Как работают линии электропередач?
В прошлом веке, электростанции обеспечивали электрической энергией потребителей только на прилегающей территории. Технологии этого времени не позволяли передавать электроэнергию на большое расстояние от электростанции к потребителю.
Изменение в подаче электроэнергии
С тех пор все изменилось и большинство из нас получают электроэнергию из электрической сети, связывающей множество генерирующих и нагрузочных узлов. По мере того как электростанции становились все больше и дальше от населенных пунктов, потребность в способах эффективного перемещения электроэнергии на большие расстояния становилась более ощутимой и важной.
Потери при передаче электроэнергии
Электроснабжающая организация, ответственная за подключение и электроснабжение абонентов, получает доход только от электроэнергии, которая поступает на ваш счетчик. При передаче электроэнергии на большие расстояния в электросети появляются потери электрической энергии, которая ничем не компенсируется. Поэтому перед производством электроэнергии нужно будет убедиться, что как можно большая её часть действительно достигает потребителей, для которых она предназначена.
Распределение электроэнергии
Проблема заключается в том, что большинство электростанций обычно расположены далеко от населенных пунктов по разным причинам, например, в сельской местности земля дешевле или для большинства электростанций требуются большие охлаждающие водоемы, кроме того большинство людей не любят жить рядом с крупными промышленными объектами. Это означает, что огромное количество электроэнергии необходимо транспортировать на большие расстояния от места её производства до места её использования.
Роль линий электропередачи
Линии электропередачи являются очевидным решением этой проблемы. Повсеместно для соединения городов с электростанциями строятся линии электропередач, но если мы хотим, чтобы эта передача электроэнергии была эффективна, то нужно учитывать еще ряд факторов.
Сопротивление проводников
Даже хорошие проводники, такие как алюминий и медь, имеют некоторые сопротивления току. Чтобы увидеть это, проведем эксперимент в домашних условиях.
Падение напряжения и потери мощности
Мы можем измерить небольшое падение напряжения, когда фен подключается к розетке. Если повторить попытку и подсоединить фен в розетку через удлинитель, то падение напряжения в розетке будет более значительным. Эта разница в напряжении отражает потери электрической мощности в виде тепла от сопротивления провода удлинителя.
Уменьшение потерь мощности
На самом деле эту потерянную мощность довольно легко вычислить, если вы захотите немного поработать с алгеброй. Электрическая мощность — это произведение силы тока и напряжения, которое характеризует скорость передачи или преобразования электрической энергии.
Закон Ома и уменьшение потерь
Для простого проводника мы можем использовать закон Ома, чтобы показать, что падение напряжения от одного конца провода к другому равно току, умноженному на сопротивление провода, измеряемое в Омах. Подставляя это соотношение в формулу, мы находим, что потери мощности равны произведению квадрата тока и сопротивления.
Увеличение напряжения
Поэтому, если мы хотим уменьшить потери линии электропередач, то у нас есть две переменные, которые можно изменить. Мы можем уменьшить сопротивление проводника, увеличив его размер или использовать материал с лучшими проводящими свойствами, но посмотрите что еще здесь имеет большее значение: I квадрат! Уменьшение тока вдвое сократит потерянную мощность в 4 раза.
Роль трансформаторов
Возвращаясь к закону Ома, мы видим, что единственный способ уменьшить ток и получить такое же количество энергии — это увеличить напряжение. Так вот это то, что мы и делаем. Трансформаторы на электростанциях повышают напряжение до 110 тысяч Вольт, а иногда и намного выше, прежде чем отправлять электроэнергию по линиям электропередач. Это снижает ток в линиях, сокращая потери и гарантируя, что максимально возможное количество электроэнергии поступает потребителям на другом конце.
Эффективность передачи мощности
Это простая демонстрация иллюстрирует вышесказанное. Если я попытаюсь привести в действие фен с помощью этих тонких проводов, он не сработает. Ток, необходимый для питания фена, слишком велик. Он создает столько тепла, что провода плавятся. Это тепло представляет собой потерянную мощность, но если сначала увеличить напряжение с помощью этого трансформатора и понизить его на другой стороне тонких проводников, то у них не возникает проблем с передачей мощности, необходимой для работы фена. Мы существенно повысили эффективность передачи мощности по проводникам, увеличив напряжение и снизив ток, что позволит обойтись проводами с намного меньшим диаметром.
Опасность высокого напряжения
Однако высокое напряжение таит в себе большую опасность. При высоком напряжении электроэнергия способна протекать сквозь материалы, которые мы обычно считаем непроводящими, например, воздух. Инженеры, проектирующие высоковольтные линии электропередач, должны убедиться, что эти линии защищены от искрения и других опасностей, связанных с высоким напряжением.
Изоляция линий электропередач
Каждый провод линии необходимо изолировать друг от друга, чтобы избежать короткого замыкания и образования между ними электрической дуги. Большинство линий электропередач не использует изоляцию вокруг самих проводников, так как изоляция проводника должна быть настолько толстой, что это будет экономически неэффективной мерой. Вместо этого провода воздушной линии изолируются друг от друга за счет воздушных зазоров между ними.
Опоры и изоляторы
Опоры, на которых крепятся провода, выполняются высокими, чтобы не допустить непреднамеренного сближения кого-либо или любого транспортного средства на земле с проводниками, что может привести к короткому замыканию и образованию дуги. Электроэнергия передается по трём фазам, поэтому на большинстве линий крепятся три провода. Провода подвешиваются к опорам через гирлянды изоляторов, которые обеспечивают безопасное расстояние между проводами под напряжением и заземленными опорами.
Изоляторы для различных классов напряжения
Эти изоляторы, как правило, изготавливаются из фарфоровых или стеклянных дисков, обладающих превосходными диэлектрическими свойствами. По количеству изоляторов в гирлянде можно приблизительно узнать о классе напряжения линии. Просто умножьте количество дисков на 15 и округлите получившееся значение до существующего класса напряжения: 10, 35, 110, 330 или 750 килоВольт.
Грозозащитные тросы
Также часто можно увидеть неизолированные провода меньшего размера, идущие вдоль верха линий электропередачи. Это грозозащитные тросы. Они не пропускают ток, а защищают главные провода от ударов молнии.
Выбор проводов и его влияние
Высокое напряжение — не единственная проблема, связанная с проектированием линий электропередач. Выбор проводов — это тщательно рассчитанный баланс между силой тока, сопротивлением и другими факторами. Линии передачи настолько длинные, что даже незначительное изменение размера провода или его материала может оказать существенное влияние на его свойства и общую стоимость.
Пропускная способность и нагрев проводов
Любая линия характеризуется пропускной способностью, то есть величиной максимально передаваемой мощности в течение длительного времени. Пропускная способность линий должна определяться по условию нагрева проводов. Провода могут сильно нагреваться и провисать при максимальных нагрузках, что может привести к их близкому сближению с ветвями деревьев и образованию электрической дуги.
Воздействие ветра на линии электропередач
Ветер также оказывает влияние на провода, вызывая их колебания, которые могут привести к повреждению элементов опор или схлестыванию проводов. Часто можно увидеть на проводах небольшие устройства, называемые виброгасителями, которые поглощают часть энергии ветра и предотвращают колебания проводов.
Магнитные поля и их воздействие
Высоковольтная линия передачи также генерирует магнитные поля, которые могут индуцировать токи в параллельных проводниках, таких как металлические заборы, или создавать помехи на магнитных устройствах. Поэтому высота опор проектируется так, чтобы минимизировать это влияние на крайние провода.
Шум и его уровень
В некоторых случаях инженерам-проектировщикам даже необходимо учитывать уровень шума, исходящего от линии электропередачи, чтобы не мешать проживающим вблизи от них людям.
Изменения в энергосистеме
В последнее время классическая модель энергосистемы с централизованной генерацией вдали от населенных пунктов претерпевает хоть и незначительные, но изменения. Благодаря снижению стоимости солнечных панелей, стало доступно производство электроэнергии по месту ее использования в собственном доме или на предприятии, а излишки можно экспортировать в электросети, продавая их электроснабжающей организации.
Роль электрических линий электропередач
Электрические линии электропередачи могут показаться простым эквивалентом удлинителя, протянутого по небу. Надеюсь, это видео помогло показать захватывающую сложность, которая возникает даже с такой, казалось бы, безобидной частью нашей электрической сети.
