Почему передачу электроэнергии на расстояние выполняют на повышенном напряжении
Сегодня передачу электрической энергии на расстояние всегда выполняют на повышенном напряжении, которое измеряется десятками и сотнями киловольт. По всему миру электростанции различного типа генерируют электричество гигаваттами. Это электричество распределяется по городам и селам при помощи проводов, которые мы можем видеть например вдоль трасс и железных дорог, где они неизменно закреплены на высоких опорах с длинными изоляторами. Но почему передача всегда осуществляется на высоком напряжении? Об этом расскажем далее.
Представьте что вам необходимо передать по проводам электрическую мощность хотя бы в 1000 ватт на расстояние 10 километров в форме переменного тока с минимальными потерями, чтобы запитать мощный киловаттный прожектор. Что вы предпримете? Очевидно, что напряжение необходимо будет так или иначе преобразовывать, понижать или повышать при помощи трансформатора.
Допустим, источник (небольшой бензиновый генератор) выдает напряжение 220 вольт, при этом в вашем распоряжении есть двухжильный медный кабель с сечением каждой жилы по 35 кв.мм. На 10 километров такой кабель даст активное сопротивление около 10 Ом.
Нагрузка мощностью 1 кВт имеет сопротивление около 50 Ом. И что если передаваемое напряжение оставить на уровне 220 вольт? Это значит, что шестая часть напряжения придется (упадет) на передающий провод, который окажется под напряжением около 36 вольт. И вот, порядка 130 Вт потеряно по пути — просто подогрели передающие провода. А на прожекторе получим не 220 вольт, а 183 вольта. КПД передачи оказалось 87%, и это пренебрегая еще индуктивном сопротивлении передающих проводов.
Дело в том, что активные потери в передающих проводах всегда прямо пропорциональны квадрату тока (см. Закон Ома). Следовательно если передачу той же самой мощности осуществить при более высоком напряжении, то падение напряжения на проводах не окажется столь губительным фактором.
Допустим теперь иную ситуацию. У нас имеется тот же самый бензиновый генератор, выдающий 220 вольт, те же 10 километров провода с активным сопротивлением 10 Ом, и тот же самый прожектор на 1кВт, но плюс ко всему еще есть два киловаттных трансформатора, первый — повышающий 220-22000 вольт, расположенный возле генератора и подключенный к нему обмоткой низкого напряжения, а обмоткой высокого напряжения — присоединен к передающим проводам. А второй трансформатор, на расстоянии 10 километров, — понижающий 22000-220 вольт, к обмотке низкого напряжения которого присоединен прожектор, а обмотка высокого напряжения — получает питание от передающих проводов.
Итак, при мощности нагрузки 1000 ватт при напряжении 22000 вольт, ток в передающем проводе (здесь можно обойтись без учета реактивной составляющей) составит всего 45мА, а значит на нем упадет уже не 36 вольт, (как было без трансформаторов) а всего 0,45 вольт! Потери составят уже не 130 Вт, а всего 20 мВт. КПД такой передачи на повышенном напряжении составит 99,99%. Вот почему передача на повышенном напряжении более эффективна.
В нашем примере ситуация рассмотрена грубо, и использовать дорогие трансформаторы для такой простой бытовой цели было бы конечно нецелесообразным решением. Но в масштабах стран и даже областей, когда речь идет о расстояниях в сотни километров и об огромных передаваемых мощностях, стоимость электроэнергии, которая могла бы потеряться, тысячекратно превышает любые затраты на трансформаторы. Вот почему при передаче электроэнергии на расстояние всегда применяется повышенное напряжение, измеряемое сотнями киловольт — чтобы снизить потери мощности при передаче.
Непрерывный рост электропотребления, концентрация генерирующих мощностей на электростанциях, сокращение свободных от застройки территорий, ужесточение требований по защите окружающей среды, инфляция и рост цен на землю, а также ряд других факторов настоятельно диктуют повышение пропускной способности линий электропередачи.
Конструкции различных линий электропередачи рассмотрены здесь: Устройство различных ЛЭП разного напряжения
Объединение энергетических систем, увеличение мощности электрических станций и систем в целом сопровождаются увеличением расстояний и потоков мощности, передаваемых по линии электропередачи. Без мощных линий электропередачи высокого напряжения невозможна выдача энергии от современных крупных электростанций.
Единая энергетическая система позволяет обеспечить передачу резервной мощности в те районы, где имеется в ней потребность, связанная с ремонтными работами или аварийными условиями, появится возможность передавать избыток мощности с запада на восток или наоборот, обусловленный поясным сдвигом во времени.
Благодаря дальним передачам свервысокого напряжения (500 — 750 кВ) стало возможным строительство сверхмощных гидроэлектростанций и полное использование их энергии. Это хребет современной мощной объединенной энергетической системы.
Например, капиталовложения на передачу 1 кВт мощности на заданное расстояние при напряжении 500 кВ в 3,5 раза ниже, чем при напряжении 220 кВ, и на 30 — 40% ниже, чем при 330 — 400 кВ.
Стоимость передачи 1 кВт•ч энергии при напряжении 500 кВ вдвое ниже, чем при напряжении 220 кВ, и на 33 — 40% ниже, чем при напряжении 330 или 400 кВ.
Технические возможности напряжения 500 кВ (натуральная мощность, расстояние передачи) в 2 — 2,5 раза превышают возможности напряжения 330 кВ и в 1,5 раза — напряжения 400 кВ.
Линия напряжением 220 кВ может передать мощность 200 — 250 МВт на расстояние до 200 — 250 км, линия 330 кВ — мощность 400 — 500 МВт на расстояние до 500 км, линия 400 кВ — мощность 600 — 700 МВт на расстояние до 900 км.
Напряжение 500 кВ обеспечивает передачу мощности 750 — 1 000 МВт по одной цепи на расстояние до 1 000 — 1 200 км.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Электрическая энергия передается по линиям электропередачи с помощью высокого напряжения потому что
1. Основную часть используемой людьми электрической энергии создают:
а) атомные электростанции; б) ветровые электростанции; в) гидроэлектростанции; г) тепловые электростанции; д) солнечные электростанции; е) приливные электростанции.
Ответ: г).
2. Электрическая энергия передается по линиям электропередачи высокого, напряжения, потому что:
а) проще строить линии электропередачи высокого напряжения; б) высокое напряжение более безопасно; в) меньше потери в проводах при передаче энергии; г) высокое напряжение удобно использовать.
Ответ: в).
3. Трансформаторы позволяют преобразовать:
а) переменный ток в постоянный; б)постоянный ток в переменный; в) переменный ток одного напряжения определенной частоты в переменный ток другого напряжения и той же частоты; г) частоту колебаний тока на входе трансформатора.
Ответ: в)
4. Диоды в электротехнике используются в:
а) нагревательных приборах; б) осветительных приборах; в) выпрямителях; г) электродвигателях; д) трансформаторах.
Ответ: в).
5. Легко менять скорость вращения ротора позволяют:
а) асинхронные двигатели; б) коллекторные двигатели; в) оба типа двигателей.
Ответ: б).
6. Коллекторные двигатели используются в:
а) вентиляторах; б) стартерах автомобилей; в) холодильниках; г) устройствах электрического транспорта.
Ответ: б); г).
7. К техническим устройствам, в которых используется электромагнитное действие электрического тока, относятся:
а) электрические двигатели и генераторы; б) осветительные приборы; в) нагревательные приборы; г) линии электропередачи; д) предохранители
Ответ: а).
8.Для преобразования переменного тока в постоянный используются:
а) двигатели; б) генераторы; в) выпрямители; г) нагревательные приборы; д) осветительные приборы.
Ответ: в).
9. Тепловое действие электрического тока используется в:
а) электроутюгах; б) выпрямителях; в) лампах накаливания; г) асинхронных двигателях; д) двигателях постоянного тока .
Ответ: а); в).
10. Роторы коллекторных и асинхронных двигателей вращаются под действием сил взаимодействия:
а) тока в статоре и тока в роторе; 6) тока в статоре и напряжения на роторе; в) напряжения на статоре и напряжения на роторе; г) магнитного поля статора с током в обмотке ротора; д) напряженна на входе двигателя и тока в обмотке ротора.
Ответ: г)
11.Асинхронные двигатели применяются:
а) в электроприводе; б) в электротяге; в) для освещения; г) для обогрева; д) в качестве трансформаторов.
Ответ: а).
12.Наиболее широко используется подключение электрических элементов (потребителей) к сети:
а) параллельное; б) последовательное; в) смешанное.
Ответ: а).
13.Устройства управления и защиты в электрических цепях:
а) выключатели и предохранители; б) магнитные пускатели; в) трансформаторы; г) выпрямители; д) осветительные приборы.
Ответ: а); б).
14.Области применения коллекторных двигателей:
а) электротранспорт, швейные машины и другие устройства, где требуется изменение скорости вращения ротора в широких пределах; б) электропривод; в) в осветительных приборах; г) в нагревательных приборах; д) в выпрямителях.
Ответ: а); б).
15. Основные источники электрической энергии:
а) тепловые, атомные и гидроэлектростанции; б) электродвигатели; в) выпрямители; г) нагревательные приборы; д) осветительные приборы.
Ответ: а)
16. Основные потребители электрической энергии:
а) осветительные приборы; б) нагревательные приборы; в) электродвигатели; г) генераторы; д) трансформаторы.
Ответ: а); б); в)
17. Последовательно или параллельно с бытовым электроприбором в квартире включают плавкий предохранитель на электрическом щите:
а) можно последовательно, можно параллельно; б) последовательно; в) параллельно.
Ответ: б)
18.В каких из перечисленных устройств используется электромагнитное действие электрического тока:
а) реле; б) гальванический элемент; в) трансформатор; г) телефон; д) светильник; е) громкоговоритель; ж) колебательный контур.
Ответ: а); в); г); е).
19.Электромагнитное действие электрического тока используется в следующих устройствах:
а) реле; б) электрическом звонке; в) гальваническом элементе; г) электрическом двигателе; д) настольной лампе; е) трансформаторе.
Ответ: а); б); г); е).
20.Какие из перечисленных элементов являются составными частями двигателя постоянного тока:
а) коллектор; б) переключатель; в) якорь; г) возвратная пружина; д) электромагнит; е) щетки.
Ответ: а); в); д); е).
21.Трансформатор служит для:
а) трансформации тока при постоянстве напряжения; б) преобразования напряжения одной величины в напряжение другой величины; в) преобразования электрической энергии в другие виды энергии.
Ответ: б).
22.Для человека считается безопасным напряжение:
а) 127 В; б) 220 В; в) 36 В; г) 12 В.
Ответ: г).
23.Стандартный блок питания для компьютера обязательно включает:
а) трансформатор; б) стабилизатор напряжения; в) выпрямитель; г) усилитель.
Ответ: б); в).
24. Преобразовать переменный ток в постоянный позволяет:
а) трансформатор; б) стабилизатор напряжения; в) выпрямитель; г) усилитель.
Ответ: в).
25. Радиоприемники и плееры работают на токе:
а) постоянном; б) переменном; в) постоянном токе частотой 50 Гц; г) переменном токе СВЧ.
Ответ: а).
26. Лампочки накаливания могут работать на токе:
а) постоянном; б) переменном; в) только постоянном; г) только переменном.
Ответ: а); б).
27. Есть ли необходимость использования трансформатора в многоэтажном жилом доме:
а) есть; б) нет; в) в зависимости от напряжения в квартире.
Ответ: а).
28.Частоту вращения вала электродвигателя переменного тока регулируют:
а) изменением числа пар полюсов; б) изменением частоты тока; в) изменением напряжения; г) изменением силы тока.
Ответ: а); б)
29.Частоту вращения вала электродвигателя достоянного тока регулируют:
а) изменением числа пар полюсов; б) изменением частоты тока; в) изменением напряжения; г) изменением силы тока.
Ответ: г).
30.Какое подключение имеют электрические розетки в вашей квартире:
а) последовательное; б) параллельное; в) смешанное.
Ответ: б)
31. На свечи карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, подается ток:
а) постоянный; б) переменный; в) смешанный.
Ответ: б).
32. С аккумулятора на осветительные приборы автомобиля подаётся ток:
а) постоянный; б) переменный; в) смешанный.
Ответ: а)
33. Устройство заземления станков и приборов должно иметь сопротивление:
а) больше сопротивления человеческого тела; б) существенно больше сопротивления человеческого тела; в) много меньше сопротивления человеческого тела; г) сопротивление не имеет значения.
Ответ: в)
34.Основные источники электрической энергии:
а) выпрямители; б) трансформаторы; в) генераторы; г) электродвигателя.
Ответ: в)
35. По какой причине «вылетают пробки» в квартире:
а) изменилось напряжение в сети; б) изменилась сила тока; в) изменилась мощность подключенных приборов; г) нагрелись провода.
Ответ: б)
36. Расход электрической энергии, оплачиваемый потребителем, измеряется в:
а) ваттах; б) вольтах; в) киловатт-часах; г) амперах.
Ответ: в)
37. Потребитель электрической энергии оплачивает:
а) мощность потребляемой электроэнергии, б) напряжение сети; в) количество электрических приборов; г) расход энергии за определенное время.
Ответ: г).
38. Карманный радиоприемник не может работать без:
а) генератора; б) трансформатора; в) усилителя; г) выпрямителя.
Ответ: в).
39.Номинальное напряжение осветительной сети в квартирах наших городов 220 В. Однако в разное время суток напряжение может изменяться в большую или меньшую сторону. В связи с этим выпускаются лампы накаливания различной маркировки. Лампы, с какой маркировкой следует покупать, если они часто перегорают:
а) 215-225 В; б) 220-230 В; в) 230-240 В; г) 235-245 В
Ответ: г)
40.Надпись на электрической розетке «250 В, 10 А» означает, что:
а) розетка может быть использована только при указанных параметрах электрического тока; б) во избежание аварии напряжение и сила тока не должны превышать указанных на розетке; в) изготовитель гарантирует надежную и безопасную работу розетки в течение нормативного срока, если напряжение и сила тока не превышают указанных на ее корпусе значений
Ответ: в)
41.Согласно правилам эксплуатации осветительных ламп накаливания при расположении ламп в светильнике цоколем вниз допускается использование ламп мощностью до 100 Вт. Если же лампа установлена цоколем вверх, ее мощность недолжна, превышать 60 Вт. Причина такого различия в том, что:
а) при положении 100-ваттной лампы цоколем вверх плавится пайка, соединяющая центральный провод лампы с центральным контактом цоколя; б) при положении 100-ваттной лампы цоколем вверх обугливается пластмассовый патрон светильника.
Ответ; б).
42. Известно, что в современных жилых зданиях электропроводка сделана из алюминиевого провода, который значительно дешевле медного. Между тем алюминий никогда не используется при изготовлении шнуров для соединения бытовых электроприборов с розетками. Какое условие оказывается здесь определяющим:
а) лучшая электропроводность меди; б) лучшая коррозионная устойчивость; в) более высокая прочность на разрыв; г) меньшая вероятность разрушения при много кратных изгибающих деформациях.
Ответ: г).
43.Что опаснее в пожарном отношении для квартирной электросети:
а) короткое замыкание; б) длительная перегрузка сети.
Ответ: б).
Зачем нужно высокое напряжение?
Задумывались ли вы, зачем для передачи электроэнергии на большое расстояние нужно такое высокое напряжение, заставляющее строить высокие башни-опоры и гигантские изоляторы? Почему бы не передавать электричество низкого напряжения по сверхпрочным проводам, протянутым между скромными сооружениями или даже под землей? Тому есть причина.
Для заданной мощности электроэнергии, потребляемой конечными потребителями (нагрузка сети), сила тока в линиях электропередачи с ростом напряжения понижается. Уменьшение силы тока сокращает потери электроснабжения в линии электропередачи. Обратившись к формуле из школьного курса физики, вы поймете почему:
где Р — мощность в ваттах, Е — напряжение в вольтах, а / — сила тока в амперах. Из нее следует, что на данном уровне мощности сила тока обратно пропорциональна напряжению:
Потери электроснабжения (т. е. потери мощности) в линии электропередачи пропорциональны квадрату силы тока. Эти потери — мощности, которые не доходят до конечных потребителей; они уходят на нагрев проводов. Это соотношение описывается следующей формулой:
где Р — мощность в ваттах, I — сила тока в амперах, a R — сопротивление провода в омах. Конструкторы не могут изменить сопротивление провода или мощность нагрузки сети, но они могут довести до максимума напряжение, минимизируя таким образом «лишний» ток, который вынуждена нести линия передачи для обеспечения потребности сети.
Предположим, напряжение, подаваемое в сеть, повышается десятикратно, а потребительские нагрузки в сети постоянны. Рост напряжения уменьшает силу тока в десять раз, и в результате потери мощности сокращаются в(1/10)2, т. е. в сто раз! Разумеется, использовать повышающий трансформатор в одном месте проще и дешевле, чем протягивать на многие километры провода, тяжесть которых (без трансформатора) оказывалась бы в сто раз больше.
Вид высоковольтной линии переменного тока под напряжением, скажем, 500 000 вольт страшноват? Возможно. Но угрозу здоровью, исходящую от линий электропередачи (реальный уровень этой угрозы — вопрос спорный), на самом деле несут магнитные поля, генерируемые этими линиями. Сила этих колеблющихся полей прямо пропорциональна силе тока, а не напряжению. Если бы такая линия, проходящая по вашему пригороду, имела напряжение в 500 вольт, а не в 500 000, магнитные поля, окружающие ее, были бы гораздо интенсивнее и потенциальная угроза здоровью, соответственно, выше.
Как осуществляется передача электрической энергии?
Передача электрической энергии от электрических станций до потребителей осуществляется по электрическим сетям . Электросетевое хозяйство — естественно-монопольный сектор электроэнергетики: потребитель может выбирать, у кого покупать электроэнергию (то есть энергосбытовую компанию), энергосбытовая компания может выбирать среди оптовых поставщиков (производителей электроэнергии), однако сеть, по которой поставляется электроэнергия, как правило, одна, и потребитель технически не может выбирать электросетевую компанию. С технической точки зрения, электрическая сеть представляет собой совокупность линий электропередачи (ЛЭП) и трансформаторов , находящихся на подстанциях .
Линии электропередачи представляют собой металлический проводник, по которому проходит электрический ток. В настоящее время практически повсеместно используется переменный ток. Электроснабжение в подавляющем большинстве случаев — трёхфазное , поэтому линия электропередачи, как правило, состоит из трёх фаз, каждая из которых может включать в себя несколько проводов. Конструктивно линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные .
Воздушные ЛЭП подвешены над поверхностью земли на безопасной высоте на специальных сооружениях, называемых опорами. Как правило, провод на воздушной линии не имеет поверхностной изоляции; изоляция имеется в местах крепления к опорам. На воздушных линиях имеются системы грозозащиты . Основным достоинством воздушных линий электропередачи является их относительная дешевизна по сравнению с кабельными. Также гораздо лучше ремонтопригодность (особенно в сравнении с бесколлекторными КЛ): не требуется проводить земляные работы для замены провода, ничем не затруднён визуальный осмотр состояния линии. Однако, у воздушных ЛЭП имеется ряд недостатков:
широкая полоса отчуждения: в окрестности ЛЭП запрещено ставить какие-либо сооружения и сажать деревья; при прохождении линии через лес, деревья по всей ширине полосы отчуждения вырубаются;
незащищённость от внешнего воздействия, например, падения деревьев на линию и воровства проводов; несмотря на устройства грозозащиты, воздушные линии также страдают от ударов молнии. По причине уязвимости, на одной воздушной линии часто оборудуют две цепи: основную и резервную;
эстетическая непривлекательность; это одна из причин практически повсеместного перехода на кабельный способ электропередачи в городской черте.
Кабельные линии (КЛ) проводятся под землёй. Электрические кабели имеют различную конструкцию, однако можно выявить общие элементы. Сердцевиной кабеля являются три токопроводящие жилы (по числу фаз). Кабели имеют как внешнюю, так и междужильную изоляцию. Обычно в качестве изолятора выступает трансформаторное масло в жидком виде, или промасленная бумага. Токопроводящая сердцевина кабеля, как правило, защищается стальной бронёй. С внешней стороны кабель покрывается битумом. Бывают коллекторные и бесколлекторные кабельные линии. В первом случае кабель прокладывается в подземных бетонных каналах — коллекторах . Через определённые промежутки на линии оборудуются выходы на поверхность в виде люков — для удобства проникновения ремонтных бригад в коллектор. Бесколлекторные кабельные линии прокладываются непосредственно в грунте. Бесколлекторные линии существенно дешевле коллекторных при строительстве, однако их эксплуатация более затратна в связи с недоступностью кабеля. Главным достоинством кабельных линий электропередачи (по сравнению с воздушными) является отсутствие широкой полосы отчуждения. При условии достаточно глубокого заложения, различные сооружения (в том числе жилые) могут строиться непосредственно над коллекторной линией. В случае бесколлекторного заложения строительство возможно в непосредственной близости от линии. Кабельные линии не портят своим видом городской пейзаж, они гораздо лучше воздушных защищены от внешнего воздействия. К недостаткам кабельных линий электропередачи можно отнести высокую стоимость строительства и последующей эксплуатации: даже в случае бесколлекторной укладки сметная стоимость погонного метра кабельной линии в разы выше, чем стоимость воздушной линии того же класса напряжения . Кабельные линии менее доступны для визуального наблюдения их состояния (а в случае бесколлекторной укладки — вообще недоступны), что также является существенным эксплуатационным недостатком.