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

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

Какой смысл в повышении напряжения?

Есть классы напряжений 500, 750 кВ, и даже выше. Давайте разбираться, зачем повышать напряжение.

Для наглядности начнём с небольшого, простого расчётного примера. Нам нужно передать мощность 2500 Вт. Рассмотрим два случая:

напряжение линии U1 = 110 В и U2 = 220 В.

Вопрос: при котором из этих напряжений будет меньшее сечение провода?

Давайте прикинем для начала, какой ток у нас будет в обоих случаях:

А теперь посмотрим, во сколько раз сечение проводника во втором случае будет меньше, чем в первом. Чисто практические соображения шепчут, что где ток меньше, там и сечение можно поменьше взять. Но давайте же будем всё-таки корректны и педантичны и проведём полную цепочку рассуждений.

Знаем, что сопротивление зависит от материала, длины и сечения проводника: R = ρ * L / S. В нашем примере один и тот же материал, и одна и та же длина (то есть проводимость ρ и длина L). Тогда:

R1 = ρ * L / S1, R2 = ρ * L / S2.

Отсюда выражаем S1 и S2: S1 = ρ * L / R1, S2 = ρ * L / R2.

И нас больше всего интересует отношение сечений проводника в случае разных напряжений, а именно S2/S1. Получаем: S2/S1 = R1/R2 (всё верно, но можете сами перепроверить, где и как сокращаются ρ и L). А теперь, зная, что R = U/I, а токи и напряжения у нас известны, рассчитаем искомое соотношение сечений S2/S1:

S2/S1 = R1/R2 = (U1/I1) / (U2/I2) = (U1 * I2) / (I1 * U2) = (110 * 11,36) / (22,73 * 220) = 1249,6 / 5000,6 = 0,24989 ≈ 0,25.

И обратное соотношение: S1/S2 = 1/0,25 = 4.

Видим, что сечение проводника S1 при напряжении U1 = 110 В должно быть в 4 раза больше, чем при напряжении U2 = 220 В при равной мощности, материале и длине проводника.

Таким образом мы приходим к выводу, что повышение напряжения в 2 раза, даёт уменьшение сечения в 4 раза.

И это очень важный момент! Именно этот факт предопределил необходимость повышения напряжения электропередач, причём независимо от рода тока. Правда, на переменном токе делать это проще — есть трансформаторы.

Об этом же пишет М. А. Шателен в книге «Русские электротехники» (издание 1955 года, стр. 26):

Главная трудность решения вопроса о дальней электропередаче заключалась в том, что для передачи больших мощностей, да притом на большие расстояния, необходимо было применение токов высокого напряжения, так как чем ниже напряжение, тем толще требовались провода, и при нормально применявшихся в то время напряжениях порядка 100 вольт передача даже небольших мощностей на сравнительно небольшие расстояния требовала для проводов такого количества меди, которое делало такую передачу экономически невыполнимой.

Книгу крайне настоятельно рекомендую, в интернетах есть. Профессор Шателен и электротехникой занимался, и институт создал, и станции объединял, и в комиссии ГОЭЛРО участвовал, и электроэнергетику развивал, и академиком стал. Так что книга толковая, общее представление о развитии электротехники даёт отличное. Читается легко.

Я понимаю, дорогие читатели, что вы устали, но предлагаю посчитать ещё немного, так сказать, поиграть с параметрами передачи. Попробовать прикинуть сечение при 100 В, 400 В и 1000 В. Мощность у нас пусть будет 4500 Вт, длина передачи 2000 м, материал — медь. И считать мы будем в табличке (мне это всё тут циферками расписывать не прикольно).

Источник

Зачем поднимают напряжение для передачи электричества на большие расстояния?

Тема эта довольно избитая, но всё же я предложу на суд читателей и свой вариант статьи. Зачем? Обычно люди хорошо понимают объяснения, написанные людьми с созвучным им способом мышления. Поэтому легко понятное для одного человека описание может ввести в ступор другого при абсолютно равном интеллекте и опыте обоих. Поэтому, чем больше будет разных вариантов изложений, тем лучше.

Как обычно, я не буду упоминать лишних деталей, не относящихся к сути, и мешающих восприятию основного материала. Допущу некоторые упрощения. Статья не для профессионалов, конечно.

На примере розетки

Итак, генераторы на электростанциях вырабатывают электрическую энергию. Её передают по линиям электропередачи в наши дома, где мы её потребляем. Мы привыкли, что потребляемая нами электроэнергия базируется на напряжении 230 вольт и токе, обычно не превышающим 16 ампер на розетку (в зависимости от потребляемой мощности прибора, который мы воткнём в неё). Если мы воткнём в розетку нагреватель, вызывающий в сети ток 16 ампер, то это будет означать, что мы потребляем из сети мощность 230 В * 16 А = 3680 ватт. Запомним — мы потребляем не напряжение и не ток, а мощность. То есть, не вольты и не амперы, а ватты. Собственно, их нам и считает счётчик электроэнергии.

Ток 16 ампер, проходя от ввода в дом до розетки по проводам сечением, скажем, 2,5 мм², нагревает их. Чем больше ток или меньше сечение провода, тем больше нагрев, потому что несущим ток электронам приходится протискиваться через атомы проводника и постоянно соударяться с ними, что вызывает их (атомов) тепловые колебания (тепловые колебания кристаллической решётки, в которую выстроены эти атомы). Большему току (т.е. большему количеству электронов) нужно большее сечение провода, чтобы соударения распределялись в большем объёме и не вызывали перегрев.

Провод (особенно малого сечения) сам по себе является сопротивлением, и работает, как тот же нагреватель. То есть, при нагреве провода мы теряем на нём часть мощности, которую мы хотели бы довести до нагревателя.

Что можно сделать, чтобы передать ту же мощность от ввода в дом до розетки через то же сечение с меньшими потерями? Поскольку нагрев провода даёт именно проходящий по проводу ток, а не толкающее его напряжение, то, очевидно, нам и надо снизить ток, скомпенсировав это снижение поднятием напряжения.

Предположим, мы подняли на вводе в дом трансформатором напряжение с 230 вольт до 1000 вольт. Для передачи той же мощности нам достаточно будет тока 3680 Вт / 1000 В = 3,68 ампер вместо 16! Проверяем: 1000 В * 3,68 А = 3680 ватт. Но мы не можем просто так воткнуть наш нагреватель в 1000 вольт, поскольку его сопротивление таково, что сразу же вызовет огромный ток в сети, куда больше 16 А. Нам надо снова понизить напряжение перед розеткой до 230 вольт. То есть, поставить понижающий трансформатор. После этого мы сможем запитать нагреватель, и при этом экономить на снижении потерь в проводах внутри дома.

В магистральных линиях

Рассмотренная в предыдущей главе ситуация с поднятием напряжения на вводе в дом и опусканием его у каждой розетки, естественно, экономически нецелесообразна. Понадобится несколько трансформаторов, да и потери в самих трансформаторах превысят выигрыш от уменьшения потерь в проводах. Проще уж, наверное, положить провод толще или плюнуть на эти копеечные потери.

Однако, когда речь идёт о линиях длиной в километры, а то и в сотни километров — вот тогда потери на таких длинах настолько велики, что окупается и установка трансформаторов, и более высокие опоры с более эффективными изоляторами, да и все остальные издержки тоже. Чем длиннее линия, тем меньше ток для неё желателен, и тем выше напряжение для неё нужно.

Для непосредственного питания домов в посёлках и городах используются трансформаторные подстанции на 10/0,4 кВ. К ним подходит напряжение 10 кВ (10 000 В), а выходит на дома 0,4 кВ (400 В). При этом речь идёт о межфазном напряжении. Раньше те же посёлки запитывались через трансформаторы 6/0,38 кВ, но сейчас линии 6 кВ считаются устаревшими. Переход с 6 на 10 кВ позволил по тем же старым кабелям передавать к посёлкам бо́льшую мощность в связи с возрастанием энергонасыщенности домов.

К трансформаторам, питающим конечных потребителей, также подводятся линии с напряжениями 20 и 35 кВ.

Существуют линии на 110, 220, 330, 500 и 750 кВ для связи вышестоящих энергообъектов. Линия на 1150 кВ у нас тоже была, но в настоящий момент работает только на 500 кВ. Потери на коронные разряды при 1150 вольтах оказались слишком большими.

Источник