Передача электроэнергии на большие расстояния

 

Передача новостей на большие расстояния всего пару сотен лет назад казалась чем-то из области фантастики. Время почтовых голубей, издревле использовавшихся римлянами, персами, и египтянами, прошло после изобретения телеграфной связи. С уверенностью можно сказать, что с передачей энергии на большие дистанции в те же периоды истории дела обстояли гораздо хуже. Проводники с высоким сопротивлением, низкое напряжение, серьезная коммерческая борьба за использование постоянного тока – лишь некоторые из факторов, тормозивших развитие электрических систем и сетей.

Ни для кого не секрет, что энергетику можно назвать достаточно консервативной отраслью. Если сравнивать скорость развития тепло- и электроэнергетики с прогрессом в информационных технологиях за одинаковые периоды времени, то разница чувствуется особенно резко. Окружающие нас сенсорные дисплеи с ультравысоким разрешением, искусственный интеллект, повсеместный и универсальный доступ к сети Интернет заметно развились с начала этого столетия. Однако опоры линий электропередачи (ЛЭП) до сих пор несут на себе тысячи километров сталеалюминиевыех проводов, перегрузки предотвращаются автоматическими выключателями, не сильно изменившимися за последние 70 лет. Суперпроводники, работающие при комнатной температуре, так и остались артефактами на страницах научных журналов и научно-популярной литературы. Чем же вызвана кажущаяся неповоротливость энергетики? Какие факторы на это влияют? И как вообще происходит передача электроэнергии на большие расстояния? Обо всем по порядку.

Как отмечалось выше, исторически сложилось, что изначально сторонников передачи электричества с использованием постоянного тока было больше. Такой перевес не был обусловлен точными расчетами, имела место пропаганда в СМИ и реклама. Почему же сейчас в контексте передачи электроэнергии мы слышим лишь о переменном токе?

Все начинается с электростанций. И для производителей, и для потребителей электроэнергии экономически выгодно иметь один централизованной источник энергии, а не множество разрозненных. От таких центров питания финансово целесообразно прокладывать ЛЭП к потребителям. Как известно, мощность (а в каждый момент времени по проводам передается именно мощность) равна произведению напряжения на ток. Для получения одной и той же мощности можно либо увеличить ток и снизить напряжение, либо сделать наоборот.

Случай с низким напряжением и высоким током очень неэффективный, при такой стратегии потери электроэнергии на длинных ЛЭП могут составлять 60 и более процентов. Случай с высоким напряжением и низким током гораздо более выгодный. При использовании постоянного тока увеличение уровня напряжения составляет серьезную проблему, а вот с переменным этого добиться очень просто. Трансформаторы – это электрические машины, преобразующие электрическую мощность с низкого напряжения в мощность с высоким напряжением. Чем длиннее ЛЭП, тем под более высоким напряжением находятся ее провода. Кроме того, бесчисленное количество заводов и предприятий используют электродвигатели. Двигатели постоянного тока в сравнении с двигателями переменного тока безусловно проигрывают: их КПД ниже, в них больше трущихся частей, их конструкция сложнее. Поэтому большинство электродвигателей в мире – это двигатели переменного тока.

Теперь, зная ответ на вопрос, почему победа осталась за переменным током, можно взглянуть на энергосистему с большей высоты. Различные электростанции в разных уголках планеты производят электричество. Говоря упрощенно, от электрогенераторов на станциях провода тянутся к трансформаторной подстанции (ТП), повышающей напряжение до 35, 110, 330, или 750 кВ. Провода на опорах оттуда тянутся к потребителям – в города и на заводы, где напряжение снова понижается на понижающих ТП до уровня, необходимого потребителю. Это напряжения в 0.4, 1, 10 кВ. Точка, в которой соединяются две и более ЛЭП, называется электрической подстанцией. Таким образом различные электростанции одной страны связываются в одну энергосистему, а энергосистемы разных стран – в объединенную энергосистему.

Трансформатор на подстанции

Передача энергии на большие расстояния – это всегда вопрос компромисса. Что выгоднее: строить новую электростанцию или прокладывать ЛЭП от существующих станций на огромное расстояние? Например, суммарная протяженность ЛЭП в Беларуси на начало 2019 года составляла почти 280 000 км. Где и как строить линию электропередачи? При монтаже опор огромное значение играет рельеф местности и характер грунта, а также наличие населенных пунктов, дорог и деревьев.

От потребляемой мощности зависит напряжение сети. От мощности, напряжения, и, как ни странно, погоды зависит выбор проводов, изоляторов и опор. При строительстве энергоемких предприятий надо решить: питаться от существующей подстанции или монтировать ТП в цеху? В целом при строительстве объектов решается вопрос о категории электроснабжения, то есть нужно ли прокладывать резервные линии и если да, то сколько? Отдельный и сложный вопрос представляет собой устойчивость энергосистемы, то есть ее способность функционировать, когда пропадает питание от электростанций или ЛЭП вследствие запланированного ремонта или аварии.  

Ротор турбогенератора

На данный момент принимается множество решений для модернизации энергосистем, например, привычные провода заменяют на алюминиевые с композитным тросом вместо стального. Это уменьшает провис проводов, увеличивает безопасную зону вокруг ЛЭП и их надежность. В целом же человечество еще не вышло на революционно новые методы производства и передачи электроэнергии.

Пожалуй, можно сказать, что в современном мире электроэнергетика находится на третьем месте после воздуха и воды. Миллионы километров проводов и кабелей смонтированы, огромные генераторы (диаметром до 16 метров) прочно закреплены на земной поверхности, это и объясняет вынужденную неповоротливость и стратегическую важность высоковольтной электроэнергетики.

Для обслуживания и проверки ЛЭП и электрических сетей существуют лаборатории электрофизических измерений. К таким, например, относится компания «ТМРсила-М», имеющая многолетний опыт работы в энергетике и сформированная из опытных специалистов.

 

Как передается электроэнергия на расстоянии к потребителям

Ни для кого не секрет, что электричество в наш дом попадает от электростанций, являющихся основными источниками электроэнергии. Однако между нами (потребителями) и станцией может быть сотни километров и через все это дальнее расстояние ток должен каким-то образом передаваться с максимальным КПД. В этой статье мы, собственно, и рассмотрим, как передается электроэнергия на расстоянии к потребителям.

Маршрут транспортировки электричества

Итак, как мы уже сказали, начальной точкой является электрическая станция, которая, собственно, и генерирует электроэнергию. На сегодняшний день основными видами электростанций являются гидро- (ГЭС), тепло- (ТЭС) и атомные (АЭС). Помимо этого бывают солнечные, ветровые и геотермальные эл. станции.

Далее от источника электричество передается к потребителям, которые могут находиться на дальних расстояниях. Чтобы осуществить передачу электроэнергии, нужно повысить напряжение с помощью повышающих трансформаторов (напряжение могут повысить вплоть до 1150 кВ, в зависимости от расстояния).

Почему электроэнергия передается при повышенном напряжении? Все очень просто. Вспомним формулу электрической мощности — P=UI, тогда если передавать энергию к потребителю, то чем выше напряжение на линии электропередач — тем меньше ток в проводах, при той же потребляемой мощности. Благодаря этому можно строить ЛЭП с большим напряжением, уменьшив сечение проводов, по сравнению с ЛЭП с низшим напряжением. Значит и сократятся расходы на строительство — чем тоньше провода, тем они дешевле.

Соответственно от станции электричество передается на повышающий трансформатор (при необходимости), а после этого с помощью ЛЭП осуществляется передача электроэнергии на ЦРП (центрально распределительные подстанции). Последние, в свою очередь, находятся в городах или в близком расстоянии от них. На ЦРП происходит понижение напряжения до 220 или же 110 кВ, откуда электроэнергия передается к подстанциям.

Далее напряжение еще раз понижают (уже до 6-10 кВ) и происходит распределение электрической энергии по трансформаторным пунктам, именуемым также ТП. К трансформаторным пунктам электричество может передаваться не по ЛЭП, а подземной кабельной линией, т.к. в городских условиях это будет более целесообразно. Дело в том, что стоимость полосы отчуждения в городах достаточно высокая и более выгодно будет прокопать траншею и заложить кабель в ней, нежели занимать место на поверхности.

От трансформаторных пунктов электроэнергия передается к многоэтажным домам, постройкам частного сектора, гаражному кооперативу и т.д. Обращаем ваше внимание на то, что на ТП напряжение еще раз понижается, уже до привычных нам 0,4 кВ (сеть 380 вольт).

Если кратко рассмотреть маршрут передачи электроэнергии от источника к потребителям, то он выглядит следующим образом: электростанция (к примеру, 10 кВ) – повышающая трансформаторная подстанция (от 110 до 1150 кв) – ЛЭП – понижающая трансформаторная подстанция – ТП (10-0,4 кВ) – жилые дома.

Вот таким способом электричество передается по проводам в наш дом. Как вы видите, схема передачи и распределения электроэнергии к потребителям не слишком сложная, все зависит от того, насколько большое расстояние.

Наглядно увидеть, как электрическая энергия поступает в города и доходит до жилого сектора, вы можете на картинке ниже:

Более подробно об этом вопросе рассказывают эксперты:

Как электричество поступает от источника к потребителю

Что еще важно знать

Также хотелось пару слов сказать о моментах, которые пересекаются с этим вопросом. Во-первых, уже достаточно долго проводятся исследования на тему того, как осуществить передачу электроэнергии без проводов. Существует множество идей, но самым перспективным на сегодняшний день решением является использование беспроводной технологии WI-Fi. Учёные из Вашингтонского университета выяснили, что этот способ вполне реален и приступили к более подробному исследованию вопроса.

Во-вторых, на сегодняшний день по ЛЭП передается переменный ток, а не постоянный. Это связано с тем, что преобразовательные устройства, которые сначала выпрямляют ток на входе, а потом снова делают его переменным на выходе, имеют достаточно высокую стоимость, что экономически не целесообразно. Однако все же пропускная способность линий электропередач постоянного тока в 2 раза выше, что также заставляет думать над тем, как ее более выгодно осуществить.

Вот мы и рассмотрели схему передачи электричества от источника к дому. Надеемся, вам стало понятно, как передается электроэнергия на расстоянии к потребителям и почему для этого используют высокое напряжение.

Будет интересно прочитать:

«Какие проблемы возникают при передаче электрической энергии?» – Яндекс.Знатоки

Вся сложность передачи электрической энергии заключается в невозможности накапливать электричество в промышленных масштабах. Поэтому вся электроэнергия, которая производится, должна в то же время передаваться непосредственно к потребителю и использоваться для работы электрооборудования.

При передаче электрической энергии на расстояния используются линии электропередач, выполняемые воздушной или кабельной прокладкой. В зависимости от геометрической формы, сечения жил и типа материала линия электропередач обладает определенной величиной омического сопротивления. При передаче электроэнергии по такой линии, часть ее будет расходоваться на нагрев самих жил – это основная проблема. Получается так, что часть энергии перейдет в тепловую, то есть бесполезно истратиться и рассеется в окружающую среду.

Чтобы минимизировать потери электроэнергии при ее передаче, нужно создать электрические станции и подстанции, которые сначала повышают напряжение до сотен киловольт, а затем снова понижают, чтобы запитать районные подстанции, ТП, КТП и непосредственно потребителей.

Передача электроэнергии на расстояние

Известно, что крупные теплоэлектростанции строят вблизи угольных месторождений или крупных газопроводов, гидроэлектростанции возводят на крупных реках, а атомные электростанции – не ближе 30–50 км от больших городов, где расположены основные потребители электроэнергии. Другими словами, электроэнергия производится вдали от мест её потребления. Следовательно, она должна быть передана к местам её потребления, для чего служат линии электропередачи (ЛЭП).

А знаете ли вы, что при типичной мощности генератора электростанции 500 МВт и напряжении 10 кВ сила тока в проводах составляет 50 тысяч ампер? Такой ток, согласно закону Джоуля-Ленца, при сопротивлении линии электропередачи всего 1 Ом ежесекундно будет выделять столько же теплоты, сколько миллион электрочайников, включённых одновременно!

По закону Джоуля-Ленца Q = I²Rt существуют две возможности для снижения потерь электроэнергии: уменьшить сопротивление линии электропередачи (R) или уменьшить в ней силу тока (I).

Рассмотрим первую возможность. Для уменьшения сопротивления нужно либо уменьшить длину проводов (и энергия не дойдёт до потребителя), либо увеличить их толщину (и тогда они станут тяжёлыми и могут обломить опоры). Как видите, первая возможность невыполнима на практике.

Рассмотрим теперь вторую возможность. При изучении трансформатора (см. § 10-з) мы отметили, что трансформатор повышает напряжение, одновременно понижая силу тока в такое же число раз. Поэтому, прежде чем ток от генератора попадает в линию электропередачи, он трансформируется (преобразовывается) в ток высокого напряжения. Повысив напряжение с 10 кВ до 1000 кВ, то есть в 100 раз, мы в такое же число раз понизим силу тока. Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты, бесполезно выделяющейся в проводах, уменьшится в 100·100 раз, то есть сразу в 10 000 раз.

На рисунке на предыдущей странице показано, что электроэнергия, выработанная генератором 1, по толстым проводам 2 поступает на трансформатор 3. После повышения напряжения ток передаётся потребителям по сравнительно тонким проводам 4. Для этого используют специальные прочные опоры 5 с гирляндами изоляторов 6.

Когда электроэнергия доходит по проводам 4 до места потребления, применяют понижающий трансформатор 7, от которого энергия поступает к потребителям 9. Энергия может поступать и к другим трансформаторам, понижающим напряжение ещё сильнее.Как правило, энергия, подающаяся в город по высоковольтной линии, проходит через три-четыре понижающих трансформатора. Они понижают напряжение каскадно, чтобы получались различные напряжения, необходимые как промышленным, так и бытовым потребителям. Это условно показано на схеме.

Передача электроэнергии на расстояние. Видеоурок. Физика 11 Класс

На прошлом уроке мы выяснили, как производится переменный электрический ток. Основным элементом генератора является катушка индуктивности, которая вращается в магнитном поле. Приводить катушку в движение можно любым способом (при помощи паровой машины, двигателя внутреннего сгорания или за счет потоков падающей воды). Далее возникает задача передачи энергии конечному пользователю. Как правило, конечные пользователи находятся далеко от электростанций. Таким образом, энергию необходимо передавать на большие расстояния. Для этого существуют линии электропередач. Однако если длина проводов большая, то и сопротивление будет высоким. В свою очередь это приведет к большим потерям передаваемой мощности. На данном уроке мы рассмотрим, от чего зависят потери мощности и как их можно уменьшить.

В общем случае схему электропередачи (рис. 1) можно представить в виде простой замкнутой цепи. Источник ЭДС () обладает внутренним сопротивлением . Всех потребителей тока можно представить как общую нагрузку сопротивлением . Соединительные провода линий передач обладают электрическим сопротивлением .  

                     

Рис. 1. Схема электропередачи

Значение тока в цепи будет определяться законом Ома для полной цепи:

Обычно внутренним сопротивлением источника можно пренебречь, поскольку оно намного меньше сопротивлений проводов и нагрузки:

Так, ЭДС источника можно определить по соотношению:

Умножим полученное выражение на величину тока:

Каждое из слагаемых в полученном выражении имеет определенный смысл. Так, в левой части равенства стоит мощность сторонних сил или мощность источника. Первое слагаемое в правой части равенства представляет собой мощность, передаваемую потребителям, – полезную мощность. Второе слагаемое – потеря мощности.

При передаче электроэнергии важно максимально увеличить полезную мощность, сведя к минимуму при этом потери. Попытаемся этого достичь. Зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки  (рис. 2) имеет вид:

Рис. 2. График зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки

Можно показать, что полезная мощность как функция сопротивления нагрузки будет иметь максимум при условии равенства сопротивления нагрузки и сопротивления подводящих проводов – согласование сопротивлений.

Если сопротивление источника сопоставимо с сопротивлением проводов, то условие максимума полезной мощности будет представлять собой равенство сопротивления нагрузки и суммы сопротивлений проводов и источника. Таким образом, потребителю доставляется максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно сумме сопротивлений подводящих проводов и источника.

Рассмотрим причины, от которых зависят потери мощности. При заданной мощности источника ток в цепи будет равен отношению мощности источника к ЭДС:

Если внутренним сопротивлением источника пренебречь, то напряжение на полюсах источника будет равно ЭДС источника:

Тогда мощность потерь в проводах будет пропорциональна квадрату мощности источника и обратно пропорциональна квадрату напряжения на источнике.

Из этого выражения видим, что для уменьшения мощности потерь необходимо либо уменьшать сопротивление подводящих проводов, либо увеличивать напряжение на электростанции.

Рассмотрим, почему так важно уменьшать потери. Крупный город потребляет мощность порядка  МВт. Из-за потерь мощности станция должна вырабатывать существенно больше, чем  МВт. Сопротивление  проводов линий электропередач равно примерно .

При передаче электроэнергии при напряжении  потери мощности в проводах составят около .

Мощность на нагрузке равна: .

Ток через нагрузку равен: .

Ток в проводниках будет такой же, как и ток через нагрузку, поэтому мощность потерь в проводах будет иметь вид:

При передаче на  потери мощности составят за один час . При стоимости  потери мощности составят .

Чтобы избежать таких колоссальных потерь, целесообразно существенно повысить предаваемое напряжение. Например, если повысить передаваемое напряжение с до , то указанные потери уменьшатся в . Поэтому передача электроэнергии на расстояние требует повышения напряжения до 400 или 500 кВ, а затем его снижения до потребительского уровня 220 В. Однако сконструировать электростанции, вырабатывающие сразу высокое напряжение, затруднительно. Электростанции вырабатывают, как правило, невысокое напряжение порядка . Поэтому сначала необходимо повысить напряжение до , а затем снизить до . Подобные модификации представляют собой технически крайне сложную задачу при использовании постоянного тока. В случае же переменного тока эта задача решается гораздо проще. Именно этим объясняется то, что все электростанции и линии передач работают на переменном токе.

 

Список литературы

1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416 с.: ил., 8 л. цв. вкл.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.
3. Тихомирова С.А., Яровский Б.М., Физика 11. – М.: Мнемозина.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «Allbest.ru» (Источник).
2. Интернет-портал «Хижина» (Источник).
3. Интернет-портал «Radiobank.ru» (Источник).

 

Домашнее задание

1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416 с.: ил., 8 л. цв. вкл., §37, ст. 136, в.1-5.
2. Почему при передаче электроэнергии на большие расстояния прежде всего уделяют внимание повышению напряжения, а не уменьшению сопротивления проводов?
3. ^*Потребителю передается полезная мощность 200 кВт. Сопротивление линии электропередачи – 5 Ом, напряжение на шинах станции – 2000 В. На сколько изменится КПД электропередачи, если напряжение на шинах электростанции увеличить в 2,5 раза, а передаваемую потребителю мощность оставить прежней?

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ

В последней трети XIX века во многих крупных промышленных центрах Европы и Америки стала очень остро ощущаться энергетическая проблема. Жилые дома, транспорт, фабрики и мастерские требовали все больше топлива, подвозить которое приходилось издалека, вследствие чего цена на него постоянно росла. В этой связи то здесь, то там стали обращаться к гидроэнергии рек, гораздо более дешевой и доступной. Вместе с тем повсеместно возрастал интерес к электрической энергии. Уже давно было отмечено, что этот вид энергии чрезвычайно удобен: электричество легко генерируется и так же легко преобразуется в другие виды энергии, без труда передается на расстояние, подводится и дробится.

Первые электрические станции обычно представляли собой электрогенератор, присоединенный к паровой машине или турбине, и предназначались для снабжения электроэнергией отдельных объектов (например, цеха или дома, в крайнем случае, квартала). С середины 80-х годов стали строиться центральные городские электростанции, дававшие ток прежде всего для освещения. (Первая такая электростанция была построена в 1882 году в Нью-Йорке под руководством Эдисона.) Ток на них вырабатывался мощными паровыми машинами. Но уже к началу 90-х годов стало ясно, что таким образом энергетическую проблему не разрешить, поскольку мощность центральных станций, расположенных в центральной части города, не могла быть очень большой. Использовали они те же уголь и нефть, то есть не снимали проблемы доставки топлива.

Дешевле и практичнее было возводить электростанции в местах с дешевыми топливными и гидроресурсами. Но, как правило, местности, где можно было в большом количестве получать дешевую электроэнергию, были удалены от промышленных центров и больших городов на десятки и сотни километров. Таким образом, возникла другая проблема — передачи электроэнергии на большие расстояния.

Первые опыты в этой области относятся к самому началу 70-х годов XIX века, когда пользовались в основном постоянным током. Они показали, что как только длина соединительного провода между генератором тока и потреблявшим этот ток двигателем превышала несколько сотен метров, ощущалось значительное снижение мощности в двигателе из-за больших потерь энергии в кабеле. Это явление легко объяснить, если вспомнить о тепловом действии тока. Проходя по кабелю, ток нагревает его. Эти потери тем больше, чем больше сопротивление провода и сила проходящего по нему тока. (Количество выделяющейся теплоты Q легко вычислить. Формула имеет вид: Q=R•I2, где I — сила проходящего тока, R — сопротивление кабеля. Очевидно, что сопротивление провода тем больше, чем больше его длина и чем меньше его сечение. Если в этой формуле принять I=P/U, где P — мощность линии, а U — напряжение тока, то формула примет вид Q=R•P2/U2. Отсюда видно, что потери на тепло будут тем меньше, чем больше напряжение тока.) Имелось только два пути для снижения потерь в линии электропередачи: либо увеличить сечение передающего провода, либо повысить напряжение тока. Однако увеличение сечения провода сильно удорожало его, ведь в качестве проводника тогда использовалась достаточно дорогая медь. Гораздо более выигрыша сулил второй путь.

В 1882 году под руководством известного французского электротехника Депре была построена первая линия электропередачи постоянного тока от Мисбаха до Мюнхена, протяженностью в 57 км. Энергия от генератора передавалась на электродвигатель, приводивший в действие насос. При этом потери в проводе достигали 75%. В 1885 году Депре провел еще один эксперимент, осуществив электропередачу между Крейлем и Парижем на расстояние в 56 км. При этом использовалось высокое напряжение, достигавшее 6 тысяч вольт. Потери снизились до 55%. Было очевидно, что, повышая напряжение, можно значительно повысить КПД линии, но для этого надо было строить генераторы постоянного тока высокого напряжения, что было связано с большими техническими сложностями. Даже при этом сравнительно небольшом напряжении Депре приходилось постоянно чинить свой генератор, в обмотках которого то и дело происходил пробой. С другой стороны, ток высокого напряжения нельзя было использовать, поскольку на практике (и прежде всего для нужд освещения) требовалось совсем небольшое напряжения, порядка 100 вольт. Для того чтобы понизить напряжение постоянного тока, приходилось строить сложную преобразовательную систему: ток высокого напряжения приводил в действие двигатель, а тот, в свою очередь, вращал генератор, дававший ток более низкого напряжения. При этом потери еще более возрастали, и сама идея передачи электроэнергии становилась экономически невыгодной.

Переменный ток в отношении передачи казался более удобным хотя бы уже потому, что его можно было легко трансформировать, то есть в очень широких пределах повышать, а затем понижать его напряжение. В 1884 году на Туринской выставке Голяр осуществил электропередачу на расстояние в 40 км, подняв с помощью своего трансформатора напряжение в линии до 2 тысяч вольт. Этот опыт дал неплохие результаты, но и он не привел к широкому развитию электрификации, поскольку, как уже говорилось, двигатели однофазного переменного тока по всем параметрам уступали двигателям постоянного тока и не имели распространения. Таким образом, и однофазный переменный ток было невыгодно передавать на большие расстояния. В следующие годы были разработаны две системы многофазных токов — двухфазная Теслы и трехфазная Доливо-Добровольского. Каждая из них претендовала на господствующее положение в электротехнике. По какому же пути должна была пойти электрификация? Точного ответа на этот вопрос поначалу не знал никто. Во всех странах шло оживленное обсуждение достоинств и недостатков каждой из систем токов. Все они имели своих горячих сторонников и ожесточенных противников. Некоторая ясность в этом вопросе была достигнута только в следующем десятилетии, когда был сделан значительный прорыв в деле электрификации. Огромную роль в этом сыграла Франкфуртская международная выставка 1891 года.

В конце 80-х годов встал вопрос о сооружении центральной электростанции во Франкфурте-на-Майне. Многие германские и иностранные фирмы предлагали городским властям различные варианты проектов, предусматривающие применение либо постоянного, либо переменного тока. Обер-бургомистр Франкфурта находился в явно затруднительном положении: он не мог сделать выбор там, где это было не под силу даже многим специалистам. Для выяснения спорного вопроса и решено было устроить во Франкфурте давно планировавшуюся международную электротехническую выставку. Ее главной целью должна была стать демонстрация передачи и распределения электрической энергии в различных системах и применениях. Любая фирма могла продемонстрировать на этой выставке свои успехи, а международная комиссия из наиболее авторитетных ученых должна была подвергнуть все экспонаты тщательному изучению и дать ответ на вопрос о выборе рода тока. К началу выставки различные фирмы должны были построить свои линии передачи электроэнергии, причем одни собирались демонстрировать передачу постоянного тока, другие — переменного (как однофазного, так и многофазного). Фирме АЭГ было предложено осуществить передачу электроэнергии из местечка Лауфен во Франкфурт на расстояние 170 км. По тем временам это было огромное расстояние, и очень многие считали саму идею фантастической. Однако Доливо-Добровольский был настолько уверен в системе и возможностях трехфазного тока, что убедил директора Ротенау согласиться на эксперимент.

Когда появились первые сообщения о проекте электропередачи Лауфен — Франкфурт, электротехники во всем мире разделились на два лагеря. Одни с энтузиазмом приветствовали это смелое решение, другие отнеслись к нему как к шумной, но беспочвенной рекламе. Подсчитывали возможные потери энергии. Некоторые считали, что они составят 95%, но даже самые большие оптимисты не верили, что КПД такой линии превысит 15%. Наиболее известные авторитеты в области электротехники, в том числе знаменитый Депре, высказывали сомнения в экономической целесообразности этой затеи. Однако Доливо-Добровольский сумел убедить руководство компании в необходимости взяться за предложенную работу.

Поскольку до открытия выставки оставалось совсем мало времени, строительство ЛЭП проходило в большой спешке. За полгода Доливо-Добровольский должен был спроектировать и построить небывалый по мощности асинхронный двигатель на 100 л.с. и четыре трансформатора на 150 киловатт, при том что максимальная мощность однофазных трансформаторов составляла тогда только 30 киловатт. Не могло быть и речи об опытных конструкциях: на это просто не хватало времени. Даже построенный двигатель и трансформаторы не могли быть испытаны на заводе, так как в Берлине не было трехфазного генератора соответствующей мощности (генератор для Лауфеновской станции строили в Эрликсоне). Следовательно, все элементы электропередачи предстояло включить непосредственно на выставке в присутствии многих ученых, представителей конкурирующих фирм и бесчисленных корреспондентов. Малейшая ошибка была бы непростительной. Кроме того, на плечи Доливо-Добровольского легла вся ответственность за проектирование и монтажные работы при сооружении ЛЭП. Собственно, ответственность была даже больше — ведь решался вопрос не только о карьере Доливо-Добровольского и престиже АЭГ, но и о том, по какому пути пойдет развитие электротехники. Доливо-Добровольский прекрасно понимал всю важность стоявшей перед ним задачи и писал позже: «Если я не хотел навлечь на мой трехфазный ток несмываемого позора и подвергнуть его недоверию, которое вряд ли удалось бы потом быстро рассеять, я обязан был принять на себя эту задачу и разрешить ее. В противном случае опыты Лауфен-Франкфурт и многое, что потом должно было развиться на их основе, пошли бы по пути применения однофазного тока».

В Лауфене была в короткий срок построена небольшая гидроэлектростанция. Турбина мощностью 300 л.с. вращала генератор трехфазного тока, спроектированный и построенный, как уже говорилось, на заводе в Эрликсоне. От генератора три медных провода большого сечения вели к распределительному щиту. Здесь были установлены амперметры, вольтметры, свинцовые предохранители и тепловые реле. От распределительного щита три кабеля шли к трем трехфазным трансформаторам «призматического» типа. Обмотки всех трансформаторов соединялись в звезду. Предполагалось вести электропередачу при напряжении в 15 тысяч вольт, но все расчеты делались на работу в 25 тысяч вольт. Для достижения такого высокого напряжения планировалось включить по два трансформатора на каждом конце линии, так чтобы их обмотки низшего напряжения были соединены параллельно, а обмотки высшего — последовательно.

От трансформаторов в Лауфене начиналась трехпроводная линия, подвешенная на 3182 деревянных опорах высотой 8 и 10 м со средним пролетом 60 м. Никаких выключателей на линии не было. Для того чтобы в случае необходимости можно было быстро отключить ток, предусматривались два оригинальных приспособления. Рядом с Лауфенской гидроэлектростанцией были установлены две опоры на расстоянии 2, 5 м одна от другой. Здесь в разрыв каждого провода линии включалась плавкая вставка, состоявшая из двух медных проволок диаметром 0, 15 мм. Во Франкфурте и вблизи железнодорожных станций (часть линии шла вдоль железнодорожного полотна) были установлены так называемые угловые замыкатели. Каждый из них представлял собой металлический брус, подвешенный с помощью шнура на Г-образной опоре. Достаточно было дернуть за шнур, и брус опускался на все три провода, создавая искусственное короткое замыкание, что вызывало перегорание плавких вставок в Лауфене и обесточивание всей линии. Во Франкфурте провода подходили к понижающим трансформаторам (они находились на выставке в специальном павильоне), которые снижали напряжение на выходе до 116 вольт. К одному из этих трансформаторов было подключено 1000 ламп накаливания по 16 свечей (55 ватт) каждая, к другому — большой трехфазный двигатель Доливо-Добровольского, размещавшийся в другом павильоне.

Линейное напряжение генератора в Лауфене составляло 95 вольт. Повышающий трансформатор имел коэффициент трансформации равный 154. Следовательно, рабочее напряжение в ЛЭП составляло 14650 вольт (95•154). Для того времени это было очень высокое напряжение. Правительства земель, через которые проходила ЛЭП, были встревожены ее сооружением. У некоторых возникало чувство страха даже перед деревянными столбами, на которых были укреплены таблички с черепами. Особые опасения вызывала возможность обрыва провода и падения его на рельсы железной дороги. Выставочному комитету и сооружавшим линиям фирмам пришлось провести огромную разъяснительную работу, чтобы убедить правительственных чиновников в том, что все возможные опасности предусмотрены и что линия надежно защищена. Администрация Бадена все же не разрешала соединять участок уже готовой линии на баденской границе. Для того чтобы устранить последние препятствия и рассеять сомнения местных властей, Доливо-Добровольский провел опасный, но весьма убедительный эксперимент. Когда линия была впервые включена под напряжение, один из проводов на границе Бадена и Гессена был искусственно оборван и с яркой вспышкой упал на рельсы железной дороги. Доливо-Добровольский сейчас же подошел и поднял провод голыми руками: настолько он был уверен, что сработает сконструированная им защита. Этот «метод» доказательства оказался очень наглядным и устранил последнюю преграду перед испытаниями линии.

25 августа 1891 года в 12 часов дня на выставке впервые вспыхнули 1000 электрических ламп, питаемых током Лауфенской гидроэлектростанции. Эти лампы обрамляли щиты и арку над входом в ту часть выставки, экспонаты которой относились к электропередаче Лауфен — Франкфурт. На следующий день был успешно испытан двигатель мощностью в 75 киловатт, который 12 сентября впервые привел в действие десятиметровый водопад. Несмотря на то что линия, машины, трансформаторы, распределительные щиты изготовлялись в спешке (некоторые детали, по свидетельству Доливо-Добровольского, продумывались всего в течение часа), вся установка, включенная без предварительного испытания, к удивлению одних и к радости других, сразу же стала хорошо работать. Особое впечатление на посетителей выставки произвел водопад. Однако лица, более осведомленные в вопросах физики и электротехники, радовались в этот день не огромному водопаду, сверкавшему тысячами стеклянных брызг, подсвеченных десятками разноцветных ламп. Их восторг был связан с пониманием того, что этот прекрасный искусственный водопад приводится в действие источником, находящимся на расстоянии 170 км на реке Неккар у местечка Лауфен. Они видели перед собой блестящее решение проблемы передачи энергии на большие расстояния.

В октябре международная комиссия приступила к испытаниям Лауфен-Франкфуртской линии электропередачи. Было установлено, что потери при электропередаче составляют всего 25%, что являлось очень хорошим показателем. В ноябре линия была испытана при напряжении в 25 тысяч вольт. При этом КПД ее увеличился, и потери снизились до 21%. Подавляющее большинство электриков всех стран мира (выставку посетило более миллиона человек) по достоинству оценило значение Лауфен-Франкфуртского эксперимента. Трехфазный ток получил очень высокую оценку, и ему отныне был открыт самый широкий путь в промышленность. Доливо-Добровольский сразу выдвинулся в число ведущих электротехников планеты, и имя его приобрело мировую известность.

Так была разрешена главная энергетическая проблема конца XIX века — проблема централизации производства электроэнергии и передачи ее на большие расстояния. Для всех стал ясен способ, каким многофазный ток мог быть подведен от далекой электростанции к каждому отдельному цеху, а потом и отдельному станку. Ближайшим следствием возникновения техники многофазного тока явилось то, что в последующие годы во всех развитых странах началось бурное строительство электростанций и широчайшая электрификация промышленности. Правда, в первые годы она еще осложнялась ожесточенной борьбой между конкурирующими компаниями, стремившимися внедрить тот или иной тип тока. Так, в Америке сначала взяла вверх компания Вестингауза, которая, скупив патенты Теслы, старалась распространить двухфазный ток. Триумфом двухфазной системы стало строительство в 1896 году мощной ГЭС на Ниагарском водопаде. Но трехфазный ток вскоре повсеместно был признан наилучшим. Действительно, двухфазная система требовала проведения четырех проводов, а трехфазная — только трех. Кроме большей простоты, она сулила значительную экономию средств. Позже Тесла, по примеру Доливо-Добровольского, предложил объединять два обратных провода вместе. При этом происходило сложение токов, и в третьем проводе тек ток примерно в 1, 4 раза больший, чем в двух других. Поэтому сечение этого провода было в 1, 4 раза больше (без этого увеличения сечения в цепи возникали перегрузки). В результате затраты на двухфазную проводку все равно оказывались больше, чем на трехфазную, между тем как двухфазные двигатели по всем параметрам уступали трехфазным. В XX веке трехфазная система утвердилась повсеместно. Даже Ниагарская электростанция была со временем переоборудована на трехфазный ток.

Пожалуйста оцените материал:

Другие материалы в этом разделе:

Передача электроэнергии

Уютнейшая вещь керосиновая лампа,

но я за электричество!

М.А. Булгаков «Морфий»

В данной теме подробно рассмотрим механизм передачи электроэнергии на большие расстояния.

Для начала повторим некоторые определения и понятия, которые понадобятся при изучении нового материала.

Трансформатором называется устройство, которое служит для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Любой трансформатор характеризуется коэффициентом трансформации — отношением числа витков в первичной обмотке трансформатора, к числу витков в его вторичной обмотке.

В зависимости от значения коэффициента трансформации, различают повышающий и понижающий трансформаторы.

Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор называется повышающим, а если больше единицы, то понижающим.

Электроэнергия вырабатывается на различных электростанциях: ТЭС, ГЭС и АЭС. Однако, как правило, все электростанции располагаются на значительном удалении от крупным населенных пунктов и городов, в местах, близких к источникам топливо- и гидроресурсов.

Известно что, законсервировать электроэнергию в больших масштабах, в настоящее время невозможно. Поэтому она должна быть потреблена практически сразу же после получения. В связи с этим, возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.

Для этого между станцией и конечными потребителями строятся линии электропередач.

Однако передача электроэнергии по линии электропередач связана с заметными потерями, так как при протекании электрического тока по проводам, он вызывает их нагревание.

Согласно закона Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяемой проводником равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени прохождения тока по проводнику. Таким образом, исходя из данного закона, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии электропередач, будет определятся по формуле:

где R — сопротивление линии электропередач, U — передаваемое напряжение, а P — мощность источника тока.

Исходя из данного закона, следует, что уменьшить потери в линии электропередач можно двумя способами: либо уменьшить сопротивление проводов, либо уменьшить силу тока в них.

Из курса физики 8 класса известно, что сопротивление зависит от геометрических свойств проводника, а также от материала, из которого он изготовлен. Отсюда видно, что сопротивление будет меньше, если уменьшить длину проводника. Однако длина определяется расстоянием, на которое передается электроэнергия. Значит, этот способ не подходит. Можно попытаться увеличить площадь поперечного сечения, но это приведет к перерасходу дорогостоящего цветного металла и возникновению трудностей, при закреплении проводов на столбах. Так что, и этот способ не выгоден. Значит, остается только второй способ — уменьшать силу тока в линии электропередач.

Но при данной мощности IU уменьшение силы тока возможно лишь при повышении передаваемого напряжения в линии электропередач. Поэтому, при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо пользоваться высоким напряжением и, чем длиннее линия передачи, тем более выгоднее использовать более высокое напряжение. Поэтому на крупных электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы. Напомним, что трансформатор уменьшает силу тока во столько же раз, во сколько раз он увеличивает напряжение.

Так, электроэнергия Волжской ГЭС передается в Москву при напряжении 500 кВ, а от Саяно-Шушенской ГЭС — при напряжении 750 кВ. Однако на самих электростанциях генераторы переменного тока выстраивают на напряжения, не превышающие 16 — 20 кВ. Это, в первую очередь, связано с тем, что более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных мер для изоляции обмоток и иных частей генераторов.

Однако, для непосредственного использования, электроэнергия таких больших напряжений не подходит. Вследствие чего, напряжение на концах линии электропередач нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов.

При этом понижение напряжения и соответственно силы тока осуществляются в несколько этапов. На каждом из них напряжение становится все меньше и меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, — все шире.

Обратите внимание на блок-схему линии передачи переменного тока. Как можно заметить, в ней присутствуют конденсаторы. Все дело в том, что трансформаторы обладают очень большим индуктивным сопротивлением, вследствие чего происходит сдвиг фаз между силой тока и напряжением. А конденсаторы помогают увеличить коэффициент мощности, тем самым свести к минимуму эту разность фаз.

В одной из прошлых тем говорилось, что долгое время в ученых кругах были разногласия по поводу использования постоянного и переменного тока. Эти разногласия были связаны в первую очередь с тем, что при передаче постоянного тока потери были бы меньше примерно в 1,5 раза. Однако до сих пор нет способов трансформации постоянного тока. Делается попытка промышленной передачи постоянного тока высокого напряжения на большие расстояния, но трансформируется все же переменный ток, который потом при высоком напряжении выпрямляется при помощи полупроводниковых приборов. После передачи постоянный ток обратно преобразуется в переменный в инверторах, который затем вновь трансформируется.

Тем не менее, трудности преобразований тока в такой линии передачи не позволяют пока широко использовать данный экономичный метод передачи электроэнергии.

Поэтому, в ближайшие годы, электроэнергия в жилые дома и для обеспечения нужд промышленности будет передаваться по линиям электропередач в виде переменного тока.

Что касается электрических станций ряда районов нашей страны, то они объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой подключены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Она позволяет сгладить пиковые нагрузки потребления электроэнергии в вечерние и утренние часы.

Помимо этого, энергосистема обеспечивает бесперебойную подачу энергии потребителям вне зависимости от их месторасположения.

Основные выводы:

– Передача электроэнергии на большие расстояния с малыми потерями – довольно таки сложная задача. Но использование повышающих и понижающих трансформаторов помогает успешно ее разрешить.