Потребители электроэнергии есть повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливо и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.
• Введение
• Передача электроэнергии
• Опыты передачи энергии
• Развитие техники передачи электроэнергии на большие расстояния
• Передача энергии постоянным током
• Передача энергии переменным током
• Развитие кабельных и воздушных линий
• Энергосберегающая и ресурсосберегающая технология передачи электрической энергии на большие расстояния
• Современные способы передачи электроэнергии на расстояние и проблемы этого способа
• Заключение
• Список литературы
Файлы: 1 файл
Потребители электроэнергии есть повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливо и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Передача энергии связана с заметными потерями. Дело в том, что при передаче электроэнергии по проводам часть электрической энергии теряется, расходуется на нагревание проводников. Потери можно несколько уменьшить, увеличивая сечения проводов, сокращая тем самым их сопротивление. Кроме тепловых потерь, в линии возможны потери вследствие излучения радиоволн проводами длинной линии. Эти потери проявляют тем сильней, чем больше отношение расстояния между проводами к длине волны. Для уменьшения потерь на излучение применяют металлические трубы, называемые волноводами.
Однако, идя таким путем, нельзя разрешить проблему экономичности передач большой мощности. Это сильно тормозило и продолжает тормозить развитие промышленности, транспорта, поскольку потребность в электроэнергии постоянно увеличивается. Удовлетворить эту потребность можно с помощью строительства новых мощных электростанций. Однако строительство новой электростанции требует несколько лет и больших затрат. При этом тепловые электростанции потребляют невозобновляемые природные ресурсы: уголь, нефть и газ. Одновременно они наносят ущерб экологическому равновесию на нашей планете.
Я хочу рассмотреть возникновение и развитие, а так же проблемы передачи энергии на большие расстояния.
Передача электроэнергии от электростанции к потребителям — одна из важнейших задач энергетики. Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока.
Необходимость передачи энергии на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории. Тенденция к концентрации мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии. Размещение мощных электростанций производится с учётом целого ряда факторов, таких, например, как наличие энергоресурсов, их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия, возможность работы в составе единой энергосистемы и т.п. Часто такие электростанции оказываются существенно удалёнными от основных центров потребления электроэнергии.
От эффективности передачи энергии на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.
Качество электроэнергии определяется надёжной и устойчивой работой электропередачи, что обеспечивается, в частности, применением компенсирующих устройств и систем автоматического регулирования и управления
В последней трети XIX века во многих крупных промышленных центрах Европы и Америки стала очень остро ощущаться энергетическая проблема. Жилые дома, транспорт, фабрики и мастерские требовали все больше топлива, подвозить которое приходилось издалека, вследствие чего цена на него постоянно росла. В этой связи то здесь, то там стали обращаться к гидроэнергии рек, гораздо более дешевой и доступной. Вместе с тем повсеместно возрастал интерес к электрической энергии. Уже давно было отмечено, что этот вид энергии чрезвычайно удобен: электричество легко генерируется и так же легко преобразуется в другие виды энергии, без труда передается на расстояние, подводится и дробится.
Первые электрические станции обычно представляли собой электрогенератор, присоединенный к паровой машине или турбине, и предназначались для снабжения электроэнергией отдельных объектов (например, цеха или дома, в крайнем случае. квартала). С середины 80-х годов стали строиться центральные городские электростанции, дававшие ток прежде всего для освещения. (Первая такая электростанция была построена в 1882 году в Нью-Йорке под руководством Эдисона.) Ток на них вырабатывался мощными паровыми машинами. Но уже к началу 90-х годов стало ясно, что таким образом энергетическую проблему не разрешить, поскольку мощность центральных станций, расположенных в центральной части города, не могла быть очень большой. Использовали они те же уголь и нефть, то есть не снимали проблемы доставки топлива.
Дешевле и практичнее было возводить электростанции в местах с дешевыми топливными и гидроресурсами. Но, как правило, местности, где можно было в большом количестве получать дешевую электроэнергию, были удалены от промышленных центров и больших городов на десятки и сотни километров. Таким образом, возникла другая проблема — передачи электроэнергии на большие расстояния.
Опыты передачи энергии
Первые опыты в этой области относятся к самому началу 70-х годов XIX века, когда пользовались в основном постоянным током. Они показали, что как только длина соединительного провода между генератором тока и потреблявшим этот ток двигателем превышала несколько сотен метров, ощущалось значительное снижение мощности в двигателе из-за больших потерь энергии в кабеле. Это явление легко объяснить, если вспомнить о тепловом действии тока. Проходя по кабелю, ток нагревает его. Эти потери тем больше, чем больше сопротивление провода и сила проходящего по нему тока. Имелось только два пути для снижения потерь в линии электропередачи: либо увеличить сечение передающего провода, либо повысить напряжение тока. Однако увеличение сечения провода сильно удорожало его, ведь в качестве проводника тогда использовалась достаточно дорогая медь. Гораздо более выигрыша сулил второй путь.
Создание экономичных машин постоянного тока и начальные шаги в развитии электрического освещения и электрического привода не могли бы внести кардинальных изменений в производственную практику, если бы не была решена другая краеугольная задача электроэнергетики — передача электрической энергии на расстояние.
В 70—80-х годах XIX в. эта проблема стала актуальной в связи с возникновением крупных промышленных предприятий. Сама по себе потребность в способах передачи энергии к потребителям, удаленным от источников механической энергии, существовала и так или иначе разрешалась задолго до появления первых электростанций. Так, посредством проволочных канатов удавалось достигнуть дальности передачи до 120 м, а при устройстве промежуточных, блоков — до 5 км. Неоднократно предпринимались попытки использовать для передачи энергии сжатый воздух и гидравлическое давление, но ни тот ни другой принцип не мог лечь в основу обеспечения механической: энергией фабрично-заводского производства в широком масштабе.
Надежды изобретателей обратились к новому виду энергии — к электричеству. Первые опыты передачи электрической энергии на расстояние относятся к началу 70-х годов. В 1873 г. французский физик И. Фонтен демонстрировал на Венской международной выставке свойство обратимости электрических машин: приводил в действие двигатель (машину Грамма) от генератора (такой же машины Грамма). Двигатель и генератор соединялись между собой кабелем длиной в 1 км. Таким образом была доказана принципиальная возможность передачи механической энергии на относительно большое расстояние путем двойного преобразования энергии: механической в электрическую на генераторном конце и электрической в механическую — у потребителя. Экономическая целесообразность такого принципа еще не была тогда доказана.
Начиная с 1874 г. в течение нескольких лет русский военный инженер Ф. А. Пироцкий, стремясь доказать экономичность «электрической передачи силы», провел серию опытов, используя проводники большого сечения — заброшенную ветку Сестрорецкой железной дороги.
Прогрессивный путь решения проблемы передачи электрической энергии нашли в 1880 г. французский ученый М. Депре и русский физик Д. А. Лачинов. Математическим анализом существа физических процессов в системе генератор—линия—двигатель они показали, что эффективность электропередачи может быть достигнута при увеличении напряжения в линии.
Теоретический вывод, подытоживший эмпирические знания в области электрических машин и электрических цепей, послужил надежной платформой для последующих технических решений. В 1882 г. Депре построил первую опытную электропередачу Мисбах — Мюнхен протяженностью 57 км, напряжением постоянного тока 1,5—2 кВ; КПД не превышал 0,22 % .Первый практический шаг еще не дал благоприятных результатов, но он стал отправным пунктом для последующих работ. На новой опытной установке Вазиль — Гренобль 1883 г. энергия, переданная в Гренобль (примерно 7 л. с), использовалась для привода нескольких печатных и других машин. КПД передачи был равен 62%.
Ф. Энгельс с исключительной прозорливостью оценил открытие Депре, громадное значение нового технического направления, увидев в нем не только зародыш будущего освобождения промышленности «почти от всяких границ, полагаемых местными условиями», но и источник глубочайших социальных изменений.
Опыты передачи энергии большого масштаба были осуществлены в 1885 г.; напряжение линии передачи длиной в 56 км (между Крейлем и Парижем) достигло 6 кВ. Тогда это было предельным напряжением для машин постоянного тока по условиям изоляции и коммутации.
Вскоре была осуществлена передача постоянного тока на более высокое напряжение — до 12 кВ. Однако электропередачи постоянного тока столь высокого напряжения были единичными. Трудности создания машин высокого напряжения и преобразования тока высокого напряжения в ток низкого напряжения у потребителей заставили обратиться к исследованию свойств переменных токов.
Вскоре была разрешена главная энергетическая проблема конца XIX века — проблема централизации производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния. Для всех стал ясен способ, каким многофазный ток мог быть подведен от далекой электростанции к каждому отдельному цеху, а потом и отдельному станку. Ближайшим следствием возникновения техники многофазного тока явилось то, что в последующие годы во всех развитых странах началось бурное строительство электростанций и широчайшая электрификация промышленности.
Правда, в первые годы она еще осложнялась ожесточенной борьбой между конкурирующими компаниями, стремившимися внедрить тот или иной тип тока. Так, в Америке сначала взяла вверх компания Вестингауза, которая, скупив патенты Теслы, старалась распространить двухфазный ток. Триумфом двухфазной системы стало строительство в 1896 году мощной ГЭС на Ниагарском водопаде. Но трехфазный ток вскоре повсеместно был признан наилучшим. Действительно, двухфазная система требовала проведения четырех проводов, а трехфазная только трех. Кроме большей простоты, она сулила значительную экономию средств. Позже Тесла, по примеру Доливо-Добровольского, предложил объединять два обратных провода вместе. При этом происходило сложение токов, и в третьем проводе тек ток примерно в 1, 4 раза больший, чем в двух других. Поэтому сечение этого провода было в 1, 4 раза больше (без этого увеличения сечения в цепи возникали перегрузки).
В результате затраты на двухфазную проводку все равно оказывались больше, чем на трехфазную, между тем как двухфазные двигатели по всем параметрам уступали трехфазным. В XX веке трехфазная система утвердилась повсеместно. Даже Ниагарская электростанция была со временем переоборудована на трехфазный ток.
Развитие техники передачи электроэнергии на большие расстояния
Характерным в развитии электропередачи всегда являлись: увеличение передаваемых мощностей, протяженности линий и как следствие — увеличение напряжения.
Повышение этих параметров на каждом новом этапе ставило новые и более сложные задачи перед учеными и инженерами, перед конструкторами электрических машин, линейных устройств и коммутационной аппаратуры.
Практически возможными являлись два метода электропередачи -постоянным или переменным токами. Оба эти метода с различными успехами разрабатывались на протяжении всей истории электроэнергетики.
Основными средствами передачи электрической энергии являлись воздушные и кабельные линии со всем необходимым оборудованием.
Передача энергии постоянным током
В развитии электропередачи постоянным током можно выделить два основных направления:
-получение высокого напряжения без преобразования рода тока;
-использование преобразовательной техники.
Наибольших достижений в развитии техники передачи электроэнергии постоянным током удалось добиться швейцарскому инженеру Рэне Тюри.
Он реализовал идею Фонтена, введя небольшое усовершенствование: выходившая из строя электрическая машина специальным автоматом отсоединялась от линии, а концы последней соединялись между собой. На приемном конце линии сооружалась подстанция, на которой последовательно включались двигатели. Каждый из этих двигателей приводил в действие генератор низкого напряжения. Таким образом, «система Тюри» представляла собой линию высокого напряжения, присоединенную своими концами к двум системам последовательно включенных машин.
Первая электропередача по системе Тюри была осуществлена в Генуе в 1893 г. Она работала сначала на напряжении 5-6, затем 10 и даже 14 кВ при мощности 325 кВт. Общая длина линий достигала 60 км.
Опытами передачи по системе Тюри завершилось первое направление в развитии электропередачи постоянным током.
Второе направление возникло в 1918 г. К этому времени уже успешно действовала мощная 3-х фазная электропередача высокого напряжения (до 150 кВ).
Но уже к концу второго десятилетия текущего столетия наметились контуры новой и весьма неожиданной проблемы. Дело в том, что при значительных расстояниях передачи при высоком напряжении начинала существенно сказываться емкостная проводимость линий и значительно возрастал емкостной ток. При передачи энергии на расстояние более 300 — 500 км этот емкостной ток уже трудно было компенсировать.
Передача электрической энергии на расстояние
Электрическая энергия является ценным энергоресурсом, что обуславливает ее использование при преобразованиях в другие виды энергии, а также передачу ее потребителям на любые расстояния.
Как известно, электроэнергию вырабатывают на электростанциях и передают потребителям на большие расстояния с помощью линий электропередачи (ЛЭП). Но при передаче электрической энергии по проводам часть энергии тратится на нагревание проводов линий электропередачи.
Теплота (Q), выделяемая током в проводнике, определяется по формуле закона Джоуля — Ленца: Q = I 2 Rt .
Очевидно, чтобы уменьшить потери тепловой энергии в проводах, нужно либо уменьшать силу тока, либо уменьшать сопротивление.
Сопротивление проводника вычисляется по формуле: R = ρ l S .
Объединив эти формулы, получим следующее выражение: Q = I 2 ρ l S t .
Чтобы уменьшить сопротивление линии, используют провода, изготовленные из материала с малым удельным сопротивлением (обычно медь или алюминий), и увеличивают их поперечное сечение. Однако этот путь малоэффективен — провода должны иметь малую массу. Противоречия в требованиях массы малой массы и малого удельного сопротивления с большим поперечным сечением не нашли своего решения. Поэтому используют высоковольтные линии передач.
Обрати внимание!
Для уменьшения силы тока при сохранении мощности ((P = IU)) повышают напряжение, т. е. ток трансформируют.
Для этого на территории электростанции устанавливают повышающие трансформаторы .
Электроприборы в домах рассчитаны на напряжение, отличающееся от передаваемого по ЛЭП. Поэтому существуют подстанции, на которых напряжение понижается до потребительского значения ((220) В).
Передача электроэнергии на большие расстояния
Передача новостей на большие расстояния всего пару сотен лет назад казалась чем-то из области фантастики. Время почтовых голубей, издревле использовавшихся римлянами, персами, и египтянами, прошло после изобретения телеграфной связи. С уверенностью можно сказать, что с передачей энергии на большие дистанции в те же периоды истории дела обстояли гораздо хуже. Проводники с высоким сопротивлением, низкое напряжение, серьезная коммерческая борьба за использование постоянного тока – лишь некоторые из факторов, тормозивших развитие электрических систем и сетей.
Ни для кого не секрет, что энергетику можно назвать достаточно консервативной отраслью. Если сравнивать скорость развития тепло- и электроэнергетики с прогрессом в информационных технологиях за одинаковые периоды времени, то разница чувствуется особенно резко. Окружающие нас сенсорные дисплеи с ультравысоким разрешением, искусственный интеллект, повсеместный и универсальный доступ к сети Интернет заметно развились с начала этого столетия. Однако опоры линий электропередачи (ЛЭП) до сих пор несут на себе тысячи километров сталеалюминиевыех проводов, перегрузки предотвращаются автоматическими выключателями, не сильно изменившимися за последние 70 лет. Суперпроводники, работающие при комнатной температуре, так и остались артефактами на страницах научных журналов и научно-популярной литературы. Чем же вызвана кажущаяся неповоротливость энергетики? Какие факторы на это влияют? И как вообще происходит передача электроэнергии на большие расстояния? Обо всем по порядку.
Как отмечалось выше, исторически сложилось, что изначально сторонников передачи электричества с использованием постоянного тока было больше. Такой перевес не был обусловлен точными расчетами, имела место пропаганда в СМИ и реклама. Почему же сейчас в контексте передачи электроэнергии мы слышим лишь о переменном токе?
Все начинается с электростанций. И для производителей, и для потребителей электроэнергии экономически выгодно иметь один централизованной источник энергии, а не множество разрозненных. От таких центров питания финансово целесообразно прокладывать ЛЭП к потребителям. Как известно, мощность (а в каждый момент времени по проводам передается именно мощность) равна произведению напряжения на ток. Для получения одной и той же мощности можно либо увеличить ток и снизить напряжение, либо сделать наоборот.
Случай с низким напряжением и высоким током очень неэффективный, при такой стратегии потери электроэнергии на длинных ЛЭП могут составлять 60 и более процентов. Случай с высоким напряжением и низким током гораздо более выгодный. При использовании постоянного тока увеличение уровня напряжения составляет серьезную проблему, а вот с переменным этого добиться очень просто. Трансформаторы – это электрические машины, преобразующие электрическую мощность с низкого напряжения в мощность с высоким напряжением. Чем длиннее ЛЭП, тем под более высоким напряжением находятся ее провода. Кроме того, бесчисленное количество заводов и предприятий используют электродвигатели. Двигатели постоянного тока в сравнении с двигателями переменного тока безусловно проигрывают: их КПД ниже, в них больше трущихся частей, их конструкция сложнее. Поэтому большинство электродвигателей в мире – это двигатели переменного тока.
Теперь, зная ответ на вопрос, почему победа осталась за переменным током, можно взглянуть на энергосистему с большей высоты. Различные электростанции в разных уголках планеты производят электричество. Говоря упрощенно, от электрогенераторов на станциях провода тянутся к трансформаторной подстанции (ТП), повышающей напряжение до 35, 110, 330, или 750 кВ. Провода на опорах оттуда тянутся к потребителям – в города и на заводы, где напряжение снова понижается на понижающих ТП до уровня, необходимого потребителю. Это напряжения в 0.4, 1, 10 кВ. Точка, в которой соединяются две и более ЛЭП, называется электрической подстанцией. Таким образом различные электростанции одной страны связываются в одну энергосистему, а энергосистемы разных стран – в объединенную энергосистему.
Трансформатор на подстанции
Передача энергии на большие расстояния – это всегда вопрос компромисса. Что выгоднее: строить новую электростанцию или прокладывать ЛЭП от существующих станций на огромное расстояние? Например, суммарная протяженность ЛЭП в Беларуси на начало 2019 года составляла почти 280 000 км. Где и как строить линию электропередачи? При монтаже опор огромное значение играет рельеф местности и характер грунта, а также наличие населенных пунктов, дорог и деревьев.
От потребляемой мощности зависит напряжение сети. От мощности, напряжения, и, как ни странно, погоды зависит выбор проводов, изоляторов и опор. При строительстве энергоемких предприятий надо решить: питаться от существующей подстанции или монтировать ТП в цеху? В целом при строительстве объектов решается вопрос о категории электроснабжения, то есть нужно ли прокладывать резервные линии и если да, то сколько? Отдельный и сложный вопрос представляет собой устойчивость энергосистемы, то есть ее способность функционировать, когда пропадает питание от электростанций или ЛЭП вследствие запланированного ремонта или аварии.
На данный момент принимается множество решений для модернизации энергосистем, например, привычные провода заменяют на алюминиевые с композитным тросом вместо стального. Это уменьшает провис проводов, увеличивает безопасную зону вокруг ЛЭП и их надежность. В целом же человечество еще не вышло на революционно новые методы производства и передачи электроэнергии.
Пожалуй, можно сказать, что в современном мире электроэнергетика находится на третьем месте после воздуха и воды. Миллионы километров проводов и кабелей смонтированы, огромные генераторы (диаметром до 16 метров) прочно закреплены на земной поверхности, это и объясняет вынужденную неповоротливость и стратегическую важность высоковольтной электроэнергетики.
Для обслуживания и проверки ЛЭП и электрических сетей существуют лаборатории электрофизических измерений. К таким, например, относится компания «ТМРсила-М», имеющая многолетний опыт работы в энергетике и сформированная из опытных специалистов.
Передача на большие расстояния
Актуальность передачи электроэнергии на расстояние обуславливается тем, что электростанции снабжены мощным оборудованием, дающим на выходе большие показатели. Потребители же ее маломощные и разбросаны на большой территории. Строительство крупнейшего терминала обходится дорого, поэтому наблюдается тенденция к концентрации мощностей. Это существенно снижает затраты. Кроме того, значение имеет место размещения. Включается ряд факторов: близость к ресурсам, стоимость транспортировки и возможность работы в единой энергетической системе.
Чтобы понять, как осуществляется передача электроэнергии на большие расстояния, следует знать, что линии электропередач бывают постоянного и переменного тока. Главная характеристика — это их пропускная способность. Потери наблюдаются в процессе нагрева проводов или дальности расстояния. Передача осуществляется по следующей схеме:
- Электростанция. Она является источником образования электроэнергии.
- Повышающий трансформатор, который обеспечивает увеличение показателей до необходимых величин.
- Понижающий трансформатор. Он устанавливается на распределительных станциях и понижает параметры для подачи в частный сектор.
- Подача энергии в жилые дома.
Линии постоянного тока
В настоящее время больше отдается предпочтение передаче электроэнергии постоянным током. Это связано с тем, что все происходящие внутри процессы не носят волновой характер. Это значительно облегчает транспортировку энергии.
К преимуществам передачи постоянного тока относится:
- небольшая себестоимость;
- малая величина потерь;
Среди недостатков — невозможность установки ответвлений от основной ЛЭП. Связано это с тем, что в этих местах требуется монтаж преобразователей, которые обходятся очень дорого. Кроме того, создание выключателей высокого напряжения. Технически, это вызывает большие трудности.
Поставка переменного тока
К преимуществам транспортировки переменного тока относится легкость его трансформации. Осуществляется это при помощи приборов — трансформаторов, которые не отличаются сложностью в изготовлении. Конструкция электродвигателей такого тока значительно проще. Технология позволяет формировать линии в единую энергосистему. Этому способствует возможность создания выключателей в месте строительства ответвлений.
Передача энергии на большое расстояние имеет первостепенное значение для всех структур. Не всегда энергетические комплексы находятся близко, а в электричестве нуждаются везде. Без него не обойдется ни промышленность, ни общественные заведения, ни частный сектор.
22 Передача электроэнергии на расстояние
Электроэнергия вырабатывается на крупных электростанциях, удаленных от потребителей, расположенных на больших территориях.
Размещение электростанций зависит от ряда причин: наличия энергоресурсов, их видов и запасов, возможности транспортировки, перспектив потребления электроэнергии.
Передача электроэнергии позволяет применять отдельные источники энергии, уменьшать суммарную резервную мощность генераторов, использовать разницу часовых поясов при несовпадении максимумов нагрузок, более полно использовать мощности ГЭС, увеличивать надежность электроснабжения потребителей и т.д.
Для распределения электроэнергии между отдельными потребителями в отдельных районах или для связи энергосистем, предназначены линии электропередач. Линии могут выполняться как на большие, так и короткие расстояния, для передачи больших и малых мощностей.
К линиям электропередач предъявляются высокие требования, так как они относятся к категории ответственных сооружений, надежная работа которых
Обеспечивается применением различных компенсирующих устройств и установок автоматического регулирования и управления.
Передаваемая мощность примерно пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна длине линии. Поэтому при передаче мощности по ВЛЭП наблюдается тенденция к увеличению передаваемого напряжения, как к основному средству повышения пропускной способности.
Рост напряжения дает возможность увеличивать протяженность линий и передаваемые мощности. Номинальные напряжения ВЛЭП: 35 кВ; 110кВ;
220 кВ; 330 кВ; 500 кВ; 750 кВ; (в Украине) и 1150 кВ ( в России).
При сооружении ВЛЭП постоянного тока, имеющих большие предельные мощности осуществляется прямое преобразование переменного тока в постоянный в начале линии и обратное преобразование тока в переменный в конце линии, что вызывает определенные трудности технического и экономического характера.
При развитии энергосистем необходимо приближение электрических станций к центрам потребления; сооружение электростанций вблизи дешевых источников энергии и передачи электроэнергии к центрам ее потребления.
23 Электрические сети Украины
На конец 1996 г. на балансе Минэнерго Украины находилось свыше 11 млн. км воздушных и кабельных линий электропередач всех классов напряжений, в том числе и 3.8 тыс.км кабельных линий и 5376 единиц трансформаторных подстанций.
Высокая централизация производства электроэнергии на крупных электростанциях обусловило развитие межсистемных линий электропередач напряжением 330-750 кВ, которые входят в состав ОЭС Украины. На конец 1996 г. протяженность ВЛЭП напряжением 750 кВ составила 4.08 тыс.км и в течение ближайшего десятилетия сеть этого напряжения повсеместно принимает на себя функции системообразующей.
В Украине наблюдается развитие электрических сетей напряжением 0.4 -35 – 154 кВ для электроустановок сельскохозяйственного назначения. Общая протяженность сетей сельскохозяйственного назначения достигла
749.3 тыс.км, в том числе напряжением 35 – 154 кВ – 75.1 тыс. км.
Дальнейшее развитие электрических сетей и их техническое переоснащение осуществляется на основе новой нормативной базы, которая соответствует требованиям международных организаций и региональным экологическим особенностям Украины.
Предполагается широкое применение прогрессивных новаций, в том числе применение многорядных опор ВЛЭП напряжением 220-330 кВ, кабельных линий 110-330 кВ с полимерной изоляцией, закрытых подстанций, применения релейной защиты, автоматического контроля и т.д.
Дальнейшее развитие энергетики Украины связано с реализацией Национальной энергетической программой Украины до 2030г.
Передача электроэнергии на большие расстояния
Передача новостей на большие расстояния всего пару сотен лет назад казалась чем-то из области фантастики. Время почтовых голубей, издревле использовавшихся римлянами, персами, и египтянами, прошло после изобретения телеграфной связи. С уверенностью можно сказать, что с передачей энергии на большие дистанции в те же периоды истории дела обстояли гораздо хуже. Проводники с высоким сопротивлением, низкое напряжение, серьезная коммерческая борьба за использование постоянного тока – лишь некоторые из факторов, тормозивших развитие электрических систем и сетей.
Ни для кого не секрет, что энергетику можно назвать достаточно консервативной отраслью. Если сравнивать скорость развития тепло- и электроэнергетики с прогрессом в информационных технологиях за одинаковые периоды времени, то разница чувствуется особенно резко. Окружающие нас сенсорные дисплеи с ультравысоким разрешением, искусственный интеллект, повсеместный и универсальный доступ к сети Интернет заметно развились с начала этого столетия. Однако опоры линий электропередачи (ЛЭП) до сих пор несут на себе тысячи километров сталеалюминиевыех проводов, перегрузки предотвращаются автоматическими выключателями, не сильно изменившимися за последние 70 лет. Суперпроводники, работающие при комнатной температуре, так и остались артефактами на страницах научных журналов и научно-популярной литературы. Чем же вызвана кажущаяся неповоротливость энергетики? Какие факторы на это влияют? И как вообще происходит передача электроэнергии на большие расстояния? Обо всем по порядку.
Как отмечалось выше, исторически сложилось, что изначально сторонников передачи электричества с использованием постоянного тока было больше. Такой перевес не был обусловлен точными расчетами, имела место пропаганда в СМИ и реклама. Почему же сейчас в контексте передачи электроэнергии мы слышим лишь о переменном токе?
Все начинается с электростанций. И для производителей, и для потребителей электроэнергии экономически выгодно иметь один централизованной источник энергии, а не множество разрозненных. От таких центров питания финансово целесообразно прокладывать ЛЭП к потребителям. Как известно, мощность (а в каждый момент времени по проводам передается именно мощность) равна произведению напряжения на ток. Для получения одной и той же мощности можно либо увеличить ток и снизить напряжение, либо сделать наоборот.
Случай с низким напряжением и высоким током очень неэффективный, при такой стратегии потери электроэнергии на длинных ЛЭП могут составлять 60 и более процентов. Случай с высоким напряжением и низким током гораздо более выгодный. При использовании постоянного тока увеличение уровня напряжения составляет серьезную проблему, а вот с переменным этого добиться очень просто. Трансформаторы – это электрические машины, преобразующие электрическую мощность с низкого напряжения в мощность с высоким напряжением. Чем длиннее ЛЭП, тем под более высоким напряжением находятся ее провода. Кроме того, бесчисленное количество заводов и предприятий используют электродвигатели. Двигатели постоянного тока в сравнении с двигателями переменного тока безусловно проигрывают: их КПД ниже, в них больше трущихся частей, их конструкция сложнее. Поэтому большинство электродвигателей в мире – это двигатели переменного тока.
Теперь, зная ответ на вопрос, почему победа осталась за переменным током, можно взглянуть на энергосистему с большей высоты. Различные электростанции в разных уголках планеты производят электричество. Говоря упрощенно, от электрогенераторов на станциях провода тянутся к трансформаторной подстанции (ТП), повышающей напряжение до 35, 110, 330, или 750 кВ. Провода на опорах оттуда тянутся к потребителям – в города и на заводы, где напряжение снова понижается на понижающих ТП до уровня, необходимого потребителю. Это напряжения в 0.4, 1, 10 кВ. Точка, в которой соединяются две и более ЛЭП, называется электрической подстанцией. Таким образом различные электростанции одной страны связываются в одну энергосистему, а энергосистемы разных стран – в объединенную энергосистему.
Трансформатор на подстанции
Передача энергии на большие расстояния – это всегда вопрос компромисса. Что выгоднее: строить новую электростанцию или прокладывать ЛЭП от существующих станций на огромное расстояние? Например, суммарная протяженность ЛЭП в Беларуси на начало 2019 года составляла почти 280 000 км. Где и как строить линию электропередачи? При монтаже опор огромное значение играет рельеф местности и характер грунта, а также наличие населенных пунктов, дорог и деревьев.
От потребляемой мощности зависит напряжение сети. От мощности, напряжения, и, как ни странно, погоды зависит выбор проводов, изоляторов и опор. При строительстве энергоемких предприятий надо решить: питаться от существующей подстанции или монтировать ТП в цеху? В целом при строительстве объектов решается вопрос о категории электроснабжения, то есть нужно ли прокладывать резервные линии и если да, то сколько? Отдельный и сложный вопрос представляет собой устойчивость энергосистемы, то есть ее способность функционировать, когда пропадает питание от электростанций или ЛЭП вследствие запланированного ремонта или аварии.
На данный момент принимается множество решений для модернизации энергосистем, например, привычные провода заменяют на алюминиевые с композитным тросом вместо стального. Это уменьшает провис проводов, увеличивает безопасную зону вокруг ЛЭП и их надежность. В целом же человечество еще не вышло на революционно новые методы производства и передачи электроэнергии.
Пожалуй, можно сказать, что в современном мире электроэнергетика находится на третьем месте после воздуха и воды. Миллионы километров проводов и кабелей смонтированы, огромные генераторы (диаметром до 16 метров) прочно закреплены на земной поверхности, это и объясняет вынужденную неповоротливость и стратегическую важность высоковольтной электроэнергетики.
Для обслуживания и проверки ЛЭП и электрических сетей существуют лаборатории электрофизических измерений. К таким, например, относится компания «ТМРсила-М», имеющая многолетний опыт работы в энергетике и сформированная из опытных специалистов.
Перспективы развития технологий беспроводной передачи энергии
Технологии беспроводной передачи энергии продолжают активно развиваться и предлагают множество перспективных возможностей. Вот некоторые из них:
Увеличение эффективности передачи
Одной из главных задач в развитии беспроводной передачи энергии является увеличение эффективности передачи. В настоящее время эффективность беспроводной передачи энергии составляет около 50-60%, что означает, что большая часть энергии теряется в процессе передачи. Исследования и разработки направлены на улучшение этого показателя и достижение более высокой эффективности передачи.
Расширение дальности передачи
В настоящее время беспроводная передача энергии ограничена дальностью передачи. Однако исследования в области беспроводной передачи энергии направлены на расширение дальности передачи. Это позволит передавать энергию на большие расстояния и использовать ее в различных областях, таких как энергетика и транспорт.
Развитие новых технологий передачи
Существует множество различных технологий беспроводной передачи энергии, таких как магнитная индукция, радиоволны, микроволны и лазеры. Однако исследования продолжаются, и появляются новые технологии передачи энергии. Например, исследования в области резонансной передачи энергии позволяют передавать энергию на большие расстояния с высокой эффективностью.
Интеграция с другими технологиями
Беспроводная передача энергии может быть интегрирована с другими технологиями, такими как беспроводная связь и Интернет вещей. Это позволит создать умные дома и города, где устройства будут получать энергию без необходимости подключения к сети. Также возможна интеграция с технологиями автономных и беспилотных транспортных средств, что позволит им получать энергию во время движения.
Развитие масштабируемости
Одной из проблем беспроводной передачи энергии является масштабируемость. В настоящее время большинство систем беспроводной передачи энергии предназначены для зарядки одного или нескольких устройств. Однако исследования в области масштабируемости позволяют разрабатывать системы, способные заряжать большое количество устройств одновременно.
В целом, развитие технологий беспроводной передачи энергии предлагает множество перспективных возможностей. Они могут изменить нашу жизнь, сделать ее более удобной и эффективной, а также привести к развитию новых инновационных решений в различных областях.
Таблица с примерами технологий беспроводной передачи энергии
| Индуктивная передача энергии | Использует магнитное поле для передачи энергии между двумя катушками | Зарядка беспроводных устройств, например, смартфонов и наушников |
| Радиочастотная передача энергии | Использует радиоволны для передачи энергии от передатчика к приемнику | Беспроводная зарядка электромобилей и устройств в больших помещениях |
| Лазерная передача энергии | Использует лазерный луч для передачи энергии на определенное расстояние | Беспроводная передача энергии в космических системах и научных исследованиях |
Беспроводная передача энергии – это технология, которая позволяет передавать энергию без использования проводов или кабелей. Она основана на принципах электромагнитной индукции и резонансной передачи энергии. Беспроводная передача энергии имеет множество преимуществ, таких как удобство использования, отсутствие необходимости в проводах и возможность заряжать устройства на расстоянии. Однако, она также имеет некоторые недостатки, такие как потери энергии в процессе передачи и ограниченную дальность действия. Тем не менее, технологии беспроводной передачи энергии активно применяются в различных областях, таких как медицина, электроника и автомобильная промышленность. В будущем, ожидается дальнейшее развитие и усовершенствование этих технологий, что позволит нам еще более эффективно использовать беспроводную передачу энергии в повседневной жизни.
Беспроводная передача энергии: определение, принципы работы и применение в различных областях обновлено: 17 ноября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
