Почему электрическую энергию передают на большие расстояния под высоким напряжением кратко

Обновлено: 04.07.2024

Мощность является произведением напряжения на ток. То есть одну и ту же мощность можно передать большим током и низким напряжением, а можно наоборот. Для уменьшения потерь при прохождении тока (потери на нагрев проводов) нужно уменьшить сопротивление проводов. Это можно сделать увеличив их площадь сечения. Это позволит увеличить пропускаемый ток и таким образом увеличить передаваемую мощность.
Можно увеличить напряжение, сделав более надежную изоляцию. При этом увеличивать сечение проводов не обязательно, так как величина тока остается прежней.
Делаем вывод, что выгодней усилить изоляцию проводов и поднять напряжение, чем увеличивать толщину проводов и поднимать ток.

Главная задача это передача мощности на расстоянии. Для электричества, мощность - произведение тока на напряжение. Нагрев проводов и лишняя потеря мощности при передаче, напрямую зависит только от величины протекающего тока. Поэтому при передачи энергии электричеством стараются уменьшить ток, уменьшая потери, но увеличить напряжение, чтобы в сумме получить как можно большую мощность.

Дело в том, что при большом токе - больше падение напряжения.
Мощность- произведение тока и напряжения.
Чтобы передать одну и ту же мощность надо увеличить либо напряжение, либо ток.
Если увеличить ток, то падение напряжения в конечной точке будет тем больше, чем больше ток.

для примера возьмем сеть 220 вольт. .
сопротивление провода 0,1 ом
ток 10 Ампер
узнаем напряжение, которое будет затрачено на проводах (падение напряжения)
ток умножаем на сопротивление: 10*0,1=1 Вольт, т. е.
к потребителю придет
220-1= 219 Вольт
теперь представим что ток не 10, а 1000 Ампер
1000*0,1=100 Вольт
т. е. придет
220-100= 120 Вольт
улавливаете разницу?
Если в начале цепи мощность была 220*1000=220000 Ватт,
то в конце она будет 120*1000=120000 Ватт
т. е. почти в 2 раза меньше
А вот если увеличивать напряжение, а ток оставлять прежним, то потерь практически нет, т. к. ток одинаков на протяжении всей цепи и не падает как напряжение

Это вопрос экономического характера. Давайте рассмотрим пример передачи энергии S=11мVA на некоторое расстояние, допустим 10 км. Выбираем величину напряжения ЛЭП 10 кВ или 110 кВ. Сечение проводов ЛЭП выбирается по току.
В случае 10 кВ I = 11000000/10000=1100A, этому току соответствует алюминиевый провод сечением 600 мм. кв.
В случае 110 кВ I = 11000000/110000 = 100A, этому току соответствует алюминиевый провод сечение 16 мм. кв.
Теперь подумайте сами, что дешевле, Лэп указанной длины и сечением провода каждой фазы в 600 мм. кв. или сечением 16 мм. кв. и какое напряжение в данной ситуации предпочтительней.

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.

Электрическая энергия является ценным энергоресурсом, что обуславливает ее использование при преобразованиях в другие виды энергии, а также передачу ее потребителям на любые расстояния.

Как известно, электроэнергию вырабатывают на электростанциях и передают потребителям на большие расстояния с помощью линий электропередачи (ЛЭП). Но при передаче электрической энергии по проводам часть энергии тратится на нагревание проводов линий электропередачи.

Теплота \(Q\), выделяемая током в проводнике, определяется по формуле закона Джоуля — Ленца: Q = I 2 Rt .

Очевидно, чтобы уменьшить потери тепловой энергии в проводах, нужно либо уменьшать силу тока, либо уменьшать сопротивление.

Чтобы уменьшить сопротивление линии, используют провода, изготовленные из материала с малым удельным сопротивлением (обычно медь или алюминий), и увеличивают их поперечное сечение. Однако этот путь малоэффективен — провода должны иметь малую массу. Противоречия в требованиях массы малой массы и малого удельного сопротивления с большим поперечным сечением не нашли своего решения. Поэтому используют высоковольтные линии передач.

Для уменьшения силы тока при сохранении мощности (\(P = IU\)) повышают напряжение, т. е. ток трансформируют.

Электроприборы в домах рассчитаны на напряжение, отличающееся от передаваемого по ЛЭП. Поэтому существуют подстанции, на которых напряжение понижается до потребительского значения (\(220\) В).

Весь быт современного человека тесно связан с электроэнергией. От неё работает всё: начиная от зарядных устройств телефонов и заканчивая аппаратами искусственной вентиляции лёгких. Поэтому электроэнергия должна быть легкодоступна в каждом уголке планеты.

Высокое напряжение как способ уменьшения потерь

Реальность такова, что передача электроэнергии на большие расстояния неизбежно сопровождается её потерями. Существенная часть электричества, проходя путь от генератора на электростанции до розетки бытового потребителя, превращается в тепло и расходуется на обогрев атмосферы. Однако это не снижает затрат за производство электроэнергии, поэтому конечному пользователю всё же приходится оплачивать и эти нецелевые расходы.

Уменьшить ненужные потери, соответственно, траты, позволяют следующие способы:

применение высокотемпературных сверхпроводников;
увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
повышение напряжения в линиях передачи.

За первым способом будущее. Однако сегодня он технически неосуществим. От второго отказались на первых парах развития электроэнергетики, ведь он экономически нецелесообразен из-за лишних расходов на утолщение проводников. Применение высокого напряжения оказалось наиболее удачным методом, поэтому он используется по всему миру уже порядка ста лет.

Классификация линий электропередач

Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.

По классу напряжению ЛЭП бывают:

низковольтные, до 1 кВ;
высоковольтные, свыше 1 кВ.

По назначению:

Межсистемные линии с напряжением от 500 кВ и выше;
Магистральные, 220-500 кВ;
Распределительные, 110-220 кВ;
Линии 35 кВ для питания сельхоз потребителей;
ЛЭП 1-20 кВ, используемые в пределах одного населённого пункта.

Род электрического тока в ЛЭП подразделяются на:

переменный (практически все линии);
постоянный ток (встречается редко, в основном 3,3 кВ контактной сети железной дороги).

Способы передачи электроэнергии

Наиболее распространены два способа передачи электроэнергии: с помощью воздушных и кабельных линий. Они отличаются между собой по дальности и среде, в которой находится проводник.

Воздушные линии – это, упрощённо, медные или алюминиевые проводники, подвешенные через изоляторы на металлические или железобетонные опоры. При таком методе возможна передача электричества на большие расстояния и между разными государствами.

Кабельная линия – прокладка проводов под землёй. Отдельные токоведущие жилы расположены, как правило, в резиновой или ПВХ изоляции. Если напряжение высокое, то имеется и броня из металлической ленты. Также она служит в качестве экрана для защиты от помех. Встречается преимущественно в пределах города или предприятия.

Дополнительная информация. Применяя кабельные линии, возможно транспортировать электроэнергию по дну водоёмов и даже морей. Это позволяет поставлять электричество на острова. Применение ЛЭП таких возможностей не подразумевает.

Схема передачи энергии от электростанции до потребителя

Главная электростанция (1) вырабатывает напряжение порядка 10-12 кВ. Затем оно повышается с помощью трансформатора (2) до более высокого уровня: 35, 110, 220, 400, 500 или 1150 кВ. После по кабельной или воздушной линии (3) энергия передаётся на расстояния от единиц до тысяч километров и попадает на понижающую подстанцию. На ней также установлен трансформатор (4), который преобразует сотни киловольт снова в 10-12 тысяч вольт. Далее следует ещё один каскад понижения до 380/220 В (5). Это напряжение является конечным и раздаётся по потребителям (6), т.е. жилым домам, больницам и т.д.

Трансформаторные подстанции

Для преобразования напряжения одной величины в другую служат трансформаторные подстанции. Они представляют собой огороженный забором объект, имеющий на своей территории трансформатор. Внутри него располагаются первичная и вторичная обмотки (катушки). Их электромагнитное взаимодействие позволяет с большим КПД преобразовывать энергию. На подстанцию заходят воздушные линии или кабеля с одним напряжением, а выходят с другим, как правило, более низким.

Там же располагаются всевозможные системы контроля и учёта электроэнергии и распределительное устройство (РУ). Оно предназначено для связи с другими объектами энергосистемы и является неотъемлемой частью трансформаторной подстанции. РУ позволяет отключить отдельного потребителя по стороне низкого напряжения, не обесточивая при этом всех остальных.

Пропускная способность линий электропередач

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.

Потери электроэнергии

Причины потерь при передаче электрической энергии на расстояние кроются в строении вещества. Электрический ток – это направленное движение по проводнику свободных носителей зарядов. В случае с ЛЭП и кабелями их роль играют электроны. Эти частицы, проходя по сечению провода, неизбежно сталкиваются с окружающими их атомами меди или алюминия и сообщают им часть своей кинетической энергии. Микрочастицы металла за счёт этого удара становятся подвижнее, что и воспринимается органами чувств человека как повышение температуры.

Количество теплоты Q, выделенной в проводнике за время t и потерянной впустую, вычисляется по закону Джоуля – Ленца. Оно пропорционально квадрату протекающего в проводе тока I и его сопротивлению R:

Дополнительная информация. Потери электричества имеются и в трансформаторе. К самым большим из них относятся затраты энергии на создание вихревых токов в сердечнике и нагрев обмоток.

Передача электричества на дальние расстояния

Если передача электрической энергии осуществляется на дистанции в сотни километров, то используют воздушные линии. Их строительство обходится существенно дешевле, в сравнении с кабельными, укладываемыми под землю. ЛЭП способны объединять в общую сеть соседние страны. Помимо этого, они проще в эксплуатации, ведь провода находятся под открытым небом. Этот фактор упрощает осмотр технического состояния линии и позволяет заблаговременно спрогнозировать её неисправности.

Постоянный ток в качестве альтернативы

Большинство из используемых сегодня в мире линий электропередач работает на переменном токе. Однако имеются исключения. В некоторых случаях применение постоянного тока оказывается более эффективным:

отпадает необходимость в синхронизации генераторов, работающих в разных энергосистемах;
сводятся к нулю потери на ёмкостное и индуктивное сопротивления кабеля;
снижается стоимость линии, т.к. для передачи постоянного тока достаточно всего 2 проводников;
возможность использования на уже построенных ЛЭП переменного тока, т.е. не нужно возводить новые магистрали;
снижение электромагнитного излучения, возникающего при смене направления тока.

Дополнительная информация. Большинство домашних электроприборов может работать от постоянного тока. К ним относятся лампочки, интернет роутеры, дрели, обогреватели и многое другое. Переменный ток необходим только для некоторых видов двигателей, которые в быту встречаются крайне редко.

Умение передавать электрический ток на огромные расстояния послужило решающим фактором для развития всего человечества. Однако индустрия не стоит на месте, поэтому сейчас учёные работают над тем, чтобы сделать транспортировку энергии ещё эффективнее и дешевле.

Видео

Читайте также: