Передача электроэнергии на расстояние

Произведенную электроэнергию невозможно хранить, ее надо немедленно передавать потребителям. Когда был придуман оптимальный способ транспортировки, началось бурное развитие электроэнергетики.

Передача электроэнергии

История

Первые генераторы строили рядом с потребителями энергии. Они были маломощными и предназначались только для электроснабжения отдельного здания или городского квартала. Но затем пришли к выводу, что гораздо выгоднее возводить крупные станции в районах концентрации ресурсов. Это мощные ГЭС – на реках, крупные ТЭС – рядом с угольными бассейнами. Для этого нужна передача электроэнергии на расстояние.

Начальные попытки построить передающие линии столкнулись с тем, что при соединении генератора с приемниками электроэнергии длинным кабелем мощность к концу передающей линии сильно снижалась из-за огромных потерь на нагрев. Необходимо было использовать кабели с большей площадью сечения, что делало их значительно более дорогими, или повышать напряжение, чтобы уменьшить силу тока.

После опытов с передачей постоянного и однофазного переменного тока с помощью линий повышенного напряжения потери оставались слишком высокими – на уровне 75%. И только когда Доливо-Добровольский разработал систему трехфазного тока, был сделан прорыв в передаче электроэнергии: добились снижения потерь до 20%.

Схема передачи электроэнергии

В цепи от производства энергии до получения ее потребителями существует несколько звеньев:

• генератор на электростанции, вырабатывающий электроэнергию напряжением 6,3-24 кВ (есть отдельные агрегаты с большим номинальным напряжением);
• повышающие подстанции (ПС);
• сверхдальние и магистральные ЛЭП напряжением 220-1150 кВ;
• крупные узловые ПС, понижающие напряжение до 110 кВ;
• ЛЭП 35-110 кВ для передачи электрической энергии на питающие центры;
• дополнительные понижающие подстанции – питающие центры, где получают напряжение 6-10 кВ;
• распределительные ЛЭП 6-10 кВ;
• трансформаторные пункты (ТП), ЦРП, находящиеся рядом с потребителями, для понижения напряжения до 0,4 кВ;
• низковольтные линии для подведения к домам и другим объектам.

Упрощенная схема передачи электроэнергии

Схемы распределения

ЛЭП бывают воздушными, кабельными и кабельно-воздушными. Для увеличения надежности электрическая мощность в большинстве случаев передается несколькими путями. То есть на шины подстанции подводятся две и более линий.

Существует две схемы распределения электроэнергии 6-10 кВ:

1. Магистральная, когда линия 6-10 кВ является общей для питания нескольких ТП, которые могут быть расположены на всем ее протяжении. Если при этом магистральная ЛЭП получает питание от двух разных фидеров с обеих сторон, такая схема называется кольцевой. При этом в нормальном режиме работы она питается от одного фидера и отключена от другого коммутационными аппаратами (выключателями, разъединителями);

Магистральная схема с двухсторонним питанием

2. Радиальная. В этой схеме вся мощность сосредоточена в конце ЛЭП, которая предназначена для электроснабжения единственного потребителя.

Для линий напряжением 35 кВ и выше используют схемы:

1. Радиальная. Мощность на ПС приходит по одноцепной или двухцепной питающей линии от одной узловой подстанции. Самая экономически выгодная схема – с одной линией, но очень ненадежная. Благодаря двухцепным ЛЭП, создается резервное питание;
2. Кольцевая. Шины ПС запитываются не менее, чем двумя ЛЭП от независимых источников. При этом на питающих линиях могут существовать ответвления (отпайки), отходящие на другие ПС. Общее число отпаечных ПС должно быть не больше трех для одной ЛЭП.

Трансформаторные подстанции

Трансформаторные подстанции наряду с ЛЭП – основная составная часть энергосистемы. Они делятся на:

1. Повышающие. Находятся вблизи электростанций. Основное оборудование – силовые трансформаторы, повышающие напряжение;
2. Понижающие. Расположены на других участках электросети, находящихся ближе к потребителям. Содержат понижающие трансформаторы.

Существуют еще преобразовательные ПС, но они не относятся к трансформаторным. Служат для преобразования переменного тока в постоянный, а также получения тока другой частоты.

Основное оборудование трансформаторных ПС:

1. Распредустройство высокого и низкого напряжения. Оно может быть открытого типа (ОРУ), закрытого типа (ЗРУ) и комплектное (КРУ);
2. Силовые трансформаторы;
3. Щит управления, релейный зал, где сосредоточена аппаратура защит и автоматического управления коммутационными аппаратами, сигнализация, измерительные приборы и счетчики электроэнергии. Два последних вида оборудования, как и некоторые виды защит, могут присутствовать и в КРУ;

Щит управления подстанцией

4. Аппаратура собственных нужд ПС, куда входят трансформаторы собственных нужд (ТСН), понижающие напряжение с 6-10 до 0,4 кВ, шины СН 0,4 кВ с коммутационными аппаратами, батарея аккумуляторов, устройства подзаряда. От СН питаются защиты, освещение ПС, отопление, двигатели обдува трансформаторов (охлаждение) и т. д. На тяговых железнодорожных ПС трансформаторы собственных нужд могут иметь первичное напряжение 27,5 или 35 кВ;
5. В распредустройствах находятся коммутационные аппараты трансформаторов, питающих и отходящих линий и фидеров 6-10 кВ: разъединители, выключатели (вакуумные, элегазовые, масляные, воздушные). Для питания цепей защит и измерений применяются трансформаторы напряжения (ТН) и тока (ТТ);
6. Оборудование для защиты от перенапряжений: разрядники, ОПН (ограничители перенапряжений);
7. Токоограничивающие и дугогасительные реакторы, батареи конденсаторов и синхронные компенсаторы.

Последнее звено понижающих подстанций – трансформаторные пункты (ТП, КТП-комплектные, МТП-мачтовые). Это небольшие устройства, содержащие 1, 2, реже 3 трансформатора, понижающие напряжение иногда с 35, чаще с 6-10 кВ до 0,4 кВ. Со стороны низкого напряжения установлены автоматы. От них отходят линии, непосредственно распределяющие электрическую энергию реальным потребителям.

Комплектная трансформаторная подстанция

Пропускная способность линий электропередачи

При передаче электрической энергии основным показателем является пропускная способность ЛЭП. Она характеризуется значением активной мощности, передаваемой по линии в нормальных рабочих условиях. Пропускная способность находится в зависимости от напряжения ЛЭП, ее протяженности, размеров сечения, вида линии (КЛ или ВЛ). При этом натуральная мощность, не зависящая от длины ЛЭП, – это активная мощность, которая передается по линии при полной компенсации реактивной составляющей. Практически таких условий достичь невозможно.

Некоторые значения пропускной способности ВЛ при КПД = 0,9:

• 110 кВ: натуральная мощность – 30 мВт, максимальная – 50 мВт;
• 220 кВ: натуральная мощность – 120-135 мВт, максимальная – 350 мВт по устойчивости и 280 мВт по нагреву;
• 500 кВ: натуральная мощность – 900 мВт, максимальная – 1350 мВт по устойчивости и 1740 мВт по нагреву.

Потери электроэнергии

Не вся электроэнергия, выработанная на электростанции, доходит до потребителя. Потери электроэнергии могут быть:

1. Технические. Вызываются потерями в проводах, трансформаторах и другом оборудовании на нагрев и из-за других физических процессов;
2. Несовершенство системы учета на энергопредприятиях;
3. Коммерческие. Происходят из-за отбора мощности, помимо приборов учета, разницы фактически потребленной мощности и учтенной счетчиком и т. д.

Технологии передачи электроэнергии не стоят на месте. Развивается использование сверхпроводящих кабелей, позволяющих свести потери практически к нулю. Беспроводная передача электроэнергии – уже не фантастика для подзарядки мобильных устройств. А в Южной Корее работают над созданием беспроводной системы передачи энергии для электрифицированного транспорта.

Видео