Электричество не относится к накопительным ресурсам. На сегодняшний день нет эффективных технологий, позволяющих аккумулировать энергию, выработанную генераторами, поэтому передача электроэнергии потребителям относится к актуальным задачам. В стоимость ресурса входят затраты на его производство, потери при транспортировке и расходы на монтаж и обслуживание ЛЭП. При этом от схемы передачи напрямую зависит эффективность системы электроснабжения.
Содержание
- Высокое напряжение, как способ уменьшения потерь
- Классификация линий электропередач
- Способы передачи электроэнергии
- Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя
- Передача электроэнергии на дальние расстояния
- Постоянный ток в качестве альтернативы
Высокое напряжение, как способ уменьшения потерь
Несмотря на то, что во внутренних сетях большинства потребителей, как правило, 220/380 В, электроэнергия передается к ним по высоковольтным магистралям и понижается на трансформаторных подстанциях. Для такой схемы работы есть весомые основания, дело в том, что наибольшая доля потерь приходится на нагрев проводов.
Мощность потерь описывает следующая формула: Q = I2 * Rл ,
где I – сила тока, проходящего через магистраль, RЛ – ее сопротивление.
Исходя из приведенной формулы можно заключить, что снизить затраты можно путем уменьшения сопротивления в ЛЭП или понизив силу тока. В первом случае потребуется увеличивать сечения провода, это недопустимо, поскольку приведет к существенному удорожанию электропередающих магистралей. Выбрав второй вариант, понадобится увеличить напряжение, то есть, внедрение высоковольтных ЛЭП приводит к снижению потерь мощности.
Классификация линий электропередач
В энергетике принято разделять ЛЭП на виды в зависимости от следующих показателей:
- Конструктивные особенности линий, осуществляющих передачу электроэнергии. В зависимости от исполнения они могут быть двух видов:
- Воздушными. Передача электричества осуществляется с использованием проводов, которые подвешиваются на опоры.
Воздушные линии электропередач - Кабельными. Такой способ монтажа подразумевает укладку кабельных линий непосредственно в грунт или в специально предназначенные для этой цели инженерные системы.
Обустройство блочной кабельной канализации
- Вольтаж. В зависимости от величины напряжения ЛЭП принято классифицировать на следующие виды:
- Низковольтные, к таковым относятся все ВЛ с напряжением не более 1-го кВ.
- Средние – от 1-го до 35-ти кВ.
- Высоковольтные – 110,0-220,0 кВ.
- Сверхвысоковольтные – 330,0-750,0 кВ.
- Ультравысоковольтные — более 750-ти кВ.
Ультравысоковольтная ЛЭП Экибастуз-Кокчетав 1150 кВ
- Разделение по типу тока при передаче электричества, он может быть переменным и постоянным. Первый вариант более распространен, поскольку электростанции, как правило, оборудованы генераторами переменного тока. Но для уменьшения нагрузочных потерь энергии, особенно на большой дальности передачи, более эффективен второй вариант. Как организованы схемы передачи электричества в обоих случаях, а также преимущества каждого из них, будет рассказано ниже.
- Классификация в зависимости от назначения. Для этой цели приняты следующие категории:
- Линии от 500,0 кВ для сверхдальних расстояний. Такие ВЛ связывают между собой отдельные энергетические системы.
- ЛЭП магистрального назначения (220,0-330,0 кВ). При помощи таких линий осуществляется передача электричества, вырабатываемого на мощных ГЭС, тепловых и атомных электростанциях, а также их объединения в единую энергосистему.
- ЛЭП 35-150 кВ относятся к распределительным. Они служат для снабжения электроэнергией крупных промышленных площадок, подключения районных распределительных пунктов и т.д.
- ЛЭП с напряжением до 20,0 кВ, служат для подключения групп потребителей к электрической сети.
Способы передачи электроэнергии
Осуществить передачу электроэнергии можно двумя способами:
- Методом прямой передачи.
- Преобразуя электричество в другой вид энергии.
В первом случае электроэнергия передается по проводникам, в качестве которых выступает провод или токопроводящая среда. В воздушных и кабельных ЛЭП применяется именно этот метод передачи. Преобразование электричества в другой вид энергии открывает перспективы беспроводного снабжения потребителей. Это позволит отказаться от линий электропередач и, соответственно, от расходов, связанных с их монтажом и обслуживанием. Ниже представлены перспективные беспроводные технологии, над совершенствованием которых ведутся работы.
К сожалению, на текущий момент возможности транспортировки электричества беспроводным способом сильно ограничены, поэтому об эффективной альтернативе методу прямой передачи говорить пока рано. Исследовательские работы в этом направлении позволяют надеяться, что в ближайшее время решение будет найдено.
Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя
Ниже на рисунке представлены типовые схемы, из которых первые две относятся к разомкнутому виду, остальные — к замкнутому. Разница между ними заключается в том, что разомкнутые конфигурации не являются резервированными, то есть, не имеют резервных линий, которые можно задействовать при критическом увеличении электрической нагрузки.
Обозначения:
- Радиальная схема, на одном конце линии находится электростанция производящая энергию, на втором — потребитель или распределительное устройство.
- Магистральный вариант радиальной схемы, отличие от предыдущего варианта заключается в наличии отводов между начальным и конечным пунктами передачи.
- Магистральная схема с питанием на обоих концах ЛЭП.
- Кольцевой тип конфигурации.
- Магистраль с резервной линией (двойная магистраль).
- Сложнозамкнутый вариант конфигурации. Подобные схемы применяются при подключении ответственных потребителей.
Теперь рассмотрим более подробно радиальную схему для передачи вырабатываемой электроэнергии по ЛЕП переменного и постоянного тока.
Обозначения:
- Генератор, где вырабатывается я электроэнергия с синусоидальной характеристикой.
- Подстанция с повышающим трехфазным трансформатором.
- Подстанция с трансформатором, понижающим напряжение трехфазного переменного тока.
- Отвод для передачи электироэнергии распределительному устройству.
- Выпрямитель, то есть устройство преобразующее трехфазный переменный ток в постоянный.
- Инверторный блок, его задача сформировать из постоянного напряжение синусоидальное.
Как видно из схемы (А), с источника энергии электричество подается на повышающий трансформатор, затем при помощи воздушных линий электропередач производится транспортировка электроэнергии на значительные расстояния. В конечной точке линия подключается к понижающему трансформатору и от него идет к распределителю.
Метод передачи электроэнергии в виде постоянного тока ( В на рис.6) от предыдущей схемы отличается наличием двух преобразовательных блоков (5 и 6).
Закрывая тему раздела, для наглядности приведем упрощенный вариант схемы городской сети.
Обозначения:
- Электростанция, где электроэнергия производится.
- Подстанция, повышающая напряжение, чтобы обеспечить высокую эффективность передачи электроэнергии на значительные расстояния.
- ЛЭП с высоким напряжением (35,0-750,0 кВ).
- Подстанция с понижающими функциями (на выходе 6,0-10,0 кВ).
- Пункт распределения электроэнергии.
- Питающие кабельные линии.
- Центральная подстанция на промышленном объекте, служит для понижения напряжения до 0,40 кВ.
- Радиальные или магистральные кабельные линии.
- Вводный щит в цеховом помещении.
- Районная распределительная подстанция.
- Кабельная радиальная или магистральная линия.
- Подстанция, понижающая напряжение до 0,40 кВ.
- Вводный щит жилого дома, для подключения внутренней электрической сети.
Передача электроэнергии на дальние расстояния
Основная проблема, связанная с такой задачей – рост потерь с увеличением протяженности ЛЭП. Как уже упоминалось выше, для снижения энергозатрат на передачу электричества уменьшают силу тока путем увеличения напряжения. К сожалению, такой вариант решения порождает новые проблемы, одна из которых коронные разряды.
С точки зрения экономической целесообразности потери в ВЛ не должны превышать 10%. Ниже представлена таблица, в которой приводится максимальная протяженность линий, отвечающих условиям рентабельности.
Таблица 1. Максимальная протяженность ЛЭП с учетом рентабельности (не более 10% потерь)
| Напряжение ВЛ (кВ) | Протяженность (км) |
| 0,40 | 1,0 |
| 10,0 | 25,0 |
| 35,0 | 100,0 |
| 110,0 | 300,0 |
| 220,0 | 700,0 |
| 500,0 | 2300,0 |
| 1150,0* | 4500,0* |
* — на текущий момент ультравысоковольтная ВЛ переведена на работу с напряжением в половину от номинального (500,0 кВ).
Постоянный ток в качестве альтернативы
В качестве альтернативы электропередачи переменного тока на большое расстояние можно рассматривать ВЛ с постоянным напряжением. Такие ЛЭП обладают следующими преимуществами:
- Протяженность ВЛ не влияет на мощность, при этом ее максимальное значение существенно выше, чем у ЛЭП с переменным напряжением. То есть при увеличении потребления электроэнергии (до определенного предела) можно обойтись без модернизации.
- Статическую устойчивость можно не принимать во внимание.
- Нет необходимости синхронизировать по частоте связанные энергосистемы.
- Можно организовать передачу электроэнергии по двухпроводной или однопроводной линии, что существенно упрощает конструкцию.
- Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи.
- Практически отсутствует генерация реактивной мощности.
Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях.
С инверсией (процесс полностью противоположный выпрямлению) также не все просто, необходимо допиться качественных синусоидальных характеристик, что существенно увеличивает стоимость оборудования. Помимо этого следует учитывать проблемы с организацией отбора мощности и низкую рентабельность при протяженности ВЛ менее 1000-1500 км.
Кратко о свехпроводимости.
Сопротивление проводов можно существенно снизить, охладив их до сверхнизких температур. Это позволило бы вывести эффективность передачи электроэнергии на качественно новый уровень и увеличить протяженность линий для использования электроэнергии на большом удалении от места ее производства. К сожалению, доступные на сегодняшний день технологии не могут позволить использования сверхпроводимости для этих целей ввиду экономической нецелесообразности.