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 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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник

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

220 000 Вольт! Почему на ЛЭП такое высокое напряжение?

Все видели эти огромные железные конструкции, которые зовутся ЛЭП (Линии Электро Передач). Кто проходил рядом с ними или просто бывал рядом знают как они трещат. Это высокое напряжение вызывает такой треск.

Железные колонны

Обычно высоковольтные ЛЭП имеют напряжение от 220 кВ (220 тысяч Вольт), есть еще 330 кВ, 500 кВ, редко 750 кВ и даже 1000 кВ (1 миллион Вольт).

Спрашивается зачем такое высокое напряжение? Ведь чем выше напряжение, тем больше нужны расстояния до заземленных частей (самой опоры ЛЭП, близкостоящих деревьев, самой земли в конце-концов). Поэтому приходится делать опоры такими высокими и тяжелыми, вырубать очень много деревьев на пути прокладки ЛЭП. Все это очень дорого и трудоемко. Наверняка это все не просто так. И это на самом деле правда.

От источника до потребителя

Дело в том, электрическая энергия вырабатывается далеко в глубине России на гидроэлектростанциях (ГЭС), которые строятся на крупных многоводных реках, поэтому их не построишь там где захочешь. ГЭС находится на плотине, в недрах которой зашиты специальные генераторы. Если говорить упрощенно, они-то и являются источником энергии (на самом деле они лишь преобразовывают механическую энергию падающей воды в электрическую энергию). И вот генераторы «создают» электричество и передают его в провода ЛЭП. Причем напряжение это сравнительно небольшое (6,3 кВ; 10,5 кВ; 13,8 кВ; 15,75 кВ; 20 кВ и 24 кВ).

А потребляется это электричество в основном в районных и областных центрах, которые находятся в тысячах километров от ГЭС. Причем потребляется энергия на совсем малом напряжении (220 или 380 Вольт). Так зачем же ЛЭП имеют такое высокое напряжение?

А с делано это для того чтобы сократить потери энергии при передаче ее на большое расстояние. А также чтобы сократить расход металла на провода и соответственно на саму опору.

Немного физики

Есть в физике такая формула:

То есть передаваемая энергия равна произведению тока и напряжения, при которых эта энергия передается. Например, мы передаем мощность (энергию) 400 Вт (Ватты я написал чтобы проще было воспринимать, на самом деле здесь мощность измеряется в ВА (Вольт*Амперы)). Это можно представить как ток 5 Ампер умножить на напряжение 80 Вольт. Те же 400 Вт мы можем передать при напряжении 40 Вольт и токе 10 Ампер, или 20 Вольт * 20 Ампер и т. д.

И еще.

Здесь необходимо знать еще один факт из физики. У каждого проводника (и вообще у каждого материала) есть свое собственное сопротивление. Материал как бы препятствует протеканию по нему тока. Это вызывает потери, которые проявляются в нагревании проводника.

Чтобы этого избежать нужно использовать проводник большего сечения (то есть брать провод потолще). И чем больше ток, тем больше должно быть сечение провода.

Источник

Для чего для передачи электроэнергии на большие расстояния повышают напряжение

Передавали бы так же до потребителя 380 линейное, зачем это нужно — повышать, а потом опять понижать? Ведь сопротивление одно и тоже и потерь на нагрев не будет.

Такой вопрос задан одним из моих читателей, и я постараюсь на него кратко ответить.

Здравствуйте уважаемые подписчики и читатели канала «Электрик со стажем».

Во первых, сопротивление проводов не одно и тоже. При одинаковом сечении провода его сопротивление будет тем больше, чем больше его длина. А раз есть сопротивление, значит, при протекании по проводу электрического тока, на этом проводе возникнет падение напряжения. И чем этот ток больше, тем больше будет падение напряжения в проводе (из закона Ома U=IR).

Для наглядности возьмём фазное напряжение (это напряжение между нулевым проводом и одним из фазных) в линии электропередач.

Если в начале линии это напряжение будет составлять 240 вольт, то в конце линии это напряжение может быть значительно меньше (в зависимости от мощности потребителя, длины линии и сечения провода).

Для примера выберем провод СИП с самым большим сечением, который выпускается промышленностью – 240 мм² (его допустимый ток нагрузки, не более 515 ампер) для воздушной линии электропередач.

Произведём самый грубый расчёт (для наглядности не будем применять никаких коэффициентов) и ток в одном проводе примем 500 ампер.

Если в частном секторе на одно домохозяйство выделенная мощность составляет 10 кВт (грубо 50 ампер), то к 1-ной фазе можно подключить 10 домов (100 кВт), или одну улицу в 30 домов при 3-фазной линии электропередач.

А если таких улиц в населённом пункте 10 или более?

Даже если предположить, что провода не имеют сопротивления и падения напряжения в них нет, то придётся строить линию электропередач от каждой улицы до источника электроэнергии (ТЭС, АЭС, ГЭС).

При таком распределении электроэнергии вся территория нашей планеты будет застроена линиями электропередач, негде будет строить жилые дома и заводы.

Проблема решается увеличением напряжения , которое будет передаваться по проводам.

Например, если вместо 380 вольт применить напряжение 10 тысяч вольт, то при той же передаваемой мощности (10 улиц по 100 кВт на фазу = 1000 кВт на фазу) ток в одном проводе составит 1000000 кВт / 10000 в = 100 А.

Теперь опять вспомним про наш провод СИП – 240 мм² (его допустимый ток нагрузки, не более 515 ампер) для воздушной линии электропередач.

По 4 таким проводам при линейном напряжении 380 вольт можно подключить 30 домохозяйств (300 кВт).

При напряжении 10кВ при помощи 3 проводов можно передать электрическую мощность равную 15000000 Вт (10000 В * 500 А * 3 = 15000000 Вт = 15 мВт), которой будет достаточно для подключения 1500 домохозяйств (15000000 Вт / 10000 Вт = 1500), после преобразования этого напряжения на трансформаторной подстанции в 380 вольт.

Вывод.

При напряжении 380 вольт и 3-фазной линии электропередач по проводам сечением 240 мм² можно передать электроэнергию для подключения 30 домохозяйств.

При напряжении 10000 вольт (10кВ) и 3-фазной линии электропередач по проводам сечением 240 мм² можно передать электроэнергию для подключения 1500 домохозяйств.

При напряжении 10000 вольт (10кВ) одна линия электропередач заменяет 50 линий электропередач 380 вольт (при том же сечении проводов).

Хочу обратить Ваше внимание на то, что мой канал не носит образовательного характера , здесь я просто делюсь с Вами своими мыслями и опытом, поэтому, моё мнение не обязательно должно совпадать с Вашим. Образование нужно получать в образовательном учреждении.

Если статья была для Вас полезной или интересной , не забудьте поставить лайк и подписаться на мой канал.

Задавайте вопросы и оставляйте комментарии, вступайте в дискуссию.

Источник