Передавання електроенергії

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Передава́ння електри́чної ене́ргії — це технології, що забезпечують транспортування електричної енергії від місць генерування до місць споживання. Є однією з найважливіших завдань енергетики. Передавання електроенергії здійснюється за допомогою електричних мереж, до складу яких входять перетворювачі, лінії електропередачі (повітряні або кабельні) і розподільні пристрої.

Схема забезпечення споживачів електроенергією (засоби передавання електроенергії зображено блакитним кольором)

Потреба передавання електроенергії на відстань обумовлена тим, що електроенергія виробляється великими електростанціями з потужними агрегатами, а споживається порівняно малопотужними електроприймачами, розподіленими на значній території. Прагнення до скупчення генерувальних потужностей, пояснюється тим, що з його зростанням, знижуються відносні витрати на спорудження електростанцій і зменшується вартість виробляння електроенергії. Розміщення потужних електростанцій також здійснюється з врахуванням цілої низки інших чинників, таких, наприклад, як наявність енергоресурсів, їх вид, запаси і можливості передавання, природні умови, можливість роботи у складі єдиної енергосистеми тощо. Часто такі електростанції виявляються істотно віддаленими від основних центрів споживання електроенергії. Від ефективності передавання електроенергії на відстань, залежить у цілому робота електроенергетичних систем, що охоплюють великі терени.

Історія[ред. | ред. код]

Можливість передавання електроенергії на відстань вперше виявив Стівен Грей у 1720-ті роки. У дослідах Грея заряд передавався по шовковому проводу на відстань до 800 футів[1]

До кінця XIX століття електрика використовувалося тільки поблизу від місць вироблення. Це, у свою чергу, обмежувало ступінь використання наявних ресурсів, оскільки великі потужності для місцевого виробництва не були потрібні. З винаходом електричного освітлення необхідність передавання електроенергії на великі відстані, стала актуальною проблемою, оскільки освітлення потрібне було в першу чергу у великих містах, віддалених від джерел енергії[2].

1873 року, Фонтен вперше продемонстрував генератор і двигун постійного струму, з'єднані дротом довжиною 2 км. В 1874 році Ф. А. Піроцький здійснив передачу електроенергії потужністю 6 к. с. на відстань 1 км, а в 1876 році повторив дослід, використовуючи в якості провідника рейки Сестрорєцької залізниці[ru] довжиною 3,5 км. В кінці 1870-х — початку 1880-х Д. А. Лачинов показав, що втрати енергії під час передавання, мають зворотну залежність від напруги, а П. М. Яблочков і І. П. Усагін створили перші трансформатори, що дозволило Усагіну на Всеросійській виставці в Москві 1882 року, продемонструвати першу високовольтну систему передавання електроенергії, що включала підвищувальний і знижувальний трансформатори і лінію електропередачі. У тому ж році на Мюнхенській виставці дослід з передавання постійного електричного струму напругою до 2000 В на відстань 60 км продемонстрував Марсель Депре, при цьому втрати склали 78 %[2].

Проривом у передаванні електроенергії на великі відстані став дослід М. О. Доліво-Добровольського[ru] на міжнародній електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні в 1891 році, в ході якого енергія від установки на річці Неккар у місті Лауффен була передана у Франкфурт по трифазній лінії на 175 км. Енергія передавалася за напруги 15200 В, перетворення здійснювалося за допомогою трифазних трансформаторів. ККД лінії досягав 80,9 %, а передавана потужність — понад 100 к. с., використаних для роботи електричного двигуна і освітлення. Досвід сприяв упровадженню трифазного змінного струму і високовольтних систем передачі.

Швейцарський інженер Рене Тюрі запропонував передавати електричну енергію постійним струмом при послідовному увімкненні в лінію передачі, джерел і приймачів енергії. Цей спосіб, названий системою Тюрі, забезпечив розвиток електропередачі постійного струму поряд з електропередачею змінного струму. Передавання енергії на постійному струмі, в першу чергу, за системою Тюрі, мала певне поширення на початку XX століття, зокрема, працювали: лінія в Батумі протяжністю 10 км і лінія Мутьє-Ліон (напруга 57 кВ, потужність 5 МВт) протяжністю 180 км, але пізніше вони були розібрані і замінені лініями змінного струму[2]. Досвід створення ліній електропередачі на постійному струмі наприкінці XIX століття, виявив істотні недоліки подібних систем, які полягали в тому, що передача електроенергії на генераторній напрузі, обмежувалася низькими рівнями, а постійний струм високої напруги, було складно використати у споживача, тому що потрібно мати двигун — генераторну установку для його перетворення на струм низької напруги.

Вся подальша історія розвитку ліній електропередачі аж до кінця XX століття супроводжувалася збільшенням напруги, потужностей для передавання і довжини ліній. В першу чергу, основною за важливістю проблемою було зменшення втрат у лініях, що вимагало підвищення напруги.

Подальше зростання рівня напруги ліній електропередачі, обмежувалося можливостями штирових ізоляторів, які використовувалися в той час і не дозволяли підняти напругу вище за 70 кВ. Лише винайдення на початку ХХ століття підвісних ізоляторів, дозволило різко збільшити напругу і вже у 1908—1912 роках у США й Німеччині було побудовано перші лінії електропередачі змінного струму напругою 110 кВ, у 1923—220 кВ[2].

Додаткові складнощі на шляху зростання рівня напруги, виникло через збільшення втрат на коронний розряд. Теоретичні дослідження показали, що зменшити втрати можна шляхом збільшення дійсного або «електричного» діаметра проводів. Перший напрямок привів до застосування алюмінієвих, стале-алюмінієвих і порожнистих проводів великого діаметра. Другий напрямок (запропонований В. Ф. Міткевичем у 1910-му) привів до застосування розщеплених фаз, що складаються з декількох проводів.

Схема передавання[ред. | ред. код]

В даний час (2000-і роки), застосовуються схеми передавання, в які входять[3]:

Схематичне зображення передавання електроенергії на великі відстані. C - споживачі, D - знижувальний трансформатор, G - генератор, I - струм у дротах, Pe - потужність, що доходить до кінця лінії передачі, Pt - потужність, що надходить у лінію передачі, Pw - потужність, втрачена в лінії передачі, R - загальний опір в проводах, V - напруга на початку лінії передачі, U - підвищувальний трансформатор.

Схеми поділяються на блокові, пов'язані і напівпов'язані[4]

Класифікація[ред. | ред. код]

За типом лінії електропередач[5]:

  • магістральні;
  • міжсистемні.

За проміжним відбором потужності[5]:

  • прямі;
  • з проміжним відбором;
  • з проміжним генеруванням.

У лініях з проміжним відбором та генеруванням зазвичай передбачаються додаткові знижувальні та підвищувальні трансформатори для забезпечення потреб проміжних споживачів електроенергії та генерування.

За числом ліній: одно-, дво — і триланцюгові[6].

Дальність передачі[ред. | ред. код]

Однією з основних характеристик електропередачі є її пропускна спроможність [7], тобто та найбільша потужність, яку можна передати по ЛЕП з врахуванням обмежувальних чинників: граничної потужності за умовами стійкості, втрат на корону, нагріву провідників тощо. Потужність, передавана по ЛЕП змінного струму, пов'язана з її протяжністю і напругою залежністю

,

де i  — напруга на початку і в кінці ЛЕП,  — хвильовий опір ЛЕП, α — коефіцієнт зміни фази, що характеризує поворот вектора напруги уздовж лінії на одиницю її довжини (обумовлений хвильовим характером поширення електромагнітного поля), l — протяжність ЛЕП, δ — кут між векторами напруги на початку і в кінці лінії, що характеризує режим електропередачі та її стійкість.

Гранична потужність передачі досягається при α = 90°, коли sin α = 1. Наприклад, для лінії 110 кВ найбільша пропускна здатність становить 30 МВт.

Для повітряних ЛЕП змінного струму можна приблизно вважати, що найбільша потужність передавання, є приблизно пропорційною квадрату напруги, а вартість спорудження ЛЕП пропорційна до величини напруги. Тому в розвитку електропередач спостерігається напрям до збільшення напруги як до головного засобу підвищення пропускної спроможності ЛЕП[8]. Граничні значення напруги ЛЕП, пов'язані з можливими перенапруженнями, обмежуються ізоляцією ЛЕП і діелектричною здатністю повітря. Підвищення пропускної спроможності ЛЕП змінного струму можливе і шляхом удосконалення будови лінії, а також за допомогою приєднання різних компенсувальних пристроїв. Так, наприклад, на ЛЕП напругою 330 кВ і вище, використовується «розщеплювання» дротів кожної фази на декілька електрично зв'язаних між собою провідників; при цьому індуктивний опір лінії зменшується, а ємнісна провідність збільшується, що веде до зниження і зменшення α. Одним із способів підвищення пропускної спроможності ЛЕП є спорудження «розімкнених» ліній, в яких на опорах підвішуються проводи двох кіл так, що провідники різних фаз виявляються зближеними між собою.

Див. також[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

  1. Храмов Ю. А. Грей Стефен (Gray Stephen) // Физики.
  2. а б в г Крачковский, 1953, с. 6—12
  3. Крачковский, 1953, с. 23—24
  4. Крачковский, 1953, с. 24
  5. а б Крачковский, 1953, с. 22
  6. Крачковский, 1953, с. 23
  7. Крачковский, 1953, с. 27
  8. Крачковский, 1953, с. 28

Література[ред. | ред. код]

  • Крачковский Н. Н. Передача электрической энергии на дальние расстояния / Отв. ред. академик А. В. Винтер. — М. : Издательство Академии наук СССР, 1953.
  • Герасименко А. А., Федин В. Т. Передача и распределение электрической энергии: Учебное пособие. — 2-е. — Ростов-на-Дону : Феникс, 2008. — 715 с. — (Высшее образование).
  • Енергетика: історія, сучасність і майбутнє: в 5-ти кн. — К., 2013. — Т. 2 : Пізнання й досвід - шлях до сучасної енергетики / Є. Т. Базеєв, Г. Б. Варламов, І. А. Вольчин, С. В. Казанський, Л. О. Кесова; Наук. ред. Ю. О. Ландау, І. Я. Сігал, С. В. Дубовськой. — 327 с. — ISBN 966-8163-11-7.