и максимальный выходной ток (максимальная выходная мощность) являются настолько важными для любого блока питания, что их указывают на корпусе прибора. Например, зарядное устройство для смартфона (Рисунок 4) имеет выходное напряжение V = 5 В, и максимальный выходной ток I_MAX = 2 А. Это значит, что его максимальная мощность P_MAX, согласно формуле (1), равна:

Производители источников питания обычно указывают только два параметра. Одним из параметров всегда является выходное напряжение V, а вот вторым может быть или максимальный выходной ток I_MAX, или максимальная выходная мощность P_MAX. Иногда производители для «облегчения жизни» указывают все три параметра: V, I_MAX и P_MAX. Но такая маркировка является избыточной, ведь напряжение, ток и мощность связаны между собой формулой (1).

Влияние линии электропередачи на систему электропитания

А еще формула (1) связывает электрические параметры системы электропитания с энергетическими. Здесь следует снова напомнить, что оборудование будет нормально работать лишь в том случае, когда оно в каждый момент времени будет обеспечено энергией в нужном количестве. То есть, для работы нагрузки необходимо, чтобы источник питания развивал требуемую мощность P, а значения ее составляющих – напряжения V и тока I – в общем случае, особой роли не играют. Это значит, что, теоретически, мы можем использовать в системе электропитания какое угодно напряжение V, ведь оборудование создается человеком, которому никто не запрещает использовать то напряжение, которое ему удобно, например, безопасное для его здоровья.

Наверное, так бы и было на практике, если бы источник электрической энергии всегда находился рядом с потребителем, а еще лучше – внутри него. Но ведь человек для того и освоил электричество, чтобы передавать энергию в нужную ему точку пространства. Поэтому источник электрической энергии может находиться на очень большом расстоянии от потребителя. Я думаю, немногие читатели смогут хотя бы приблизительно ответить, где физически находится электростанция, вырабатывающая энергию для компьютеров, с помощью которых они сейчас читают эту статью.

Из-за этого в системе электропитания появляется третий важный элемент – линия электропередач (ЛЭП), связывающая источник питания с потребителем энергии (Рисунок 5). И именно проблемы передачи энергии на расстояния – даже на 1 м – заставляют увеличивать напряжение в системе. Причем ограничения, из-за которых это приходится делать, хоть и базируются на законах природы, но имеют совершенно нефизическую природу.

Рисунок 5.

Система питания с ЛЭП.

Рассмотрим это на примере. Пусть у нас есть какое-нибудь оборудование, например, установленное на небольшом заводе, потребляющее мощность P = 100 кВт. И пусть существует электростанция необходимой мощности, но расположенная на расстоянии 100 км от этого предприятия (Рисунок 5). Рассмотрим два варианта системы электропитания. Пусть в первом варианте используется очень опасное для человека напряжение V = 100 кВ, при котором, ток I будет равен:

Во втором случае выберем безопасное напряжение V = 1 В, при котором ток будет равен:

Обратите внимание, что результат (мощность) в обоих случаях одинаков – энергия с нужной скоростью и в нужном количестве будет передаваться через ЛЭП длиной 100 км, и предприятие будет работать. Но будут ли эти две системы одинаковы по другим параметрам?

В простейшем случае, линия электропередач состоит из двух проводов, не имеющих электрического контакта друг с другом. А из курса физики известно, что, во-первых, любой проводник электрического тока обладает сопротивлением, а во-вторых, при протекании электрического тока по проводнику он нагревается. Нагрев проводника является результатом нежелательного преобразования электрической энергии в тепловую, то есть в линиях электропередач всегда будут потери. Мощность потерь в проводах ЛЭП P_ПОТ определяется законом Джоуля-Ленца:

где R_ПРОВ – общее сопротивление проводов.

С потерями в линии электропередачи придется смириться – они будут всегда 1) . Однако мы можем контролировать их величину путем выбора сопротивления проводов R_ПРОВ. Пусть мы будет терять в линии электропередачи до 10% передаваемой энергии. В этом случае максимальная мощность потерь в проводах ЛЭП P_ПОТ равна:

Определим из формулы (2), какое же максимальное сопротивление должны иметь провода ЛЭП. В первом случае (V = 100 кВ, I = 1 А):

Во втором случае (V = 1 В, I = 100 кА):

Видно, что сопротивление проводов отличается на 10 порядков (в десять миллиардов раз). Много это или мало? Пока ничего не понятно – для обычного человека микроом ничем не отличается килоома, поэтому давайте разбираться дальше.

Рисунок 6.

Геометрические размеры провода ЛЭП.

Электрический провод можно представить в виде цилиндра (если он круглого сечения) или параллелепипеда (если прямоугольного) длиной L и площадью поперечного сечения S (Рисунок 6). Электрическое сопротивление такого провода определяется по формуле:

где ρ – удельное сопротивление – электрическое сопротивление проводника, выполненного из этого материала, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 (измеряется Ом∙м).

То есть, сопротивление провода зависит от материала, из которого он изготовлен, а также его физических размеров. Из двух геометрических параметров (длины L и площади поперечного сечения S) мы может изменять только площадь поперечного сечения, потому что длина провода определяется расстоянием между источником и потребителем. В нашем случае электростанция находится на расстоянии 100 км от предприятия, поэтому общая длина двух проводов будет равна L = 100 + 100 = 200 км.

А из какого материала будем делать провода? При всем богатстве выбора, материалов с малым удельным сопротивлением в нашем мире не так уж и много. Наименьшее удельное сопротивление из всех металлов имеет серебро (Таблица 1). Затем идут медь, золото, алюминий и железо. Все остальные доступные металлы из-за высокого значения этого параметра малопригодны для использования в качестве проводников.

Однако кроме удельного сопротивления, каждый из металлов имеет и другие параметры, имеющие важное практическое значение. В первую очередь нас интересуют удельная масса и удельная стоимость. Мы видим, что серебро и золото являются самыми дорогими и тяжелыми металлами из данного списка. Это значит, что линия электропередачи из золота и серебра при том же самом сопротивлении должна получиться и дороже, и тяжелее, чем при использовании других металлов.

В качестве примера определим параметры «серебряной» линии электропередачи для первого варианта (V = 100 кВ, I = 1 А). Для этого из формулы (3) выразим необходимую площадь поперечного сечения S:

Для изготовления двух проводов такого сечения потребуется серебряный слиток объемом V:

Его масса m, будет равна:

И теперь можно определить стоимость металла С, необходимого для изготовления двух проводников ЛЭП:

Проделаем аналогичные операции для других вариантов и посмотрим, что в итоге получится (Таблица 2). Сразу обращаем внимание, что для передачи энергии лучше всего использовать алюминиевые провода. Конечно, дешевле всего было бы использовать железо, но для создания «железной» ЛЭП такой же пропускной способности потребуются в четыре раза увеличить сечение проводов, что приведет к увеличению их массы в 10 раз. Не самым лучшим вариантом для проводов линий электропередач является и медь. Да, медные провода будут иметь меньший диаметр, однако из-за высокой удельной массы меди их масса будет в два раза больше, чем алюминиевых, а это приведет к увеличению их стоимости в восемь раз.

Таким образом, медь и алюминий являются наиболее подходящими материалами для электрических проводов, а золото и серебро для создания путей протекания электрического тока используется только в случаях, когда не остается другого выхода, чаще всего – в электронике, например, при производстве микросхем.

Мощные системы электропитания строятся на основе алюминиевых проводов – в этом случае ЛЭП получаются легче и дешевле, чем при использовании других материалов. Медные провода используются, в основном, в последних сегментах ЛЭП – для создания сетей с низким напряжением (230/400 В) для так называемой «последней мили». В этом случае на выбор меди в качестве основного металла проводников 3) оказывают влияние ее другие характеристики: более высокая пластичность, простота соединений с другими металлами (например, медь, в отличие от алюминия, очень хорошо паяется) и другие. И, конечно же, медь является основным проводниковым материалом в электронике – в области, где ток величиной 1 А, является настолько большим, что требует специальных условий для его протекания.

Вторым важным выводом, вытекающим из результатов расчетов (Таблица 2), является то, что линию электропередач мощностью 100 кВт с напряжением 1 В не получится построить физически – из-за ультрамалого требуемого сопротивления проводов (1 мкОм) длиной 200 км цифры получаются астрономические. Например, из золота ее сделать не получится, даже если очень сильно захотеть – за всю историю человечества было добыто всего около 160 тысяч тонн этого металла, а для отливки двух проводов 1-вольтовой ЛЭП его потребуется почти 19 миллиардов тонн.

Чтобы наглядно представить себе грандиозность и нелепость ЛЭП с напряжением 1 В, определим диаметр проводников для самого лучшего – «серебряного» – варианта, имеющего наименьшее сечение. В данном случае, чтобы круглый проводник имел площадь поперечного сечения S = 3 180 м 2 , необходимо, чтобы его диаметр d был равен:

Приблизительно такую высоту имеет 20-этажный дом (Рисунок 7). А уменьшить диаметр проводников при столь низком напряжении нельзя – увеличение сопротивления приведет к увеличению потерь. Например, в ЛЭП с сопротивлением 10 кОм, прекрасно работающей при напряжении 100 кВ, при напряжении 1 В, даже если накоротко замкнуть ее концы, будет протекать ток, равный:

Это значит, что 100-киловольтовая ЛЭП от источника питания с напряжением 1 В сможет «забрать» мощность, равную всего:

То есть, линия электропередачи, через которую при напряжении 100 кВ можно спокойно передавать энергию со скоростью 100 кВт, при напряжении 1 В не сможет передать даже милливатта энергии.

Рисунок 7.

Сравнение сечения проводов для ЛЭП с напряжением 1 В и 100 кВ.

Поэтому чем больше расстояние, на которое нужно передать энергию, и чем больше мощность, тем выше напряжение будет в системе электропитания. Из-за этого любая электрическая энергосистема имеет очень четкую иерархическую структуру. Рассмотрим в качестве примера промышленную сеть переменного тока – ту, к которой подключены наши розетки (Рисунок 8). На электростанциях, генерирующих мощные энергетические потоки, напряжение увеличивается до величины, иногда превышающей 1 МВ. Электрическая энергия с таким напряжением с помощью высоковольтных ЛЭП передается на сотни километров к крупным потребителям, например, городам или большим предприятиям. В определенных местах – на трансформаторных подстанциях – это напряжение понижается, а потом, уже с помощью других ЛЭП, рассчитанных на меньшее напряжение, распределяется между группами потребителей с меньшей мощностью, расположенных относительно недалеко от подстанции. Потом с помощью других трансформаторных подстанций – еще меньшей мощности – оно понижается снова и опять распределяется с помощью линий электропередач. В конечном итоге, после нескольких преобразований, число которых завит от мощности и расстояния, напряжение понижается до величины 230 В и достигает наших розеток.

Рисунок 8.

Принцип построения промышленной сети переменного тока.

При дальнейшем уменьшении напряжения, по крайней мере, на уровне электропроводки здания, экономические вопросы и удобство пользования уже начинают вступать в противоречие с вопросами безопасности. Электрооборудование, как промышленное, так и бытовое, может иметь самую разную мощность. И напряжение 230 В, а точнее комбинация напряжений 230/400 В, присутствующая в трехфазной промышленной сети 4) , оказалась наиболее удобной и экономически выгодной для питания оборудования, потребляющего мощностью от долей ватт до нескольких сотен киловатт.

Рисунок 9.

Пример электрической сети учебного помещения с дополнительной безопасной сетью на 36…48 В.

Но это не значит, что дальше напряжение понижать нельзя. Если это необходимо, то создаются отдельные ЛЭП с напряжением и меньше 230 В. Например, в учебных классах для повышения уровня безопасности может быть создана отдельная питающая сеть с напряжением 36…48 В, от которой будут работать паяльники, лампы и другое учебное оборудование (Рисунок 9). Для питания телекоммуникационного оборудования также могут быть созданы отдельные линии питания постоянного тока с напряжением 48 В, в которые энергия будет поступать через специализированное выпрямительное устройство (Рисунок 10).

Рисунок 10.

Принцип построения системы питания телекоммуникационного оборудования.

Таким образом, выбор напряжения в электросети все-таки определится здравым смыслом, хоть для этого иногда и приходится идти на компромисс и ставить под угрозу человеческую жизнь. Но, как показывает практика, большинство бед, создаваемых электричеством, происходит не от самого электричества, а от глупости, невежества и лени людей, которые им пользуются. Грубое нарушение правил устройства и эксплуатации электроустановок, игнорирование элементарных правил защиты от поражения электрическим током – вот основные причины пожаров и гибели людей от электричества. Хотя следует заметить, что, по сравнению с оборудованием, использующим открытый огонь, электрическая техника намного безопасней.

Почему именно 230 В?

Начнем с того, что напряжение такой величины в розетках было не всегда, и в разных странах оно разное. Каждое государство имеет право самостоятельно устанавливать стандарты электропитания, и многие страны в свое время этим активно воспользовались. На сегодняшний день распространены два напряжения питания для конечного электрооборудования: 110…120 В и 220…240 В (Рисунок 11). Внимательный читатель наверняка обратил внимание, что эти напряжения отличаются в два раза, и это не случайность.

Рисунок 11.

Напряжения и частота тока в электрических розетках разных стран [1]. Источник: commons.wikimedia.org

На самом деле, страны с низким напряжением в электросети, например, США и Япония, уже давно столкнулись с проблемой подключения мощного оборудования. Поэтому они используют двухфазную систему питания, которую можно представить в виде двух последовательно соединенных источников с напряжением 110…120 В (Рисунок 12). Маломощные потребители подключаются к нейтральному и одному из фазных проводов и питаются напряжением 110…120 B. А мощные – к двум фазным проводам, при этом напряжение питания удваивается и становится равным 220…240 В. Чтобы случайно не перепутать и не подключить оборудование к «неправильному» источнику, в этих странах для напряжения 110 В и 220 В используют разные розетки, что исключает ошибочное подключение.

Рисунок 12.

Принцип построения распределительных сетей 115/230 В.

Проследить происхождение цифры 110 В сейчас уже достаточно сложно. В самом начале коммерческого использования электричества – в первой половине XIX века – оно использовалось, в основном, для освещения. Первыми электрическими осветительными приборами были дуговые лампы, для работы которых требовалось напряжение около 45 B. Достаточно быстро было установлено, что для устойчивого горения этого осветительного прибора в цепь питания нужно устанавливать балластный резистор, падение напряжения на котором достигало 20 В. Таким образом, для работы первых ламп требовалось напряжение не ниже 65 В.

Практический опыт строительства и эксплуатации электрических систем освещения показал, что для коммерческого успеха необходимо устанавливать электростанции чуть ли не возле каждого фонаря – слишком дороги были провода и слишком мало они передавали энергии. Очень быстро специалисты стали включать по две дуговые лампы последовательно, что позволило увеличить пропускную способность проложенных кабелей практически в два раза 5) . Так появилось напряжение 110 В (45 + 45 + 20). Со временем, чтобы компенсировать падение напряжение на проводах, его увеличили на 5…10 В, в результате чего появились напряжения 115…120 В.

Немаловажную роль в появлении напряжения 110 В, по всей видимости, сыграл Томас Эдисон – его первые лампы накаливания сразу были рассчитаны на 110 В. По непроверенным данным, ему просто нравилось это число, хотя могли быть и другие технические и экономические причины выбора именно этого напряжения. В конечном итоге, когда появились мощные потребители электроэнергии, в США, где шло наиболее бурное развитие коммерческого электричества, уже было достаточно большое количество электрооборудования и распределительных систем, рассчитанных на 110 В, и менять стандарты стало уже слишком дорого.

В странах Европы массово использовать электричество стали гораздо позже – ближе к концу XIX века. К этому времени, благодаря опыту США, уже были известны недостатки и ограничения существующих систем. Поэтому в странах Европы достаточно быстро стали внедрять оборудование, рассчитанное на удвоенное напряжение 220 В, хотя первое время – до стандартизации – в Европе также существовали системы, использующие 110 В. Кроме того, в странах Европы практически сразу стали применять переменный ток и трехфазные системы электроснабжения, что позволило избежать многих проблем, присущих системам на основе постоянного тока.

А что будет если…?

А что будет, если сейчас взять и запретить (разумеется, исключительно ради нашей безопасности), использовать высокое напряжение в розетках. Ведь может же правительство принять закон, запрещающий использование в быту напряжения выше допустимого сверхнизкого значения 6) . Как тогда изменится наша жизнь? Рассмотрим это на примере.

Большинство электрических розеток рассчитано на ток, не превышающий 16 А. Изготовить розетки на больший ток технически можно, но работать с ними будет крайне неудобно – из-за большей площади контакта и большей силы прижима пользоваться такими розетками смогут лишь специально обученные люди с сильными руками.

При токе 16 А и напряжении 230 В максимальная мощность, которую можно получить из розетки, равна:

Эта мощность является техническим пределом для бытового оборудования, не рассчитанного на стационарное подключение. При этом длительно выдержать ток 16 А и не расплавиться могут далеко не все вилки и розетки, даже если на них нарисовано, что они на это рассчитаны. Зная это, производители оборудования стараются не создавать приборы, рассчитанные на подключение к розеткам и потребляющие ток больше 10 А. Таким образом, реальная мощность оборудования, подключаемого к розеткам, ограничена на уровне, приблизительно 2.3 кВт. Более мощное оборудование подключается к сети другими способами и по другим схемам, которые будут рассмотрены чуть позже.

А теперь уменьшим напряжение в розетке до максимально возможной безопасной величины – 50 В, которая, кстати, не дает никаких гарантий безопасности 7) . При реальном токе 10 А, ограниченном возможностями и ценой бытовых розеток, максимальная мощность, которую можно получить из системы электропитания, будет равна:

При такой мощности чайник будет греть воду в четыре раза дольше обычного, пылесос будет собирать по три пылинки в секунду, а кондиционер сможет охладить воздух только в домике хомячка. А чтобы подключить более мощное оборудование, придется полностью переделать электропроводку, поскольку все розетки, кабели, автоматы рассчитываются на основе не напряжения, а тока, который они могут пропустить в течение длительного времени.

Высокое напряжение и шарлатаны

Мощные электрические энергосистемы должны быть высоковольтными – мы это уже выяснили, и это знание подкреплено математическими расчетами, основанными на законах физики. Однако обратное утверждение – высоковольтные системы должны быть мощными – неверно, потому что мощность, согласно формуле (1), является произведением напряжения и тока. Если ток в высоковольтной системе мал, то и мощность будет небольшой.

Примерами маломощных высоковольтных систем являются:

• газовые электрозажигалки, в которых напряжение пальчиковой батарейки (1.5 В) увеличивается до нескольких киловольт, при этом ток, потребляемый от источника питания, не превышает нескольких миллиампер, а мощность – несколько десятков милливатт;
• автомобильная система зажигания, работающая аналогично электрозажигалке – напряжение, подаваемое на свечи двигателя, достигает 30 кВ, в то время как энергия, затрачиваемая на один разряд в свече, не превышает 0.1 Дж, таким образом, общая мощность этой системы не превышает 25 Вт;
• кинескопы старых телевизоров и мониторов – на их второй анод подается напряжение 12…16 кВ (черно-белые) или 25 кВ (цветные), при этом максимальный ток анода не превышает 300 мкА (черно-белые) и 1 мА (цветные), таким образом, максимальная мощность высоковольтных источников питания кинескопов не больше 5 Вт (черно-белые) и 25 Вт (цветные).

К сожалению, существует определенный круг людей, которые от словосочетания «высокое напряжение» впадают в экстаз и принципиально не хотят видеть разницы между «большим напряжением» и «большой мощностью». Особенно много таких людей среди «исследователей» эфира, «свободных энергий», «торсионных полей» и других подобных «явлений». Я согласен, что вид неодимового магнита, проносящегося мимо катушки, обладает некоторым волшебством, а наблюдение на экране осциллографа импульсов с амплитудой несколько сотен вольт вселяет надежду что «мы на верном пути к бесплатной энергии». Но практически всегда эти люди просто принимают желаемое за действительное и, по разным причинам, не хотят разбираться в процессах, происходящих в их устройствах.

И на это можно было бы не обращать внимания, если бы не возможность «вещать на весь мир», появившуюся после развития сети Интернет. К сожалению, обладая определенной харизмой, эти люди в глазах еще более невежественных людей становятся «авторитетами» по некоторым вопросам. А это уже прямой путь к мошенничеству.

Сейчас в сети можно встретить достаточно большое количество доступных для приобретения конструкторов и готовых устройств, обещающих «бесплатное» электричество в виде импульсов высокого напряжения, «вытащенных» из 12-вольтового аккумулятора. Соглашаясь на подобные предложения, люди за реальные деньги получают, в лучшем случае, макет для демонстрации явлений, обнаруженных еще Фарадеем. Поэтому не попадайтесь на уловки мошенников и помните, что наличие высокого напряжения еще не означает наличия большой мощности – в большинстве случаев ток в подобных устройствах оказывается слишком мал для практического применения. А если даже и ток, и напряжение велики, что свидетельствует о большой мгновенной мощности, то есть еще время длительности этого состояния, определяющее количество энергии – главный параметр для определения КПД.

Мне не раз приходилось общаться с «искателями свободных энергий», в том числе и лично. Но пока еще никому из них не удалось объективно доказать факт получения «энергии из ничего» – достаточно быстро их аккумуляторы садились, а «чудо-моторы» останавливались. Но это не значит, что подобные эксперименты не нужно проводить совсем – в конце концов, именно такие упрямцы и открывают новые законы и явления. Однако для этого нужно много работать и хорошо знать уже известные и изученные вещи, а самое главное – не бояться и не лениться сомневаться в себе.

Заключение

Напряжение и ток, хоть они и связаны между собой, определяются разными компонентами системы электропитания: напряжение – источником, а ток – потребителем электрической энергии. Эти параметры ни в коем случае нельзя путать. По отдельности ни напряжение, ни ток не выполняют никакой полезной функции. Согласно формуле (1), даже если у нас будет миллиард миллиардов вольт, но ток будет равен нулю, толку от такой системы не будет никакого, потому что энергия потребляется электроприбором только в случае одновременного присутствия на его выводах питания и напряжения, и тока. Только в этом случае оборудованием будет выполняться полезная работа, и его использование будет иметь практический смысл.

А вот конкретные значения напряжения и тока уже определяются здравым смыслом и опытом, накопленным за два века коммерческого использования электричества. И хоть в наших розетках и присутствует опасное для жизни напряжение, его величина является технически и экономически обоснованной и ее изменение повлечет за собой изменение качества нашей жизни. Поэтому с высоким напряжением придется смириться. Но самое главное – с ним нужно научиться правильно «дружить», поскольку безопасным электричество будет только при обязательном соблюдении всех правил обращения с электропроводкой и электрическими приборами.

Список источников

Сноски

1) Существуют экспериментальные проекты криогенных линий электропередачи, в которых проводники охлаждаются до температуры, при которой появляется эффект сверхпроводимости. Потери проводимости в этих системах минимальны, однако появляются дополнительные потери на охлаждение кабелей. Поэтому потери при передаче энергии будут всегда, просто их количество и вид могут быть совершенно разными.

2) В таблице указаны цены 2020 года. Реальная цена металлов на рынке постоянно изменяется, однако для понимания сути этого материала абсолютное значение цены не имеет особого значения.

3) На самом деле электрические провода уже давно не делают из чистой меди или чистого алюминия – это дорого. Сейчас применяются различные сплавы, которые уменьшают стоимость проводов, но без значительного ухудшения их электрических и эксплуатационных характеристик.

4) Этот вопрос будет рассмотрен в следующей части цикла.

5) Кабельная ЛЭП состоит из проводников и изоляции. Даже самая простая изоляция обычно способна без проблем выдержать напряжение до 400 В. Поэтому увеличение напряжения с 65 до 110 не вызвало особых технических проблем.

6) Сверхнизкое напряжение (Extra-Low Voltage, ELV) – напряжение, считающееся безопасным для человека в обычных условиях (до 50 В переменного тока и до 120 В постоянного тока)

7) Человека поражает не напряжение, а ток. Известны случаи гибели людей от электрического тока в системах с напряжением 12 В и меньше. Вопросы электробезопасности будут подробно рассмотрены в одной из следующих глав.

Преимущества высоковольтных ЛЭП постоянного тока по сравнению с ЛЭП переменного тока

Ставшие традиционными, высоковольтные линии электропередачи, сегодня функционируют неизменно используя переменный ток. Но задумывались ли вы о преимуществах, которые может дать высоковольтная ЛЭП постоянного тока в сравнении с ЛЭП тока переменного? Да, речь именно о высоковольтных ЛЭП постоянного тока (HVDC Power Transmission).

Безусловно, для формирования высоковольтной линии постоянного тока необходимы прежде всего преобразователи, которые делали бы из переменного тока постоянный, а из постоянного — переменный. Такие инверторы и конвертеры дороги, как и запчасти к ним, имеют ограничения по перегрузке, к тому же для каждой линии устройство должно быть без преувеличения уникальным. На малых же расстояниях потери мощности в преобразователях делают такую ЛЭП вообще невыгодной.

Но в каких же применениях предпочтительней будет именно постоянный ток? Почему высокое напряжение при переменном токе иногда оказывается не достаточно эффективным? И наконец, применяются ли где-нибудь уже высоковольтные ЛЭП постоянного тока? На эти вопросы и попробуем получить ответы.

Основным преимуществом постоянного тока перед переменным является отсутствие частотных и фазовых параметров и, следовательно, более легкое управление системой передачи — при использовании передачи постоянного тока нет необходимости держать все источники в системе синхронно.

• Повышенная стабильность системы передачи – в случае широко используемых 2-полюсных схем линия может работать с половиной пропускной способности в случае выхода из строя одного из проводников.
• Меньшие потери при передаче на большие расстояния – примерно 3% потерь на 1000 км передачи HVDC.
• Когда определенное расстояние передачи превышено, HVDC имеет более низкие затраты на приобретение по сравнению с вариантом переменного тока.
• С учетом растущих требований к экологии, зачастую усложняющих строительство новых ВЛ, можно использовать протяженные подземные кабельные линии, несмотря на их многократно более высокую закупочную стоимость.
• По сравнению с переменными 3-фазными системами для передачи постоянного тока достаточно только 2 проводников или 1 в случае возврата тока через землю.
• Меньшие изоляционные расстояния, чем при переменном токе при том же действующем значении напряжения — нет необходимости увеличивать максимальное значение, как при переменном токе.
• Возможность преобразования существующих линий переменного тока в постоянный — третий провод может служить резервным, что повысит надежность передачи.
• Возможность управления направлением и величиной передаваемой мощности.
• Нет необходимости в станциях компенсации реактивной мощности в отличие от линий переменного тока.

А что если потребуется повысить мощность имеющейся линии без прокладки дополнительной? А на случай электроснабжения систем распределения переменного тока, которые между собой не синхронизированы?

Между тем, при конкретной передаваемой для постоянного тока мощности, при высоком напряжении, нужно меньшее сечение провода, а вышки могут быть ниже. Например, канадская двухполюсная ЛЭП «Nelson River Bipole» соединяет распределительную сеть и удаленную электростанцию.

Электрические сети переменного тока можно стабилизировать без возрастания опасности КЗ. Коронные разряды, порождающие потери в линиях переменного тока из-за пиков сверхвысокого напряжения, при постоянном токе значительно меньше, соответственно, меньше выделяется вредного озона. Опять же снижение расходов на сооружение ЛЭП, например для трех фаз необходимо три провода, а для HVDC — всего два. И снова максимум преимуществ для подводных кабелей — не только меньше материалов, но и меньше емкостных потерь.

Фирма AAB с 1997 года осуществляет установки линий HVDC Light мощностью до 1,2 ГВт при напряжении до 500 кВ. Так, между сетями Великобритании и Ирландии возведено соединение с номиналом по мощности в 500 МВт.

Данное соединение улучшает безопасность и надежность при поставке электроэнергии между сетями. Пролегая с запада на восток, один из кабелей сети имеет длину 262 километра, причем 71% длины кабеля находится на дне моря.

Еще раз вспомним, что если бы переменный ток расходовался на перезарядку емкости кабеля, появились бы лишние потери мощности, а поскольку ток применяется постоянный, то и потери мизерны. Кроме того, потери в диэлектрике при переменном токе также не стоит упускать из виду.

В общем виде, на постоянном токе большую мощность можно передать через один и тот же проводник, поскольку пики напряжения при той же мощности, но при переменном токе, выше, к тому же изоляция должна бы быть толще, сечение больше, расстояние между проводами больше и т. д. Учитывая все эти факторы, коридор ЛЭП постоянного тока обеспечивает более плотную передачу электрической энергии.

Высоковольтные линии постоянного тока не создают вокруг себя низкочастотного переменного магнитного поля, как это типично для ЛЭП переменного тока. Некоторые ученые говорят о вреде этого переменного магнитного поля для здоровья человека, для растений, для животных. Постоянный ток, в свою очередь, создает лишь постоянный (не переменный) градиент поля электрического в пространстве между проводом и землей, а это безопасно как для здоровья людей, так и для животных, и для растений.

Стабильности систем переменного тока способствует постоянный ток. Благодаря высокому напряжению и постоянному току, можно передавать энергию между системами переменного тока, которые не синхронизированы между собой. Так предотвращается распространение каскадных отказов. При некритичных же отказах, энергия просто движется в систему либо из системы.

Это способствует еще большему внедрению высоковольтных сетей постоянного тока, порождая новые основания.

Преобразовательная подстанция Siemens для линии передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) между Францией и Испанией

Схема современной линии HVDC

Регулировку потока энергии осуществляет система управления либо преобразовательная станция. Поток не связан с режимом работы подключенных к линии систем.

Межсистемные связи на линиях постоянного тока обладают сколь угодно малой емкостью передачи, в сравнении с линиями переменного тока, и проблема слабых связей устраняется. Сами же линии могут разрабатываться с учетом оптимизации потоков энергии.

К тому же пропадают трудности синхронизации нескольких разных систем управления операциями отдельных энергетических систем. Быстрые аварийные контроллеры на линиях электропередачи постоянного тока повышают надежность и стабильность общей сети. Регулировка потока энергии может гасить колебания в параллельных линиях.

Названные преимущества помогут развить внедрение соединений на базе постоянного тока высокого напряжения с целью разбить крупные энергетические системы на несколько частей, которые между собой синхронизируемы.

Например, в Индии построено несколько региональных систем, которые между собой соединены высоковольтными линиями постоянного тока. Присутствует там и цепочка преобразователей, управляемая из специального центра.

Так же и в Китае. В 2010 году ABB построила в Китае первый в мире сверхвысокого напряжения постоянного тока 800 кВ в Китае. Линия сверхвысокого напряжения постоянного тока Чжундун – Ваннань на 1100 кВ, протяженностью 3400 км и мощностью 12 ГВт была завершена в 2018 году.

По состоянию на 2020 год было завершено строительство как минимум тринадцати линий сверхвысокого напряжения постоянного тока в Китае . Линии HVDC передают большие мощности на значительные расстояния, причем к каждой линии подключено несколько поставщиков электроэнергии.

Как правило, разработчики высоковольтных ЛЭП постоянного тока не предоставляют широкой публике информацию о стоимости своих проектов, поскольку это коммерческая тайна. Тем не менее, особенности проектов вносят свои коррективы, и стоимость варьируется в зависимости от: мощности, длины кабелей, способа прокладки, стоимости земли и т. д.

Экономически сопоставляя все аспекты, принимают решение о целесообразности возведения линии HVDC. Так например, возведение четырехлинейной ЛЭП между Францией и Англией, мощностью 8ГВт, вместе с береговыми работами потребовало примерно миллиард фунтов.

Как видно, эта технология очень актуальна, особенно в странах с большой территорией, в связи с ее преимуществами для преодоления больших держав и больших расстояний.

Доля установленной мощности HVDC в мире следующая:

• Африка: 1%
• Северная Америка: 10%
• Южная Америка: 6%
• Азия: 70%
• Европа: 12%
• Океания: 1%

Список значимых проектов высоковольтных линий постоянного тока (HVDC) прошлого

В 1880-х годах шла так назваемая война токов между сторонниками сети постоянного тока, такими как Томас Эдисон, и сторонниками сети переменного тока, такими как Никола Тесла и Джордж Вестингауз. Постоянный ток выдержал 10 лет, но быстрое развитие силовых трансформаторов, необходимых для повышения напряжения и, таким образом, ограничения потерь, привело к распространению сетей переменного тока. Только с развитием силовой электроники стало возможным использование постоянного тока высокого напряжения.

Технология HVDC появилась в 1930-х годах XX века. Она был разработана ASEA в Швеции и Германии. Первая линия HVDC была построена в Советском Союзе в 1951 году между Москвой и Каширой. Затем в 1954 году была построена еще одна линия между островом Готланд и континентальной Швецией.

Москва — Кашира (СССР) — длина 112 км, напряжение — 200 кВ, мощность — 30 МВт, год постройки — 1951. Считается первой в мире полностью статической электронной высоковольтной линией постоянного тока, введённой в эксплуатацию. В настоящее время линия не существует.

Готланд 1 (Швеция) — длина 98 км, напряжение — 200 кВ, мощность — 20 МВт, год постройки — 1954. Первое в мире коммерческое соединение HVDC. Расширен компанией ABB в 1970 г., выведен из эксплуатации в 1986 г.

Волгоград — Донбасс (СССР) — длина 400 км, напряжение — 800 кВ, мощность — 750 МВт, год постройки — 1965. Первая очередь линии электропередачи постоянного тока 800 кВ Волгоград — Донбасс была введена в действие в 1961-м году, что в прессе того времени омечалось, как очень важный этап в техническом развитии советской энергетики. В настоящее время линия разобрана.

Испытание высоковольтных выпрямителей для линии постоянного тока в лаборатории ВЭИ, 1961 год

Схема высоковольтной линии постоянного тока Волгоград — Донбасс

HVDC между островами Новой Зеландии — длина 611 км, напряжение — 270 кВ, мощность — 600 МВт, год постройки — 1965. С 1992-го года реконструирована А BB . Напряжение 350 кВ.

С 1977 года все системы HVDC были построены с использованием твердотельных компонентов, в большинстве случаев тиристоров, с конца 90-х годов начали применятся преобразователи на IGBT-транзисторах.

Инверторы на IGBT-транзисторах на преобразовательной подстанции Siemens для линии передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) между Францией и Испанией

Кахора Басса (Мозамбик — ЮАР) — длина 1420 км, напряжение 533 кВ, мощность — 1920 МВт, год постройки 1979. Первый HVDC с напряжением выше 500 кВ. Ремонт ABB 2013-2014 гг.

Экибастуз – Тамбов (СССР) — длина 2414 км, напряжение — 750 кВ, мощность — 6000 МВт. Начало реализации проекта — 1981 год. После запука в работу это была бы самая длинная ЛЭП в мире. Строительные площадки заброшены примерно в 1990 году из-за распада Советского Союза, линия так и не была завершена.

Interconnexion France Angleterre (Франция — Великобритания) — длина 72 км, напряжение 270 кВ, мощность — 2000 МВт, год постройки 1986.

Гэчжоуба — Шанхай (Китай) — 1046 км, 500 кВ, мощность 1200 МВт, 1989 г.

Риханд-Дели (Индия) — длина 814 км, напряжение — 500 кВ, мощность — 1500 МВт, год постройки — 1990.

Балтийский кабель (Германия — Швеция) — длина 252 км, напряжение — 450 кВ, мощность — 600 МВт, год постройки — 1994.

Тянь-Гуан (Китай) — длина 960 км, напряжение — 500 кВ, мощность — 1800 МВт, год постройки — 2001.

Талчер-Колар (Индия) — длина 1450 км, напряжение — 500 кВ, мощность — 2500 МВт, год постройки — 2003.

Три ущелья — Чанчжоу (Китай) — длина 890 км, напряжение — 500 кВ, мощность — 3000 МВт, год постройки — 2003. В 2004-м и в 2006-м от гидроэлектростанции «Три ущелья» было построено еще 2 линии HVDC на Хуэйчжоу и Шанхай дляной 940 и 1060 км.

Самая крупная гидроэлектростанция в мире «Три ущелья» соединена с Чанчжоу, Гуандуном и Шанхаем посредством высоковольтных линий постоянного тока

Сянцзяба-Шанхай (Китай) — линия из Фулуна в Фэнся. Длина 1480 км, напряжение — 800 кВ, мощность — 6400 МВт, год постройки — 2010.

Юньнань — Гуандун (Китай) — длина 1418 км, напряжение — 800 кВ, мощность — 5000 МВт, год постройки — 2010.

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

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

Применение высоких напряжений для передачи электрической энергии

Применение высоких напряжений для передачи электрической энергии на большие расстояния играет важную роль в развитии мировой электроэнергетики и нашей страны. Наиболее высокое напряжение, используемое в мире в настоящее время 750 кВ (Россия, Украина) и 765 кВ (США, Канада, Бразилия). В Европейской объединенной энергосистеме (UCPTE) наивысшее напряжение 400 кВ. В мире была сооружена лишь одна линия ультравысокого напряжения (УВН) 1150 кВ Экибастуз – Кокчетав – Кустанай – Челябинск (Казахстан – Россия). Все оборудование этой уникальной электропередачи было разработано в нашей стране и выпущено отечественной промышленностью. В настоящее время 500 км этой линии эксплуатируется под напряжением 500 кВ.

Рост напряжений, который происходил в течение всего периода развития электроэнергетики, определяется экономическими факторами. Стоимость линии электропередачи (ЛЭП) примерно пропорциональна номинальному напряжению, в то время как её пропускная способность пропорциональна квадрату этого напряжения. Себестоимость передачи электроэнергии снижается при повышении номинального напряжения, уменьшаются и удельные капиталовложения.

Экономические факторы также способствовали сооружению мощных электростанций, поскольку удельные капиталовложения и металлоёмкость для крупных электростанций значительно ниже, чем для мелких.

Необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния связана с удалением электростанций от центров потребления, что вызвано повышением экологических требований к электростанциям, прежде всего необходимостью сокращения занимаемых под них земельных площадей и усложнением их размещения вблизи крупных промышленных центров. Это, в свою очередь, влечет за собой увеличение длины линий электропередачи. Для того чтобы снизить потери электроэнергии при передаче по длинным линиям определенной мощности необходимо повысить напряжение и уменьшить ток. В России передача электроэнергии на значительные расстояния осуществляется по линиям с номинальными напряжениями 110, 220, 330, 500, и 750 кВ. В таблице 1.1. представлены пропускная способность линий различных номинальных напряжений и их длина в зависимости от номинального напряжения.

Надежная работа электрических систем высокого напряжения в основном определяется изоляцией и теми напряжениями, которые на эту изоляцию воздействуют. Повышения напряжения, которые могут быть опасными для изоляции, называются перенапряжениями. Использование высоких напряжений в электрических системах связано с проблемой обеспечения безаварийной работы изоляции всех элементов электрической системы. Рассматриваемая проблема получила название “Техника высоких напряжений в электроэнергетике”

Пропускная способность электропередачи 110-1150 кВ [ ЭТС, Т.3, с. 239]

Напряжение линии, кВ	Натуральная мощность, МВт, при волновом сопротивлении, Ом	Передаваемая мощность на одну цепь, МВт	Длина передачи, км
300-314	250-275
__	__	25-50	50-150
__	100-200	150-250
__	300-400	200-300
__	700-900	800-1200
__	__	1800-2200	1200-2000
__	__	4000-6000	2500-3000

Техника высоких напряжений (ТВН) в настоящее время представляет собой науку о характеристиках вещества и процессах в нем при экстремальных электромагнитных воздействиях — высоких напряжениях и сильных токах, а также о технологическом использовании этих процессов. Один из основных разделов ТВН посвящен свойствам и характеристикам изоляционных конструкций электрооборудования высокого напряжения и условиям их надежной эксплуатации при воздействии рабочего напряжения, грозовых и внутренних перенапряжений. Учебная дисциплина, соответствующая этому разделу называется «Изоляция и перенапряжения». Структура этой дисциплины достаточно разнородна и представляет собой два больших раздела «Изоляция электрических установок высокого напряжения» и «Перенапряжения в электрических системах». Эти разделы связаны между собой задачей координации изоляции, которая заключается в приведении в соответствие уровней электрической прочности изоляции и уровней воздействующих на электроустановки перенапряжений. На схеме (рис.1) представлена структура учебной дисциплины, которая поможет студентам составить общее представление о содержании этой дисциплины.

Трансконтинентальные суперсети постоянного тока

22 февраля 2017 года в Пекине рабочая группа по развитию глобального энергетического Интернета опубликовала результаты трёх исследовательских проектов: «Белую книгу о стратегии развития глобального энергетического Интернета», «Технологии и перспективы трансграничной и трансконтинентальной электронной межсистемной связи» и «Развитие и будущее глобального энергетического Интернета (2017)», в которых была предложена система стратегии глобального энергетического Интернета, идеи и пути развития, описаны перспективы строительства экологически чистой, низкоуглеродной, взаимосвязанной и совместно используемой глобальной энергетической общности. В статье отмечается, что обсуждение строительства глобального энергетического Интернета — инициатива, выдвинутая председателем КНР Си Цзиньпином на саммите ООН по глобальному развитию 26 сентября 2015 года, направленная на содействие удовлетворения глобального энергетического спроса чистыми и зелеными способами. Эта инициатива получила широкое одобрение и позитивные отклики со стороны международного сообщества. В марте 2016 года в Пекине была официально создана рабочая группа по развитию глобального энергетического Интернета, став первой международной организацией в сфере энергетики в Китае, первая партия членов включает 80 стран c пяти континентов. Энергетическая, информационная и транспортная сеть — интеграция этих трёх сетей рассматривается как неизбежная тенденция современного глобального развития. Информационная и транспортная сети уже реализуют глобальную связь, развитие энергетической сети заметно отстает.

С тех пор Китай пытается убедить мир построить высоковольтные магистрали, которые составят основу глобального энергетического интернета. Этот план обернуть планету сетью межконтинентальных линий электропередач практически ни к чему не привёл. Тем не менее, судьба так называемых суперсеток, меняется, пусть и не в том впечатляющем масштабе, который первоначально предполагался.

Highway to high voltage

Идея создания международных энергетических сетей для использования удалённых возобновляемых источников энергии не нова. В США в 1930-х годах было предложение построить электросеть от дамб на тихоокеанском северо-западе до потребителей в Южной Калифорнии, но проект был раскритикован и отвергнут. В 1961 году президент США Джон Кеннеди поручил реализовать масштабный проект с использованием новой шведской технологии HVDC (high-voltage direct current). Проект был реализован в тесном сотрудничестве General Electric со шведской ASEA и получил название Pacific DC Intertie.
Европа начала унифицировать свои энергосети в 1950-х годах, а в настоящее время крупнейшая унифицированная энергосеть UCTE обслуживает 24 страны.

Проводится серьёзная работа по унификации европейской сети UCTE с соседней Единой энергетической системой России и стран бывшего СССР. Если эта работа будет завершена, то эта масштабная энергосеть охватит 13 временных зон от Атлантического до Тихого океана.

Поскольку подобные энергосети охватывают огромные расстояния, а также из-за проблем с контролем, мощности для передачи больших объёмов электроэнергии остаются ограниченными. В концепциях SuperSmart Grid (Европа) и Unified Smart Grid (США) указываются основные технологические улучшения, необходимые для обеспечения стабильной работы и прибыльности таких трансконтинентальных мегасетей.

Китай обладает производственными и технологическими преимуществами в линиях электропередачи постоянного тока сверхвысокого напряжения и стал лидером в предложении глобальных технических стандартов. Если планы когда-либо будут реализованы, это даст преимущества, которые могут иметь большие геополитические последствия, предоставляя Китаю власть и влияние, аналогичные тем, которые получили США, сформировав глобальную финансовую систему после Второй мировой войны.

Суперсети до этого не были построены потому, что они дорогие, политически сложны и непопулярны — им приходится пересекать множество «дворов». Например, японские политики до сих пор не осмеливаются даже намекать на возможность того, что они могут добровольно подключить национальную энергетическую систему к китайской. Текущий японский энергетический план удвоит потоки электроэнергии между всё ещё изолированными внутренними сетями страны — потенциальное начало — но мало говорит о подключении к другим странам.

Климатические цели

И всё же не Китай вызывает возобновление интереса к ЛЭП, которые могут обеспечивать потребителей в одной стране электричеством, вырабатываемым за сотни, даже тысячи километров, в другой. Это связано с тем, что обязательства по обеспечению углеродной нейтральности, технологический прогресс и улучшенные стимулы к снижению затрат ускоряют широкое расширение производства возобновляемой энергии.

Прогнозируемые инвестиции

Угольные, газовые и даже атомные электростанции можно построить рядом с потребителями, которых они обслуживают, но солнечные и ветряные электростанции, которые, необходимы для достижения климатических целей — нет. Их нужно размещать там, где сильнее всего ветра и солнце, в сотнях или тысячах километров от городских центров.

Протяженные ЛЭП могут соединять пиковую дневную солнечную энергию в одном часовом поясе с пиковым вечерним спросом в другом, уменьшая волатильность цен, вызванную несоответствием спроса и предложения, а также потребность в резервных мощностях на ископаемом топливе, когда солнце или ветер исчезают.

По мере того, как развитые страны постепенно отказываются от углерода для достижения климатических целей, им придётся потратить не менее 14 триллионов долларов на укрепление энергосетей к 2050 году. Это лишь немного меньше прогнозируемых расходов на новые возобновляемые генерирующие мощности, и становится всё более очевидным, что линии постоянного тока высокого и сверхвысокого напряжения будут играть важную роль. Вопрос в том, насколько они будут интернациональными?

В апреле Европейский Союз создал рабочую группу, чтобы расширить свою сеть, которая уже является самой развитой международной системой торговли электроэнергией в мире. В феврале Дания объявила о планах построить искусственный энергетический остров стоимостью 34 миллиарда долларов, с конечной целевой мощностью в 10 ГВатт. Проект добавит две трети к общей существующей генерирующей мощности Дании, что слишком много для обслуживания только её внутреннего рынка.

Суперсеть Европы

Даже в США, которые среди развитых стран отстают от интеграции энергосистемы — как показало смертельное многодневное отключение электроэнергии в Техасе в феврале — интерес растёт. Предлагаются сценарии для трансконтинентальных линий HVDC для объединения трёх, всё ещё отдельных сетей США. При правильной инфраструктуре Нью-Йорк мог бы использовать богатые солнцем и ветром ресурсы Юга и Среднего Запада. Еще более амбициозная идея заключается в получении доступа к электроэнергии даже из Канады или чилийской пустыни Атакама, которая имеет самый высокий в мире уровень солнечной энергии на квадратный метр.

На развитие американской энергетической инфраструктуры выделены 100 миллиардов долларов для создания нового Управления по развертыванию сетей, «чтобы стимулировать дополнительные высокоприоритетные высоковольтные линии электропередачи» вдоль федеральных автомагистралей.

Обернуть планету проводами

На протяжении десятилетий Европа строила линии HVDC, чтобы обеспечить контролируемую подачу электроэнергии из сети переменного тока одной страны в другую: в 2018 году европейские страны продавали через границы 9% своей электроэнергии по сравнению с 2% в Северной и Южной Америке и 0,6% в Азии. Торговля имеет тенденцию к снижению цен за счёт усиления конкуренции. Это также повышает устойчивость, гарантируя, что в случае катастрофического выхода из строя энергосистемы одной страны она может просто использовать энергию других.

Но именно потребность в передаче электричества на большие расстояния сейчас вызывает большой интерес к суперсетям, поскольку стремление заменить ископаемое топливо возобновляемой энергией набирает обороты. Это особенно верно для морских ветряных электростанций, которые рассматриваются как ключевая область роста для возобновляемых источников энергии. Хотя преобразование переменного тока в постоянный и обратно на каждом конце кабеля является дорогостоящим, более низкие коэффициенты потерь означают, что линии электропередач постоянного тока высокого напряжения становятся экономичными на расстояниях более 500 миль (800 км) над землей и 31 мили (50 км) под землей (водой).

Hornsea 1, крупнейшая в мире оффшорная ветряная электростанция, находится в 120 километрах (75 милях) от побережья Великобритании. Dogger Bank, еще более крупный британский проект после завершения, будет на 5 миль дальше. А с развитием турбин на плавучих платформах есть несколько ограничений на то, насколько далеко ветряные электростанции могут быть выведены в море. В июне 2021 года Hitachi ABB Power Grids Ltd., крупный поставщик технологий HVDC, запустила новую линейку трансформаторов, разработанных специально для плавающих турбин.

В Hitachi ABB Power Grids, компании созданной в 2020 году, когда японская Hitachi купила 80% шведско-швейцарского электросетевого бизнеса ABB за 6,85 миллиарда долларов, не сомневаются, что спрос на преобразователи переменного тока в постоянный, производимые компанией, будет расти. «Нам нужно активно идти навстречу ветру, и в лучшие солнечные места — в пустыню в Чили или на север России в арктические ветровые зоны, где сильный ветер дует круглый год». В Великобритании ABB Hitachi прокладывает кабель из Йоркшира к одной из ветряных электростанций Доггер-Бэнк.

Пустыня Гоби в Монголии находится в центре суперсетевого проекта Северо-Восточной Азии, продвигаемого как Китаем, так и японским Институтом возобновляемой энергии. Теоретически Гоби может поставлять 2,6 ТВатт ветровой и солнечной энергии, что вдвое превышает установленную мощность генерирующих мощностей США. Потенциал Гоби остается в значительной степени нереализованным, отчасти потому, что в настоящее время слишком мало средств вложены для доставки производимой там электроэнергии за пределы крошечного рынка Монголии.

Чтобы суперсеть начала развиваться, Монголия должна показать, что может создавать возобновляемые источники энергии, может привлекать инвестиции и имеет соответствующую нормативно-правовую среду. Монголия ещё не прошла эти испытания. В 2020 году начались разработки новых мощностей по выработке электроэнергии для экспорта в Китай — но путем строительства новой угольной электростанции.

Солнечные станции в Гоби

В декабре Китай завершил строительство линии сверхвысокого напряжения постоянного тока протяженностью 970 миль и напряжением 800 киловольт за 3,45 миллиарда долларов, которая будет передавать солнечную и ветровую энергию с высокогорных равнин Тибета в центральную часть Китая. Это последовало за строительством ЛЭП на 1,1 Мегавольт, которые могут передавать до 12 ГВатт электроэнергии — больше, чем вся установленная генерирующая мощность Ирландии — от пустынь и гор провинции Синьцзян до порога Шанхая (2000 миль). (Высоковольтные кабели классифицируются от 500 кВ и выше, а сверхвысоковольтные — от 800 кВ и выше.)

Глобальные усилия по созданию суперсетей были возглавлены Глобальной организацией по развитию и сотрудничеству в области энергоснабжения (Geidco, Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization), поддерживаемой ООН организацией, базируемая в Пекине. Поэтапный план начинается с укрепления национальных сетей и переходу к созданию региональных сетей, прежде чем, наконец, примерно в 2070 году, завершится строительство полной 18-канальной сети, охватывающей всю Землю.

Государственная электросетевая корпорация Китая SGCC (State Grid Corp. of China), крупнейшая в мире энергокомпания, активно покупает зарубежные сети, что позволяет ей частично укрепить свои позиции на первом этапе. С 2008 года она приобрела до 85% акций компаний по распределению электроэнергии на Филиппинах, в Португалии, Австралии, Гонконге, Бразилии, Греции, Италии и в прошлом году в Омане. Другие китайские компании также покупают акции зарубежных сетей.

Если США ещё не озвучивали тех опасений по поводу безопасности, которые вызывают глобальные сетевые усилия, это связано с тем, что из 125000 км высоковольтных сетей Geidco, нанесённых на карту в отчете за 2019 год, построено очень мало. Исключением является первый этап соединения Пакистан-Китай, который должен быть запущен в конце 2021 года.

Суперсеть Северо-Восточной Азии пока остается настольным проектом. Инициатива Азиатского банка развития, охватывающая семь стран субрегиона Большого Меконга по торговле электроэнергией и межсетевым соединениям, с момента своего запуска в 1992 году продвигается медленно.

Выгода для России и СНГ

По подсчётам учёных, построение в Евразии системы, на 100% использующей «чистую» энергию, будет стоить примерно в два раза дешевле, чем постройка нужного количества атомных электростанций аналогичной суммарной мощности.

По утверждению специалистов, наиболее эффективной система будет при объединении как можно большего числа регионов Евразии в единую энергетическую систему. Чем больше энергосетей будут объединены в одну суперсеть, тем меньше будет потребность в буферных устройствах, предназначенных для накопления и хранения избыточной энергии.

По данным исследователей, мощность объединённых энергетических систем России и Центральной Азии составляет 388 ГВт, из которых на долю ветряной и солнечной энергии приходится всего 1,5 ГВт (менее 0,4%). По данным от 2008 года, суммарная мощность, на которую способны энергетические системы стран СНГ, находилась в районе 300 ГВт.

По расчётам учёных, кроме уменьшения общей стоимости системы по сравнению с использованием АЭС, примерно на 20% должна будет снизиться и конечная стоимость электроэнергии.

В настоящее время основу российской электроэнергетики составляют 600 электростанций суммарной мощностью 210 ГВт, работающих в составе ЕЭС России. Около 61% мощности обеспечивают тепловые электростанции, 21% — гидроэлектростанции, 17% — атомные. Менее 1% приходится на экспериментальные солнечные и ветряные электростанции.

Fiat Lux

Основным недостатком высоковольтной ЛЭП постоянного тока является необходимость преобразования типа тока из переменного в постоянный и обратно. Используемые для этого устройства требуют дорогостоящих запасных частей, так как, фактически, являются уникальными для каждой линии. В отличие от ЛЭП переменного тока, реализация мультитерминальных ЛЭП постоянного тока крайне сложна, так как требует расширения существующих схем до мультитерминальных. Управление перетоком мощности в мультитерминальной системе постоянного тока требует наличия хорошей связи между всеми потребителями.

Трансформатор сверхвысокого напряжения постоянного тока

Основным преимуществом высоковольтных ЛЭП постоянного тока является возможность передавать большие объёмы электроэнергии на большие расстояния с меньшими потерями, чем у ЛЭП переменного тока. В зависимости от напряжения линии и способа преобразования тока потери могут быть снижены до 3 % на 1000 км. Передача энергии по высоковольтной ЛЭП постоянного тока позволяет эффективно использовать источники электроэнергии, удалённые от энергоузлов нагрузки.

Линии электропередачи переменного тока могут связывать только синхронизированные электрические сети переменного тока, которые работают на той же самой частоте и в фазе. Много зон, которые желают поделиться энергией, имеют несинхронизированные электрические сети. Энергосистемы Великобритании, северной Европы и континентальной Европы не объединены в единую синхронизированную электрическую сеть. У Японии есть электрические сети на 60 Гц и на 50 Гц. Континентальная Северная Америка, работая на частоте 60 Гц, разделена на области, которые несинхронизированы: Восток, Запад, Техас, Квебек и Аляска. Бразилия и Парагвай, которые совместно используют огромную гидроэлектростанцию Итайпу, работают на 60 Гц и 50 Гц соответственно. Устройства HVDC позволяют связать несинхронизированные электрические сети переменного тока, а также добавить возможность управления напряжением переменного тока и потоком реактивной мощности.

На правах рекламы

Закажите сервер и сразу начинайте работать! Создание сервера в течение минуты!