Как транспортируется электроэнергия

Электроэнергия

Электрическая энергия играет в нашей жизни исключительную роль. Если в доме нет света, мы оказываемся практически беспомощны. Функционирование предприятий, средств транспорта, коммуникаций и прочих достижений цивилизации основано на использовании электроэнергии.

Электроэнергия обладает замечательными свойствами, которые и обеспечивают возможность её повсеместного применения.

• Простота производства. В мире функционирует огромное множество разнообразных генераторов электроэнергии.
• Передача на большие расстояния. Электроэнергия транспортируется по высоковольтным линиям электропередачи без существенных потерь.
• Преобразование в другие виды энергии. Электроэнергия легко преобразуется в механическую энергию (электродвигатели), внутреннюю энергию (нагревательные приборы), энергию света (осветительные приборы) и т. д.
• Распределение между потребителями. Специальные устройства позволяют распределять электроэнергию между потребителями с самыми разными «запросами» — промышленными предприятиями, городскими электросетями, жилыми домами и т. д.

Рассмотрим подробнее вопросы производства, передачи и потребления электрической энергии.

Производство электроэнергии

Среди генераторов электроэнергии наиболее распространены электромеханические генераторы переменного тока. Они преобразуют механическую энергию вращения ротора в энергию индукционного переменного тока, возникающего благодаря явлению электромагнитной индукции.

На рис. 1 проиллюстрирована основная идея генератора переменного тока: проводящая рамка (называемая якорем) вращается в магнитном поле.

Рис.1. Схема генератора переменного тока

Магнитный поток сквозь рамку меняется со временем и порождает ЭДС индукции, которая приводит к возникновению индукционного тока в рамке. С помощью специальных приспособлений (колец и щёток) переменный ток передаётся из рамки во внешнюю цепь.

Если рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной угловой скоростью , то возникающий переменный ток будет синусоидальным. Покажем это.

Выберем направление вектора нормали к плоскости рамки. Вектор , таким образом, вращается вместе с рамкой. Направление обхода рамки считается положительным, если с конца вектора этот обход видится против часовой стрелки.

Напомним, что ток считается положительным, если он течёт в положительном направлении (и отрицательным в противном случае). ЭДС индукции считается положительной, если она создаёт ток в положительном направлении (и отрицательной в противном случае).

Предположим, что в начальный момент времени векторы и сонаправлены. За время рамка повернётся на угол . Магнитный поток через рамку в момент времени равен:

где — площадь рамки. Дифференцируя по времени, находим ЭДС индукции:

Если сопротивление рамки равно , то в ней возникает ток:

Как видим, ток действительно меняется по гармоническому закону, то есть является синусоидальным.

В реальных генераторах переменного тока рамка содержит не один виток, как в нашей схеме, а большое число витков. Это позволяет увеличить в раз ЭДС индукции в рамке. Почему?

Объяснить это несложно. В самом деле, магнитный поток через каждый виток площади по-прежнему определяется выражением (1) , так что ЭДС индукции в одном витке согласно формуле (2) равна: . Все эти ЭДС индукции, возникающие в каждом витке, складываются друг с другом, и суммарная ЭДС в рамке окажется равной:

Сила тока в рамке:

где есть по-прежнему сопротивление рамки.

Кроме того, рамку снабжают железным (или стальным) сердечником. Железо многократно усиливает магнитное поле внутри себя, и поэтому наличие сердечника позволяет увеличить магнитный поток сквозь рамку в сотни и даже тысячи раз. Как следует из формул (2) и (3) , ЭДС индукции и ток в рамке увеличатся во столько же раз.

Передача электроэнергии

Электроэнергия производится в основном на тепловых электростанциях (ТЭС), гидроэлектростанциях (ГЭС) и атомных электростанциях (АЭС).

Роторы генераторов ТЭС вращаются за счёт энергии сгорающего топлива (чаще всего этим топливом является уголь). Экономически целесообразным является строительство ТЭС вблизи крупных угольных месторождений.

Роторы генераторов ГЭС приводятся во вращение энергией падающей воды. Поэтому ГЭС строятся на реках.

В любом случае возникает проблема передачи выработанной электроэнергии потребителям, находящимся за много километров от электростанций.

Электроэнергия транспортируется по проводам. Потери энергии на нагревание проводов должны быть сведены к минимуму. Оказывается, для этого нужно высокое напряжение в линии электропередачи. Покажем это.

Рассмотрим двухпроводную линию электропередачи, связывающую источник переменного напряжения u с потребителем П (рис. 2 ).

Рис.2. Передача электроэнергии по двухпроводной линии

Длина линии равна , так что общая длина проводов составит . Если — удельное сопротивление материала провода, — площадь поперечного сечения провода, то сопротивление линии будет равно:

Потребителю должна быть передана мощность с заданным действующим значением . Обозначим через и действующие значения напряжения в линии и силы тока. Если — сдвиг фаз между током и напряжением, то, как мы знаем из предыдущего листка, .

Часть мощности теряется на нагревание проводов:

Подставляя сюда выражения (4) и (5) , получим:

Мы видим из формулы (6) , что потеря мощности обратно пропорциональна квадрату напряжения в линии. Следовательно, для уменьшения потерь надо повышать напряжение при передаче. Вот почему линии электропередач являются высоковольтными. Например, Волжская ГЭС передаёт в Москву электроэнергию при напряжении киловольт.

Трансформатор

Генераторы электростанций имеют ЭДС порядка кВ. Как мы только что видели, для передачи электроэнергии на большие расстояния нужно повышать напряжение до нескольких сотен киловольт.

С другой стороны, напряжение бытовой электросети составляет В. Поэтому при доставке энергии обычному потребителю требуется понижение напряжения до сотен вольт.

Замечательно, что повышение и понижение напряжения в случае синусоидального переменного тока не представляет никаких сложностей. Для этого используются специальные устройства — трансформаторы.

Простейшая схема трансформатора приведена на рис. 3 . На замкнутом стальном сердечнике расположены две обмотки.

Первичная обмотка содержит витков; на неё подаётся входное напряжение . Это напряжение как раз и требуется преобразовать — повысить или понизить.

Вторичная обмотка содержит витков. К ней подсоединяется нагрузка, условно обозначенная резистором . Это — потребитель, для работы которого нужно преобразованное напряжение .

Режим холостого хода

Наиболее прост для рассмотрения холостой ход трансформатора, когда нагрузка отключена (ключ разомкнут).

Пусть напряжение на первичной обмотке меняется по закону косинуса с амплитудой :

Активное сопротивление первичной обмотки считаем очень малым по сравнению с её индуктивным сопротивлением. В таком случае, как мы знаем, сила тока в первичной обмотке отстаёт по фазе от напряжения на :

При этом трансформатор не потребляет энергию из сети, к которой он подключён.

Магнитный поток , пронизывающий витки первичной обмотки, пропорционален току и поэтому также меняется по закону синуса:

В каждом витке первичной обмотки возникает ЭДС индукции:

Следовательно, полная ЭДС индукции в первичной обмотке равна:

Стальной сердечник практически не выпускает магнитное поле наружу — линии магнитного поля почти целиком идут внутри сердечника. Магнитный поток в любом сечении сердечника одинаков; в частности, каждый виток вторичной обмотки пронизывает тот же самый магнитный поток . Поэтому в одном витке вторичной обмотки возникает та же ЭДС индукции , даваемая выражением (7) , а полная ЭДС индукции во вторичной обмотке равна:

Как видим, обе ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках меняются синфазно. Мгновенные значения ЭДС индукции относятся друг к другу как числа витков в обмотках:

Ввиду малости активного сопротивления первичной обмотки мы можем считать, что выполнено приближённое равенство:

(вспомните рассуждение из листка «Переменный ток. 1», раздел «Катушка в цепи переменного тока»). Так как цепь вторичной обмотки разомкнута и ток в ней отсутствует, имеем точное равенство:

Итак, . Следовательно, мгновенные значения напряжений в первичной и вторичной обмотках также меняются почти синфазно. С учётом равенства (10) получаем:

Величина называется коэффициентом трансформации. Отношение мгновенных значений напряжений в (12) можно заменить отношением действующих значений и :

Если , то трансформатор является понижающим. В этом случае вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная; потребитель получает меньшее напряжение, чем то, что поступает на вход трансформатора. На рис. 3 изображён как раз понижающий трансформатор.

Если же , то трансформатор будет повышающим. Вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, и потребитель получает напряжение более высокое, чем на входе трансформатора.

Режим нагрузки

Теперь рассмотрим вкратце работу нагруженного трансформатора, когда ключ на рис. 3 замкнут. В этом случае трансформатор выполняет свою прямую задачу — передаёт энергию потребителю, подключённому ко вторичной обмотке.

Согласно закону сохранения энергии, передача энергии потребителю возможна только за счёт увеличения потребления энергии из внешней сети. Так оно в действительности и происходит. Давайте попробуем понять, какие физические процессы приводят к этому.

Главное заключается в том, что ввиду малого омического сопротивления первичной обмотки сохраняется приближённое равенство (11) , т. е.

Напряжение задаётся внешней сетью, поэтому амплитуда ЭДС индукции остаётся прежней — равной амплитуде внешнего напряжения.

Но, с другой стороны, из выражения (8) мы знаем, что амплитуда величины равна .

Стало быть, при подключении нагрузки остаётся неизменной амплитуда магнитного потока , пронизывающего витки первичной и вторичной обмоток.

При холостом ходе магнитный поток порождался магнитным полем тока первичной обмотки (во вторичной обмотке тока не было). Теперь в создании магнитного потока участвуют два магнитных поля: поле тока первичной обмотки (оно создаёт поток ) и поле тока вторичной обмотки (оно создаёт поток ). Таким образом,

В отличие от тока , который «навязывается» первичной обмотке внешней сетью, ток — индукционный, и его направление определяется правилом Ленца: магнитное поле стремится уменьшить изменение суммарного магнитного потока . Но амплитуда этого потока, как мы уже говорили, остаётся той же, что и при холостом ходе. Как же так?

Очень просто — чтобы обеспечить неизменность величины , приходится увеличиваться магнитному потоку . Возрастает амплитуда тока первичной обмотки! Вот почему увеличивается потребление энергии из сети по сравнению с режимом холостого хода.

Первичная обмотка потребляет из сети мощность

(как и выше, в данной формуле фигурируют действующие значения мощности, напряжения и силы тока).

Нагрузка получает от вторичной обмотки мощность

Эта мощность является полезной с точки зрения потребителя. Отношение полезной мощности, получаемой нагрузкой, к мощности, потребляемой из сети — это КПД трансформатора:

Разумеется, — часть мощности теряется в трансформаторе. Потери мощности состоят из двух частей.

1. Так называемые «потери в меди», обозначаемые . Это мощность, расходуемая на нагревание первичной и вторичной обмоток:

Сколь бы малыми не были активные сопротивления и этих обмоток, они не равны нулю, и при больших токах с ними приходится считаться.

2. Так называемые «потери в стали», обозначаемые . Сюда относятся:

• Мощность, расходуемая на перемагничивание сердечника, т. е. на изменение ориентации элементарных токов под действием внешнего магнитного поля.

• Мощность, расходуемая на нагревание сердечника индукционными вихревыми токами (которые называются ещё токами Фуко). Эти токи возникают в сердечнике под действием вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Для уменьшения токов Фуко сердечники собираются из листов специальной трансформаторной стали, но полностью ликвидировать эти токи, конечно же, не удаётся.

Оказывается, потери в стали не зависят от нагрузки — они определяются только амплитудой магнитного потока, которая, как мы знаем, при любой нагрузке остаётся неизменной.

Таким образом, имеем:

и для КПД трансформатора получаем следующее выражение:

Если полезная мощность мала (недогрузка трансформатора), то и КПД мал. Действительно, числитель в (13) маленький, а знаменатель — не меньше постоянной величины потерь в стали .

Если полезная мощность чрезмерно велика(перегрузка трансформатора), то КПД опятьтаки мал. Дело в том, что в этом случае велики токи и в обмотках трансформатора, и, следовательно, большой величины достигают потери в меди .

Для трансформатора существует оптимальная (так называемая номинальная) нагрузка, на которую он рассчитан. При номинальной нагрузке оказывается, что КПД трансформатора близок к единице, т. е. , или, с учётом выражений для мощностей:

Кроме того, сдвиги фаз приближённо равны нулю, так что

Следовательно, при нагрузках, близких к номинальной, имеем:

где — введённый выше коэффициент трансформации. Например, у понижающего трансформатора , и при номинальной нагрузке ток в его вторичной обмотке в раз больше тока первичной обмотки.

На какие расстояния эффективно передавать электроэнергию?

Сторонники распределенной генерации полагают, что будущее энергетики состоит в использовании небольших генерирующих устройств каждым потребителем. Можно подумать, что столь привычные нам опоры ЛЭП доживают свои последние деньки. Попробую встать на защиту «старушек» ЛЭП и рассмотреть те плюсы, которые получает энергосистема при строительстве протяженных линий электропередачи.

Во-первых, транспорт электрической энергии напрямую конкурирует с транспортом топлива по железной дороге, нефте- и газопроводам. При их удаленности или отсутствии строительство линий электропередачи является единственным оптимальным решением для энергоснабжения.

Во-вторых, в электротехнике уделяется пристальное внимание резервированию мощности. Согласно правилам проектирования энергосистем, резерв должен обеспечивать работу энергосистемы при потере любого ее элемента. Сейчас этот принцип называется «N-1». Для двух изолированных систем суммарный резерв будет больше, чем для связанных, а меньший резерв — это меньшее количество денег, потраченных на дорогостоящее электрооборудование.

В-третьих, экономия достигается за счет более грамотного управления энергоресурсами. Атомные электростанции, гидроэлектростанции (за исключением малой генерации) по понятным причинам зачастую расположены в отдалении от крупных городов и поселений. Без линий электропередачи «мирный атом» и гидроэлектроэнергия не были бы использованы по их прямому назначению. Разветвленная энергосистема также позволяет оптимизировать загрузку и прочих видов электростанций. Ключ к оптимизации — управление очередью загрузки. Вначале загружаются электростанции с более дешевым производством каждого кВт*ч, затем уже электростанции с более дорогим. Не стоит забывать и о часовых поясах! Когда в Москве пик энергопотребления, в Якутске этот показатель невелик. Отдавая дешевую электроэнергию в разные часовые пояса, мы стабилизируем загрузку генераторов и сводим к минимуму издержки производства электричества.

Не стоит забывать и о конечном потребителе — чем больше у нас возможностей доставить до него электрическую энергию от разных источников, тем меньше вероятность, что когда-нибудь его энергоснабжение прервется.

К минусам построения разветвленной электросети можно отнести: сложное диспетчерское управление, трудную задачу автоматического управления и работы релейной защиты, появление необходимости дополнительного контроля и регулирования частоты передаваемой мощности.

Однако отмеченные недостатки не могут нивелировать положительный эффект от построения разветвленной энергосистемы. Развитие современных систем противоаварийного управления и компьютерных технологий постепенно упрощают процесс диспетчерского управления и увеличивают надежность электросетей.

Постоянный или переменный?

Существует два принципиальных подхода к передаче электроэнергии — использование переменного или постоянного тока. Не вдаваясь в подробности, отметим, что для небольших расстояний гораздо эффективнее использовать переменный ток. Но при передаче электроэнергии на расстояния свыше 300 км практичность использования переменного тока уже не так очевидна.

Связано это в первую очередь с волновыми характеристиками передаваемой электромагнитной волны. Для частоты 50 Гц длина волны составляет примерно 6000 км. Оказывается, что в зависимости от протяженности ЛЭП существуют физические ограничения на передаваемую мощность. Максимум мощности можно передать при длинах ЛЭП порядка 3000 км, что составляет половину длины передаваемой волны. К слову, этот же объем мощности передают по ЛЭП протяженностью в 10 раз меньше. При прочих размерах линий объем мощности может достигать всего лишь половины от данного значения.

В 1968 году в СССР был осуществлен уникальный и пока единственный в мире эксперимент по передаче мощности на расстояние 2858 км. Была собрана искусственно схема передачи, включающая в себя участки Волгоград-Москва-Куйбышев (ныне Самара)-Челябинск-Свердловск (ныне Екатеринбург) на напряжении 500 кВ. Опытным путем были подтверждены теоретические исследования длинных линий.

Из рекордсменов по протяженности можно выделить проложенную в Китае ЛЭП в 2200 км от восточной провинции Хами до города Чженчжоу (столица провинции Хэнань). Стоит отметить, что полный ее ввод в эксплуатацию намечен на 2014 год.

Также не стоит забывать о напряжении линий. Со школы нам знаком закон Джоуля-Ленца P = I? R, который постулирует, что потери электрической энергии зависят от значения электрического тока в проводе и от материала, из которого он изготовлен. Мощность, передаваемая по линиям электропередачи, есть произведение тока на напряжение. Чем выше напряжение, тем меньше ток в проводе и тем самым меньше уровень потерь электроэнергии при передаче. Отсюда следствие: если мы хотим передавать электроэнергию на большие расстояния, необходимо выбирать как можно большее напряжение.

При использовании переменного тока в протяженных ЛЭП возникает ряд технологических проблем. Главная проблема связана с реактивными параметрами линий электропередачи. Емкостное и индуктивное сопротивление проводов оказывают существенное влияние на потери напряжения и мощности при передаче, возникает необходимость поддержания уровня напряжения на должном уровне и компенсации реактивной составляющей, что достаточно ощутимо увеличивает стоимость прокладки километра провода. Высокое напряжение заставляет использовать большее количество гирлянд изоляции, а также накладывает ограничение на сечение провода. Все вместе увеличивает суммарный вес всей конструкции и влечет за собой необходимость использовать более устойчивые и сложные по своей конструкции опоры ЛЭП.

Этих проблем можно избежать, используя линии постоянного тока. Провода, используемые в линиях постоянного тока, дешевле и дольше служат при эксплуатации в связи с отсутствием частичных разрядов в изоляции. Реактивные параметры электропередачи не оказывают существенного влияния на потери. По линиям постоянного тока наиболее эффективно передавать мощность от генераторов, так как возможен выбор оптимальной скорости вращения ротора генератора, что повышает КПД его использования. Минусами использования линий постоянного тока является высокая стоимость выпрямителей, инверторов и различных фильтров для компенсации неизбежно появляющихся высших гармоник при преобразовании переменного тока в постоянный.

Но чем выше длина линии электропередачи, тем эффективнее использовать линии постоянного тока. Существует некоторая критическая длина ЛЭП, которая позволяет оценить целесообразность использования постоянного тока при прочих равных условиях. По данным американских исследователей для кабельных линий эффект ощутим при длинах более 80 км, но величина эта все время уменьшается при развитии технологий и удешевлении необходимых комплектующих.

Самая длинная линия постоянного тока в мире опять же расположена в Китае. Соединяет она ГЭС Сянцзяба (Xiangjiaba Dam) с Шанхаем. Ее длина составляет почти 2000 км при напряжении 800 кВ. Достаточно много линий постоянного тока находится в Европе. В России можно выделить отдельно вставку постоянного тока Выборг, соединяющую Россию и Финляндию, и высоковольтную линию постоянного тока Волгоград-Донбасс протяженностью почти 500 км и напряжением 400 кВ.

Холодные провода

Принципиально новый подход к передаче электрической энергии открывает явление сверхпроводимости. Вспомним, что потери электрической энергии в проводе зависят помимо напряжения еще и от материала провода. Сверхпроводящие материалы обладают почти нулевым сопротивлением, что теоретически позволяет передавать электрическую энергию без потерь на большие расстояния. Минусом использования данной технологии является необходимость постоянного охлаждения линии, что иногда приводит к тому, что стоимость системы охлаждения значительно превышает потери электрической энергии при использовании обычного не сверхпроводимого материала. Типовая конструкция подобной ЛЭП состоит из нескольких контуров: провод, который заключен в кожух с жидким гелием, опоясывающий их кожух из жидкого азота и менее экзотичная тепловая изоляция снаружи. Проектирование таких линий ведется ежедневно, но до практической реализации доходит не всегда. Самым успешным проектом можно считать линию, построенную American Superconductor в Нью-Йорке, а самым амбициозным проектом — ЛЭП в Корее, протяженностью около 3000 км.

Прощайте, провода!

Идеи не использовать провода вообще для передачи электрической энергии возникли уже достаточно давно. Разве не могут вдохновлять опыты, которые проводил Никола Тесла в конце XIX — начале XX века? По свидетельствам его современников, в 1899 году в Колорадо-Спрингс Тесла смог заставить загореться две сотни лампочек без использования каких-либо проводов. К сожалению, записей о его работах почти не осталось, и повторить подобные успехи смогли лишь спустя сотню лет. Технология WiTricity, разработанная профессором MIT Марином Солячичем, позволяет передавать электрическую энергию без использования проводов. Идея заключается в синхронной работе генератора и приемника. При достижении резонанса возбуждаемое переменное магнитное поле излучателем в приемнике преобразуется в электрический ток. В 2007 году был успешно проведен эксперимент подобной передачи электроэнергии на расстояние в несколько метров.

К сожалению, современный уровень развития технологий не позволяет эффективно использовать сверхпроводящие материалы и технологию беспроводной передачи электрической энергии. Линии электропередачи в привычном для нас виде будут еще долго украшать поля и окраины городов, но даже их правильное использование позволяет принести существенную выгоду для развития всей мировой энергетики.

На какие расстояния эффективно передавать электроэнергию?

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.

Принцип передачи

Передается электроэнергия благодаря возникновению и передачи тока. Он, в свою очередь, образуется благодаря напряжению. Мощность — это произведение показателя напряжения на электроток. Поэтому при увеличении напряжения, необходимо уменьшение передаваемого тока и уменьшения проводного сечения, которое нужно, чтобы передавать данную мощность и удешевить линию.

Принцип передачи

Классификация линий электропередач

Беспроводная передача электроэнергии

Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.

По классу напряжению ЛЭП бывают:

• низковольтные, до 1 кВ;
• высоковольтные, свыше 1 кВ.

По назначению:

• Межсистемные линии с напряжением от 500 кВ и выше;
• Магистральные, 220-500 кВ;
• Распределительные, 110-220 кВ;
• Линии 35 кВ для питания сельхоз потребителей;
• ЛЭП 1-20 кВ, используемые в пределах одного населённого пункта.

Род электрического тока в ЛЭП подразделяются на:

• переменный (практически все линии);
• постоянный ток (встречается редко, в основном 3,3 кВ контактной сети железной дороги).

Способы передачи электроэнергии

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.

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.

Сущностные особенности работы устройства

Мощность катушки Тесла заключается в процессе, называемом электромагнитной индукцией. То есть, изменяющееся поле создает потенциал. Он заставляет протекать ток. Когда электричество течет через катушку провода, он генерирует магнитное поле, которое заполняет область вокруг обмотки определенным образом. В отличие от некоторых других экспериментов с высоким напряжением, катушка Тесла выдержала множество проверок и проб. Процесс был достаточно трудоемким и длительным, но результат был успешным, потому и удачно запатентован ученым. Создать подобную катушку можно при наличии определенных составляющих. Для реализации потребуются следующие материалы:

1. длина 30 см ПВХ (чем больше, тем лучше);
2. медная эмалированная проволока (вторичный провод);
3. березовая доска для основания;
4. 2222A транзистор;
5. подсоединение (первичный) провод;
6. резистор 22 кОм;
7. переключатели и соединительные провода;
8. аккумулятор 9 вольт.

Схема передачи энергии от электростанции до потребителя

Что такое коммерческий учет электроэнергии

Главная электростанция (1) вырабатывает напряжение порядка 10-12 кВ. Затем оно повышается с помощью трансформатора (2) до более высокого уровня: 35, 110, 220, 400, 500 или 1150 кВ. После по кабельной или воздушной линии (3) энергия передаётся на расстояния от единиц до тысяч километров и попадает на понижающую подстанцию. На ней также установлен трансформатор (4), который преобразует сотни киловольт снова в 10-12 тысяч вольт. Далее следует ещё один каскад понижения до 380/220 В (5). Это напряжение является конечным и раздаётся по потребителям (6), т.е. жилым домам, больницам и т.д.

Транспортировка электрической энергии

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.

Согласование сопротивлений

Значение тока в цепи будет определяться законом Ома для полной цепи:

Обычно внутренним сопротивлением источника можно пренебречь, поскольку оно намного меньше сопротивлений проводов и нагрузки:

Так, ЭДС источника можно определить по соотношению:

Умножим полученное выражение на величину тока:

Каждое из слагаемых в полученном выражении имеет определенный смысл. Так, в левой части равенства стоит мощность сторонних сил

или
мощность источника
. Первое слагаемое в правой части равенства представляет собой мощность, передаваемую потребителям, –
полезную мощность
. Второе слагаемое –
потеря мощности
.

При передаче электроэнергии важно максимально увеличить полезную мощность, сведя к минимуму при этом потери. Попытаемся этого достичь. Зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки (рис. 2) имеет вид:

Рис. 2. График зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки

Можно показать, что полезная мощность как функция сопротивления нагрузки будет иметь максимум при условии равенства сопротивления нагрузки и сопротивления подводящих проводов – согласование сопротивлений

Если сопротивление источника сопоставимо с сопротивлением проводов, то условие максимума полезной мощности будет представлять собой равенство сопротивления нагрузки и суммы сопротивлений проводов и источника. Таким образом, потребителю доставляется максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно сумме сопротивлений подводящих проводов и источника.

Пропускная способность линий электропередач

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.

Микроволны

Микроволны — специальные линии, имеющие длину в 12 сантиметров и частоту в 2,45 гигагерц, которые прозрачны для атмосферы. Вне зависимости от погоды, потеря энергии будет равна 5%. Вначале необходимо преобразование электротока в микроволны, потом их обнаруживание и возвращение в первое состояние. Первая проблема была решена благодаря постановке магнетрона, а вторая — благодаря ректенны или специальной антенны.

Вам это будет интересно Особенности ШДУП У4

Микроволновая передача энергии

Потери электроэнергии

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

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

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

Передача электричества на дальние расстояния

Если передача электрической энергии осуществляется на дистанции в сотни километров, то используют воздушные линии. Их строительство обходится существенно дешевле, в сравнении с кабельными, укладываемыми под землю. ЛЭП способны объединять в общую сеть соседние страны. Помимо этого, они проще в эксплуатации, ведь провода находятся под открытым небом. Этот фактор упрощает осмотр технического состояния линии и позволяет заблаговременно спрогнозировать её неисправности.

Возведение ЛЭП 750 000 вольт

Преимущества беспроводной передачи

В чем заключаются преимущества? Плюсы:

• сокращаются расходы, связанные с поддержанием прямых соединителей (например, в традиционном промышленном скользком кольце);
• большее удобство для зарядки обычных электронных устройств;
• безопасная передача в приложения, которые должны оставаться герметически закрытыми;
• электроника может быть полностью скрыта, что снижает риск коррозии из-за таких элементов как кислород и вода;
• надежная и последовательная подача питания на вращающееся, высокомобильное промышленное оборудование;
• обеспечивает надежную передачу мощности в критически важные системы во влажной, грязной и движущейся среде.

Независимо от приложения, ликвидация физического соединения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционными разъемами питания кабеля.

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.

Как электричество попадает к нам в дом. От электростанции до квартиры

Электроэнергия является неотъемлемой частью нашей жизни. Каждый день мы, не задумываясь, используем множество бытовых электроприборов, не говоря уже о производстве. А откуда берется так необходимая нам электроэнергия? Ответ на этот вопрос знают даже дети: ее производят электростанции. А вот как она поступает от электростанции к нам, потребителям, знают не все. На этот вопрос мы постараемся ответить в нашей статье.

Итак, начнем с электростанций. Все знают основные виды электростанций: АЭС, ГЭС, ТЭС. Многие наверняка слышали о существовании дизельных генераторных установок и миниэлектростанций, которые все чаще используются на строительных площадках, в качестве защиты от обесточивания в больницах, а также могут обеспечить электроэнергией частный дом и т.д. В Европе для получения электроэнергии используют также энергию ветра и солнечную энергию. Ученые всего мира также работают над альтернативными видами электроэнергии, такими как реакция синтеза, электростанции на биомассе.

В нашей стране на сегодняшний день основными источниками электроэнергии являются АЭС, ГЭС и ТЭС. Более половины электроэнергии производят тепловые электростанции. Чаще всего такие электростанции располагаются в местах добычи топлива. В городах могут также использоваться теплоэлектроцентрали, которые обеспечивают город не только электроэнергией, но и горячей водой и теплом. Наиболее дешевую электроэнергию производят гидроэлектростанции.

Атомные электростанции – наиболее современные. Одним из важнейших преимуществ является тот факт, что они не привязаны к источнику сырья, а, следовательно, могут быть размещены практически в любом месте. АЭС также не загрязняют окружающую среду, при условии учета всех природных факторов и выполнения требований к их постройке.

Но вот у нас есть электростанция, которая производит электроэнергию. Что же происходит дальше? А дальше электроэнергия с электросъёмных шин и кабелей подаётся в электрическую часть электростанции, которая бывает открытого, закрытого и комбинированного типа. В электрочасти находится диспетчерский пункт управления электростанцией, автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП), коммутационные аппараты, релейная защита, контрольно — измерительные приборы и сигнализации, высоковольтные повышающие и понижающие трансформаторы, высоковольтные выключатели, сборные шины и автотрансформаторы. После преобразования энергии электричество подаётся на высоковольтную линию электропередач (ВЛЭП). Линии электропередач, предназначенные для транспортировки электроэнергии на большие расстояния, должны иметь большую пропускную способность и малые потери, и состоят из проводов, опор, крепёжной арматуры, грозозащитных тросов, а также вспомогательных устройств.

По своему назначению ЛЭП подразделяются на сверхдальние, магистральные и распределительные. Основными элементами воздушных линий электропередач являются металлические опоры, которые устанавливаются на определенном расстоянии друг от друга. Они бывают анкерными, промежуточными и угловыми. Анкерные опоры устанавливают в начале и конце линии электропередач, а также в местах перехода инженерных сооружений или естественных преград. Промежуточные опоры устанавливаются на прямых участках и предназначены для поддержки проводов с допустимым провисанием 6-8 метров в населённой местности, и 5-7 метров — в не населённой.

Угловые опоры устанавливаются на углах поворота линии электропередач. Специальные транспозиционные опоры устанавливаются для изменения порядка расположения проводов на опорах, а так же для ответвления проводов от магистральной линии ВЛЭП. Для передачи электроэнергии в высоковольтных линиях электропередач применяются неизолированные провода, изготовленные из алюминия и сталеалюминия следующих марок: АН, АЖ, АКП (алюминиевые) и ВЛ, АС, АСКС, АСКП, АСК (сталеалюминевые). Провода к опорам крепятся при помощи поддерживающих или натяжных изоляторов, которые монтируются на опору подвесным способом, и крепёжной арматуры. В свою очередь изоляторы бывают фарфоровые, с покрытием из глазури, стеклянные, из закалённого стекла, и полимерные, из специальных пластических масс. Для защиты линии электропередач от молнии на опорах натягиваются грозозащитные тросы, устанавливаются разрядники, а опоры заземляются. Так как линия обычно тянется на большое расстояние, то во избежание потерь напряжения используются промежуточные подстанции с повышающими трансформаторами.

Для дальнейшего распределения электроэнергии к магистральным ВЛЭП подключаются распределительные подстанции, которые в свою очередь раздают электроэнергию на понижающие подстанции. При распределении электроэнергии от подстанции к КТП может использоваться 2 типа прокладки кабелей: воздушный и под землей. При воздушной прокладке обычно используют алюминиевые или сталемедные неизолированные провода, которые подвешиваются на опорах. При подземной прокладке используется силовой кабель с медными или алюминиевыми токопроводящими жилами и броней, которая обеспечивает надежную защиту от механических воздействий. К кабелям такого типа относятся марки, предназначенные для эксплуатации на напряжение до 35 кВ, например, АСБл или СБЛ (6-10 кВ), ПвПБВ или АПвПгТ (10-35 кВ). Если трансформаторная подстанция находится на большом расстоянии, то использование силового кабеля будет экономически не выгодным, в таком случае используется воздушная прокладка.

От понижающей подстанции по линиям электропередач энергия распределяется между КТП, которые разделяются на мачтовые и киосковые (проходные и тупиковые). Комплектные трансформаторные подстанции осуществляют понижение напряжения с 10(6) до 0,4 кВ переменного тока частотой 50 Гц и предназначены для подачи электроэнергии в частные дома, отдельные населенные пункты или небольшие промышленные объекты. В мачтовых трансформаторных подстанциях ввод и вывод кабеля осуществляется при помощи воздушных линий. КТП киоскового типа служат для тех же целей, но устанавливаются в простейшую бетонную площадку и имеют серьезное преимущество – они позволяют осуществлять ввод и отвод, как воздушным путем, так и под землей.

Для отвода воздушных линий используется самонесущие алюминиевые изолированные провода СИП, которые подвешиваются на деревянных или бетонных опорах при помощи монтажной арматуры. Такой способ прокладки распределительной линии используется в частных секторах, гаражных кооперативах или там где необходимо запитать большое количество потребителей находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Для прокладки подземных линий используется силовой кабель с алюминиевыми или медными жилами, с изоляцией из различных материалов, экранированный, бронированный, с защитным покровом или без него. В зависимости от способа прокладки могут использоваться различные марки кабеля. Для прокладки в специальных двустенных гофрированных трубах могут использоваться силовые кабели без защитного покрова и брони, такие, как АВВГ или ВВГ. Для прокладки в траншеях используются кабели с броней и защитными покровами, которые имеют хорошую защиту от физического и механического воздействия. Это такие кабели как АВБбШв и ВБбШв (с броней и защитным покровом) или АВВБГ и ВВБГ (с броней без защитного покрова). Кроме того, в зависимости от характера блуждающих токов, могут использоваться силовые кабели с различными видами экранов, которые предназначены для прокладки, как в траншеях, так и в защищенных трубах. К таким кабелям относятся марки АПвЭгП или АПвАШв.

От трансформаторной подстанции электроэнергия по выбранным проводам передается на распределительные пункты, которые находятся в специально отведенных для этого комнатах (щитовых). В щитовых устанавливаются распределительные устройства, которые не только обеспечивают передачу электроэнергии в квартиры, но также осуществляют запитку этажного и аварийного освещения, лифтов, систем вентиляции, кондиционирования и систем безопасности. Распределение от электрощитовой до этажных щитов, осуществляется при помощи кабелей, которые согласно условиям пожарной безопасности должны не распространять горение и иметь низкие показатели дымо- и газовыделения. К таким маркам кабелей можно отнести АВВГнг-LS (алюминиевые токопроводящие жилы), ВВГнг-LS (медные жилы). Для прокладки магистральной линии используется лоток лестничный и специальные крепежные скобы, которые обеспечивают сохранность кабеля на весь срок службы. Кроме того, для подвода питания от щитовой на этажные щиты может применяться шинопровод, который имеет ряд плюсов по сравнению с кабельной магистральной линией. К ним можно отнести удобство монтажа (секции без особых проблем собираются и монтируются в нишу), меньшие габариты по сравнению с кабельной линией (секции состоят из медных или алюминиевых шин, которые зачищены металлическим корпусом), удобство дальнейшей эксплуатации. И, наконец, от этажных щитов электроэнергия поступает на счетчик либо щит учетно-распределительный щит квартиры.