Меню

Зачем нужно повышать напряжение для линий электропередач

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.

Источник



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.

Читайте также:  Непосредственный преобразователь напряжения повышающего типа

Передача электроэнергии на расстояние

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.

Схема передачи электроэнергии

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.

Передача электроэнергии с использованием трансформатора

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.

Читайте также:  Регулятор напряжения генератора схема электрическая принципиальная

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 стало возможным строительство сверхмощных электростанций и полное использование их энергии.

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.

Источник

Для уменьшения потерь электроэнергии при её передаче на дальние расстояния напряжение в сети увеличивают до нескольких сотен киловольт

Электроэнергия необходима повсюду. Однако теплоэлектростанции выгоднее строить там, где топливо дешевле, а электростанции – только на мощных реках, иначе стоимость электроэнергии будет неоправданно высокой. Поэтому потребители электроэнергии, производимой в сравнительно немногих местах, часто находятся на очень больших расстояниях от электростанций.

Передавать электроэнергию от мест её производства к потребителям необходимо с минимальными потерями. Главная причина этих потерь – превращение части электроэнергии во внутреннюю энергию проводов, их нагрев. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты Q, выделяемое за время t в проводнике сопротивлением R при прохождении тока I , равно:

Читайте также:  Для стенокардии напряжения ii функционального класса характерно появление болей

Из (13.1) следует, что для уменьшения нагрева проводов необходимо уменьшать силу тока в них и их сопротивление. Чтобы уменьшить сопротивление проводов, увеличивают их диаметр, однако, очень толстые провода, висящие между опорами линий электропередач, могут оборваться под действием силы тяжести, особенно, при снегопаде. Кроме того, при увеличении толщины проводов растёт их стоимость, а они сделаны из относительно дорогого металла, меди. Поэтому более эффективным способом минимизации энергопотерь при передаче электроэнергии служит уменьшение силы тока в проводах.

Таким образом, чтобы уменьшить нагрев проводов при передаче электроэнергии на дальние расстояния, необходимо сделать силу тока в них как можно меньше. Как известно, мощность тока равна произведению силы тока на напряжение. Значит, для сохранения мощности, передаваемой на дальние расстояния, надо во столько же раз увеличить напряжение, во сколько была уменьшена сила тока в проводах.

Пусть P — мощность, передаваемая потребителю электроэнергии при напряжении в сети, равном U. Если в формуле (13.1) силу тока I заменить на P/U, то она преобразуется в :

из которой следует, что при постоянных значениях передаваемой мощности тока и сопротивления проводов потери на нагрев в проводах обратно пропорциональны квадрату напряжению в сети. Например, при увеличении напряжения в 10 раз потери электроэнергии при её передаче уменьшатся в 100 раз. Поэтому для передачи электроэнергии на расстояния в несколько сотен километров используют высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), напряжение между проводами которых составляет десятки, а иногда сотни тысяч вольт.

Высокое напряжение опасно для жизни, и поэтому напряжение в электрических сетях потребления последовательно уменьшают на трансформаторных подстанциях: сначала до 4-40 кВ для магистральной сети, разводящей электроэнергию по улицам и дорогам, а потом до 120-240 В для распределительной сети бытовых и коммерческих потребителей (см. рис. 13).

С помощью ЛЭП соседние электростанции объединяются в единую сеть, называемую энергосистемой. Единая энергосистема России включает в себя огромное число электростанций, управляемых из единого центра и обеспечивает бесперебойную подачу электроэнергии потребителям.

Вопросы для повторения:

· Почему электроэнергию передают на дальние расстояния по высоковольтным линиям электропередач?

· Во сколько раз уменьшатся потери электроэнергии при её передаче, связанные с нагревом проводов, при повышении напряжения в сети в 100 раз?

· Почему при потреблении электроэнергии напряжение в сети уменьшают?

· В чём заключается преимущество переменного тока перед постоянным при передаче электроэнергии на дальние расстояния.

Рис. 13. Схема передачи и распределения электроэнергии. 1 – тепловая электростанция; 2 – трансформаторная подстанция, повышающая напряжение; 3 – мачты высоковольтной линии электропередач; 4 — трансформаторная подстанция, понижающая напряжение; 5 – магистральная сеть; 6 – понижающий трансформатор.

Источник