No Image

Потери электроэнергии при передаче на большие расстояния

СОДЕРЖАНИЕ
1 просмотров
12 декабря 2019

Потери электроэнергии в электрических сетях неминуемы, поэтому важно чтобы они не превышали экономически обоснованного уровня. Превышение норм технологического расхода говорит о возникших проблемах. Чтобы исправить ситуацию необходимо установить причины возникновения нецелевых затрат и выбрать способы их снижения. Собранная в статье информация описывает многие аспекты этой непростой задачи.

Виды и структура потерь

Под потерями подразумевается разница между отпущенной потребителям электроэнергией и фактически поступившей к ним. Для нормирования потерь и расчетов их фактической величины, была принята следующая классификация:

  • Технологический фактор. Он напрямую зависит от характерных физических процессов, и может меняться под воздействием нагрузочной составляющей, условно-постоянных затрат, а также климатических условий.
  • Расходы, затрачиваемые на эксплуатацию вспомогательного оборудования и обеспечение необходимых условий для работы техперсонала.
  • Коммерческая составляющая. К данной категории относятся погрешности приборов учета, а также другие факторы, вызывающие недоучет электроэнергии.

Ниже представлен среднестатистический график потерь типовой электрокомпании.

Примерная структура потерь

Как видно из графика наибольшие расходы связаны с передачей по воздушным линиям (ЛЭП), это составляет около 64% от общего числа потерь. На втором месте эффект коронированния (ионизация воздуха рядом с проводами ВЛ и, как следствие, возникновение разрядных токов между ними) – 17%.

Коронный разряд на изоляторе ЛЭП

Исходя из представленного графика, можно констатировать, что наибольший процент нецелевых расходов приходится на технологический фактор.

Основные причины потерь электроэнергии

Разобравшись со структурой, перейдем к причинам, вызывающим нецелевой расход в каждой из перечисленных выше категорий. Начнем с составляющих технологического фактора:

  1. Нагрузочные потери, они возникают в ЛЭП, оборудовании и различных элементах электросетей. Такие расходы напрямую зависят от суммарной нагрузки. В данную составляющую входят:
  • Потери в ЛЭП, они напрямую связаны с силой тока. Именно поэтому при передаче электроэнергии на большие расстояния используется принцип повышения в несколько раз, что способствует пропорциональному уменьшению тока, соответственно, и затрат.
  • Расход в трансформаторах, имеющий магнитную и электрическую природу ( 1 ). В качестве примера ниже представлена таблица, в которой приводятся данные затрат на трансформаторах напряжения подстанций в сетях 10 кВ.

Потери в силовых трансформаторах подстанций

Нецелевой расход в других элементах не входит в данную категорию, ввиду сложностей таких расчетов и незначительного объема затрат. Для этого предусмотрена следующая составляющая.

  1. Категория условно-постоянных расходов. В нее входят затраты, связанные со штатной эксплуатацией электрооборудования, к таковым относятся:
  • Холостая работа силовых установок.
  • Затраты в оборудовании, обеспечивающем компенсацию реактивной нагрузки.
  • Другие виды затрат в различных устройствах, характеристики которых не зависят от нагрузки. В качестве примера можно привестисиловую изоляцию, приборы учета в сетях 0,38 кВ, змерительные трансформаторы тока, ограничители перенапряжения и т.д.
  1. Климатическая составляющая. Нецелевой расход электроэнергии может быть связан с климатическими условиями характерными для той местности, где проходят ЛЭП. В сетях 6 кВ и выше от этого зависит величина тока утечки в изоляторах. В магистралях от 110 кВ большая доля затрат приходится на коронные разряды, возникновению которых способствует влажность воздуха. Помимо этого в холодное время года для нашего климата характерно такое явление, как обледенение на проводах высоковольтных линий, а также обычных ЛЭП. Гололед на ЛЭП

Учитывая последний фактор, следует учитывать затраты электроэнергии на расплавление льда.

Расходы на поддержку работы подстанций

К данной категории отнесены затраты электрической энергии на функционирование вспомогательных устройств. Такое оборудование необходимо для нормальной эксплуатации основных узлов, отвечающих за преобразование электроэнергии и ее распределение. Фиксация затрат осуществляется приборами учета. Приведем список основных потребителей, относящихся к данной категории:

  • системы вентиляции и охлаждения трансформаторного оборудования;
  • отопление и вентиляция технологического помещения, а также внутренние осветительные приборы;
  • освещение прилегающих к подстанциям территорий;
  • зарядное оборудование АКБ;
  • оперативные цепи и системы контроля и управления;
  • системы обогрева наружного оборудования, например, модули управления воздушными выключателями;
  • различные виды компрессорного оборудования;
  • вспомогательные механизмы;
  • оборудование для ремонтных работ, аппаратура связи, а также другие приспособления.

Коммерческая составляющая

Под данными затратами подразумевается сальдо между абсолютными (фактическими) и техническими потерями. В идеале такая разница должна стремиться к нулю, но на практике это не реально. В первую очередь это связано с особенностями приборов учета отпущенной электроэнергии и электросчетчиков, установленных у конечных потребителей. Речь идет о погрешности. Существует ряд конкретных мероприятий для уменьшения потерь такого вида.

К данной составляющей также относятся ошибки в счетах, выставленных потребителю и хищения электроэнергии. В первом случае подобная ситуация может возникнуть по следующим причинам:

  • в договоре на поставку электроэнергии указана неполная или некорректная информация о потребителе;
  • неправильно указанный тариф;
  • отсутствие контроля за данными приборов учета;
  • ошибки, связанные с ранее откорректированными счетами и т.д.

Что касается хищений, то эта проблема имеет место во всех странах. Как правило, такими противозаконными действиями занимаются недобросовестные бытовые потребители. Заметим, что иногда возникают инциденты и с предприятиями, но такие случаи довольно редки, поэтому не являются определяющими. Характерно, что пик хищений приходится на холодное время года, причем в тех регионах, где имеются проблемы с теплоснабжением.

Различают три способа хищения (занижения показаний прибора учета):

  1. Механический. Под ним подразумевается соответствующее вмешательство в работу прибора. Это может быть притормаживание вращения диска путем прямого механического воздействия, изменение положения электросчетчика, путем его наклона на 45° (для той же цели). Иногда применяется более варварский способ, а именно, срываются пломбы, и производится разбалансирование механизма. Опытный специалист моментально обнаружит механическое вмешательство.
  2. Электрический. Это может быть как незаконное подключение к воздушной линии путем «наброса», метод инвестирования фазы тока нагрузки, а также использование специальных приборов для его полной или частичной компенсации. Помимо этого есть варианты с шунтированием токовой цепи прибора учета или переключение фазы и нуля.
  3. Магнитный. При данном способе к корпусу индукционного прибора учета подносится неодимовый магнит.

Магнит может воздействовать только некоторые старые модели электросчетчиков

Практически все современные приборы учета «обмануть» вышеописанными способами не удастся. Мало того, подобные попытки вмешательства могут быть зафиксированы устройством и занесены в память, что приведет к печальным последствиям.

Понятие норматива потерь

Под данным термином подразумевается установка экономически обоснованных критериев нецелевого расхода за определенный период. При нормировании учитываются все составляющие. Каждая из них тщательно анализируется отдельно. По итогу производятся вычисления с учетом фактического (абсолютного) уровня затрат за прошедший период и анализа различных возможностей, позволяющих реализовать выявленные резервы для снижения потерь. То есть, нормативы не статичны, а регулярно пересматриваются.

Под абсолютным уровнем затрат в данном случае подразумевается сальдо между переданной электроэнергией и техническими (относительными) потерями. Нормативы технологических потерь определяются путем соответствующих вычислений.

Кто платит за потери электричества?

Все зависит от определяющих критериев. Если речь идет о технологических факторах и расходах на поддержку работы сопутствующего оборудования, то оплата потерь закладывается в тарифы для потребителей.

Совсем по иному обстоит дело с коммерческой составляющей, при превышении заложенной нормы потерь, вся экономическая нагрузка считается расходами компании, осуществляющей отпуск электроэнергии потребителям.

Способы уменьшения потерь в электрических сетях

Снизить затраты можно путем оптимизации технической и коммерческой составляющей. В первом случае следует принять следующие меры:

  • Оптимизация схемы и режима работы электросети.
  • Исследование статической устойчивости и выделение мощных узлов нагрузки.
  • Снижение суммарной мощности за счет реактивной составляющей. В результате доля активной мощности увеличится, что позитивно отразится на борьбе с потерями.
  • Оптимизация нагрузки трансформаторов.
  • Модернизация оборудования.
  • Различные методы выравнивания нагрузки. Например, это можно сделать, введя многотарифную систему оплаты, в которой в часы максимальной нагрузки повышенная стоимость кВт/ч. Это позволит существенно потребление электроэнергии в определенные периоды суток, в результате фактическое напряжение не будет «проседать» ниже допустимых норм.
Читайте также:  Патио на даче фотогалерея

Уменьшить коммерческие затраты можно следующим образом:

  • регулярный поиск несанкционированных подключений;
  • создание или расширение подразделений, осуществляющих контроль;
  • проверка показаний;
  • автоматизация сбора и обработки данных.

Методика и пример расчета потерь электроэнергии

На практике применяют следующие методики для определения потерь:

  • проведение оперативных вычислений;
  • суточный критерий;
  • вычисление средних нагрузок;
  • анализ наибольших потерь передаваемой мощности в разрезе суток-часов;
  • обращение к обобщенным данным.

Полную информацию по каждой из представленных выше методик, можно найти в нормативных документах.

В завершении приведем пример вычисления затрат в силовом трансформаторе TM 630-6-0,4. Формула для расчета и ее описание приведены ниже, она подходит для большинства видов подобных устройств.

Расчет потерь в силовом трансформаторе

Для понимания процесса следует ознакомиться с основными характеристиками TM 630-6-0,4.

Параметры TM 630/6/0,4

Теперь переходим к расчету.

Итоги расчета

Электроэнергию приходится передавать на большие расстояния. Причины таковы:

— её нельзя консервировать, а надо сразу потреблять;
— потребители электричества расположены далеко. Производят электроэнергию на электростанциях, которые располагают возле источников сырья (гидроресурсы, топливо).

Передача энергии на большие расстояния является довольно сложной проблемой. Примерно, 20% выработанной энергии теряется при передачах.

Провода линий электропередач нагреваются током. По закону Джоуля – Ленца теплоту, в которую превращается, идущая на нагрев энергия, можно рассчитать по формуле: Q = IRt — количество теплоты (Дж), где R – сопротивление линии (Ом), t – время (с), I — квадрат силы тока (А) Если длина линии очень большая, то передача энергии может быть невыгодна экономически. Отсюда видно, что снизить потери можно двумя способами: во — первых, уменьшая сопротивление проводов R, во — вторых уменьшая в них силу тока I. Уменьшить сопротивление подводящих проводов при заданном расстоянии между электростанцией и потребителями можно только в результате увеличения площади поперечного сечения проводов, что очевидно, невыгодно и может быть осуществлено лишь в небольших пределах.

Провода большого сечения имеет меньшее сопротивление, но сдерживает, его применение, расход металла и опоры линии могут не выдержать тяжести таких проводов.

При заданной мощности тока в потребителе уменьшить силу тока в подводящих проводах можно только при одновременном повышении напряжения между проводами, что видно из формулы P = UI, по которой рассчитывается мощность P тока в потребителе. Чем выше напряжение между проводами, по которым передается электрическая энергия, тем это выгодней, так как при этом уменьшается сила тока и снижаются потери в проводах, пропорциональные квадрату силы тока. Чем длиннее линия электропередачи, тем более выгодно становится применение высокого напряжения, поэтому передача энергии на большие расстояния осуществляется только по высоковольтным линиям. Генераторы электростанций вырабатывают напряжение не выше 16000 – 20000 В. Более высокие напряжения требуют принципиальных изменений в конструкции генератора.

Увеличить напряжение переменного тока, не изменяя передаваемой мощности, можно с помощью трансформатора. Поэтому без трансформатора осуществлять передачу электроэнергии на большие расстояния в современных условиях невозможно.

Сразу за генератором размещают повышающий трансформатор. Трансформатор увеличивает напряжение, а сила тока во столько же раз уменьшается. Мощность остается почти неизменной.

Такое высокое напряжение в конце линии необходимо понизить, чтобы использовать электроэнергию в осветительной сети, для работы станков с помощью двигателей электропривода и т.д. Это производят с помощью понижающих трансформаторов. Понижается напряжение и соответственно, увеличивается сила тока постепенно с помощью нескольких трансформаторов, расположенных на линии. Напряжение становится все меньше, а электрическая цепь все шире.

Актуальность проблемы повышения пропускной способности ЛЭП

Известно, что в последние годы многие города сталкиваются с проблемой ограниченной пропускной способности ЛЭП. Для удовлетворения всё более растущих потребностей электросетевые компании вынуждены постоянно модифицировать существующие сети, применяя следующие классические методы:

— строительство дополнительных ЛЭП;
— замена проводов на большие поперечные сечения;
— повышение напряжения;
— расщепление фазы.

Несмотря на то, что эти методы иногда можно применить, у всех них есть существенные недостатки. Первое решение требует значительных вложений, времени и получения разрешений на установку новых линий. Второе оказывается не всегда возможным, поскольку сталеалюминиевый провод большего сечения обладает такой массой, на которую старые опоры часто не рассчитаны, что в конечном итоге приводит к необходимости установки новых опор ЛЭП большего размера. Организация строительства новых опор может обернуться серьёзными проблемами в густонаселённых районах, районах частных земель, в национальных парках, заповедниках и других зонах с запретом на строительство. Третье и четвертое решения почти всегда приводит к необходимости перестраивать всю линию.

Отсюда возникает актуальная необходимость существенного повышения передаваемой мощности воздушных линий, по возможности, избегая строительства новых линий, полной перестройки существующих линий, подвески новых цепей и т.д.

Новые пути повышения пропускной способности воздушных линий и современные тенденции

В настоящее время, существуют решения, не имеющее недостатков вышеописанных методов. Эти решения обеспечивают увеличение пропускной токовой способности имеющихся линий за счёт применения специальных проводов. Такая постановка задачи привлекательна, как с технической, так и экономической точек зрения.

На сегодняшний день, выдвигаются следующие требования к современным проводам:

— максимально высокая электропроводность;
— максимально высокая механическая прочность;
— низкий вес;
— устойчивость к высоким температурам;
— малые температурные удлинения;
— устойчивость к старению и ветровым воздействиям.

Условия выполнения вышеописанных требований являются взаимоисключающими, поскольку например наилучшая электропроводность обеспечивается при наивысшей чистоте алюминия, однако при этом значительно снижается прочность. Поэтому для получения необходимой температурной устойчивости рассматривалось применение дисперсионно-твердеющих материалов, циркониевых сплавов, композитных и других материалов, получением и внедрением волокон оксида алюминия.

Мировые фирмы – изготовители современных проводов ЛЭП

На мировом рынку в сфере производства классических и специальных типов проводов выступают несколько десятков компаний. На сегодняшний день наиболее актуальные поставщики уже определились:

— Nexans, Бельгия;
— Lumpi-Berndorf, Австрия;
— J-Power Systems, Япония.

Конструктивные особенности проводов AERO-Z, Nexans, Бельгия

Одним из путей решения проблемы является применение так называемых компактных проводов типа АERO-Z. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики сталеалюминиевого провода АС 240/56 и AERO-Z 346-2Z.

Основная особенность провода АERO-Z заключается в форме проволок токопроводящих слоев – их сечение напоминает букву «Z» (см. рис. 1).

Принципы и эффективность

Верхний повив практически идеально гладкий (см. рис. 1), имеет незначительные винтовые канавки, возникающие между верхними кромками Z-образных проволок. Этим достигается значительное уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления наиболее сильным ветрам. Такое уменьшение влечёт за собой меньшие механические напряжения в опорах при проводах равного диаметра или позволяет увеличить полезное электропроводящее сечение при равных механических напряжениях в опорах.

Большая контактная поверхность между двумя Z-образными проволоками одного слоя обеспечивает эффективную защиту от просачивания консистентной смазки изнутри провода. В этой связи внутренняя защита оказывается лучше, чем у традиционных проводов, в которых наблюдается вытеснение защитной смазки наружу под действием циклов нагрузки.

При обрыве проволоки внешнего повива провода AERO-Z остаются на месте под действием механических рабочих напряжений. Данное свойство сохраняется до тех пор, пока не происходит обрыв пяти смежных проволок.

Большая поверхность контакта между проволоками улучшает демпфирование.

Улучшенные вертикальные и крутящие самозатухание провода значительно уменьшает проблемы сложной пляски. Вероятность появления пляски значительно ниже, и если она возникает, её амплитуда будет значительно меньше.

Провод лучше противостоит снегу и обледенению. Образование ледяных рукавов становится более затруднительным. Средняя масса ледяных наростов составляет половину наблюдаемой при экстремальных условиях. Более того, следует отметить, что наросты отделяются быстрее из-за большей крутильной жёсткости провода.

Читайте также:  Питательный грунт для томатов

Провода TACSR/ACS и TACSR/HICIN компании «Lumpi-Berndorf», Австрия

Увеличение пропускной способности проводов TACSR/ACS и TACSR/HICIN обеспечивается их большей рабочей температурой. Эти провода устойчивы к высокой температуре, могут в условиях продолжительного времени нести более высокую токовую нагрузку, чем традиционные сталеалюминиевые провода.

Провода по конструкции напоминают классические провода АС: сердечник и токопроводящие повивы (см. рис. 2).

Отличия в конструкции состоят в использованных материалах. Токопроводящие повивы высокотемпературных проводов сделаны из специального термостойкого алюминия ТА либо сверхтермостойкого сплава ZTA.

Оба сплава ТА и ZTA состоят из чистого алюминия с добавкой циркония, с той разницей, что сплав ZTA имеет большее количество циркония. Цирконий позволяет повысить температуру рекристаллизации основного компонента – алюминия. В результате, токопроводящие проволоки сохраняют все механические и электрические характеристики при нагревах (см. таблицу 2).

В проводах Lumpi-Berndorf в качестве материала для сердечника применяется сталь с покрытием из алюминия. Для повышения прочностных свойств и уменьшения стрел провеса в проводах (Z)TACSR/HICIN применяется специальный сплав «Инвар». Проволоки из сплава также защищаются нанесением на его поверхность алюминиевого покрытия (см. Таблицу 3).

Использование сплава Инвар в качестве материала сердечника провода позволяет существенно снизить стрелы провесов. Использование термоустойчивого алюминия как токонесущей части провода дает возможность увеличить пропускную способность линии в полтора раза, а применение супертермоустойчивого сплава в два раза. В таблице 4 приведено сравнение технических характеристик различных проводов.

Линии, работающие в штатном режиме при температуре проводов 150°С или 210°С, не подвержены отложению гололеда, что означает как резкое снижение вероятности возникновения пляски, так и уменьшение пиковых нагрузок на опоры. Провода TACSR/HACIN по конструкции не отличаются от классических проводов. Это позволяет использовать все известные типы арматуры: спиральную, клиновые зажимы и прессуемые.

Методики работы и монтажа этого провода идентичны методикам для классического провода АС. Не требуется новых технологий, устройств и обучения персонала.

Провода GTACSR компании «J-Power», Япония

Увеличение пропускной способности провода GTACSR обеспечивается также как и провода «Lumpi Berndorf» большей рабочей температурой. Эти провода устойчивы к высокой температуре, могут в условиях продолжительного времени нести высокую токовую нагрузку.

Особенность провода GTACSR заключается в том, что между токопроводящими слоями провода и стальным сердечником имеется зазор (см. рис. 3), отсюда и название – «провод с зазором».

Преимущества такой конструкции состоят в том, что при монтаже и дальнейшей эксплуатации всё тяжение приходится на стальной сердечник, и, соответственно, коэффициент расширения и модуль упругости провода как целого совпадают с характеристиками стали. Провод значительно меньше подвержен удлинению за счет возрастания температуры. При рабочих температурах (

150°С) стрела провеса провода ощутимо меньше, чем для любых других проводов (при той же температуре). Это неоспоримое преимущество данного провода. Сочетание перечисленных преимуществ, плюс высокая пропускная способность делают этот провод наиболее развитым в техническом отношении.

Безусловно, стоит отметить и вытекающие из конструкции провода недостатки:

— провод сложной конструкции;

— технология монтажа провода весьма сложна; необходимо специальное оборудование и обученный персонал. Предъявляются жесткие требования к пролетам – не более 3 поддерживающих опор в анкерном участке;

— ремонт провода превращается в очень сложное мероприятие;

— стоимость провода высока

400 % по сравнению с проводом АС.

Проблемы ЛЭП в передаче электроэнергии на дальние расстояния

Проводные электрические сети как в России, так и других странах характеризуются значительными потерями. Структура потерь на примере России показана в таблице 5 ниже.

Таблица 5. Потери в электрических сетях РФ

класс сетей потери энергии доля в общем объеме
330 — 500 кВ до 25% 11%
220 кВ до 27% 15%
35 — 110 кВ до 43% 36%
6 — 20 кВ до 34% 26%
0,4 кВ до 30% 7%
потери хол.хода 25%

Следует отметить, что дальность передачи электроэнергии используемыми ныне технологиями (воздушные ЛЭП, разработанные еще в XIX веке) совершенно не удовлетворяет требованиям экономического развития промышленности и сельского хозяйства. При передаче на расстояния, необходимые для равномерного распределения электроэнергии возникают недопустимо большие потери (до 50% в сельском хозяйстве и горнодобывающей промышленности).

В таблице 6, приведенной ниже, показаны экономически целесообразные расстояния передачи электроэнергии.

Таблица 6. Эономически целесообразные расстояния передачи электроэнергии

ЛЭП напряжением более 1000 Кв сегодня не используются по экономическим и экологическим причинам, поэтому реально ЛЭП ограничены дальностью 2000 — 3000 км. Этого совершенно недостаточно для систем долготной и широтной компенсации дефицита электроэнергии и устранения простоев мощностей.

Задача разработки и внедрения альтернативных технологий передачи электроэнергии на расстояние, позволяющих передавать энергию на существенно бОльшие расстояния, требует решения в самое ближайшее время. По самым оптимистическим прогнозам, минимум через 50 лет на Земле закончатся природные энергоносители. А дальнейшее развитие атомной энергетики, в свете последних крупных аварий в СССР и Японии, стоит под вопросом. Необходимо искать новые источники энергии, и они уже известны. Огромный потенциал скрыт в использовании солнечной энергии. Современные технологии уже сегодня позволяют получить достаточное количество дешевой энергии, способной покрыть нужды всего земного шара. Основная проблема состоит в том, как передать такое колоссальное количество энергии на расстояние.

Метод, основанный на электромагнитной индукции

Опыты с электромагнитными полями успешно проводились еще в середине 19 века. Здесь удалось достичь довольно существенных результатов. Уже сегодня применяются зарядки мобильных телефонов, принцип работы которых основан на использовании электромагнитной индукции. Причем по эффективности они даже превосходят обычные проводные зарядки. Существенным недостатком данного способа является то, что для возникновения взаимной индукции приемник и передатчик должны находиться как можно ближе друг к другу.

Метод, основанный на использовании радиочастотного и микроволнового излучения

Новые разработки, которые позволили через 100 лет после Николы Тесла успешно осуществить передачу электроэнергии на несколько метров. Основными недостатками являются:
— большое рассеивание электроэнергии;
— зависимость от препятствий на пути передачи.

Для решения этих проблем предполагается использование сфокусированного пучка энергии и корректирующих датчиков, что не всегда целесообразно с экономической и технической точки зрения.

Метод, основанный на радио- и микроволнах

Довольно интересная идея, которую пытались реализовать во второй половине прошлого века, для передачи энергии на дальнее расстояния, например из космоса. Как оказалось, что для ее успешного осуществления, необходимо использовать передающие и принимающие антенны, диаметром 1 и 10 км соответственно, что существенно затрудняет практическое применение этого способа.

Метод, основанный на использовании лазера

Наиболее перспективный на сегодняшний день способ. Использование новейших диодных лазеров, позволило снизить потери передачи электроэнергии до 50 %. Существуют пробные модели самолетов и бытовых приборов, работающих на энергии, передающейся лазером. Основной проблемой остаются зависимость от препятствий и большое рассевание электроэнергии в атмосфере.

Несмотря на то, что данный вид передачи электроэнергии известен уже давно, он остается нереализованным по причине дороговизны и множества технических сложностей. Но человечеству придется их успешно преодолеть или найти другие альтернативные способы передачи электроэнергии. В противном случае ему придется столкнуться с энергетическим кризисом уже в ближайшем обозримом будущем.

Разработки в области эфирных технологий передачи энергии

В рамках перспективных исследований в области эфирной физики, проводимых в БИУВНТ с начала XXI века, были разработаны принципы и основы технологии передачи энергии на сверхдальние расстояния, позволяющие оптимизировать существующие электроэнергетические системы путем снижения потерь на передачу энергии с 10 — 25%, характерных для существующих ЛЭП до 1% и менее на расстояниях порядка 10 тыс. км., снижения затрат на строительство линий передачи энергии, как минимум, на порядок, увеличения коэффициента использования установленной мощности электростанций с 0,4 — 0,7 нынешних до 0,95 и выше, компенсации пиковых нагрузок и проблемы синхронизации электрических сетей.

Читайте также:  Пластиковые окна лучший выбор

В настоящее время БИУВНТ ведет работы по усовершенствованию новой технологии для использования в системообразующих электрокорпорациях и ее внедрения для задач сверхдальней передачи энергии, характерных для ЕЭС РФ и Казахстана.

Весь быт современного человека тесно связан с электроэнергией. От неё работает всё: начиная от зарядных устройств телефонов и заканчивая аппаратами искусственной вентиляции лёгких. Поэтому электроэнергия должна быть легкодоступна в каждом уголке планеты.

Высокое напряжение как способ уменьшения потерь

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.

Классификация линий электропередач

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

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.

Схема передачи энергии от электростанции до потребителя

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.

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.

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.

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.

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.

Видео

Комментировать
1 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector