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

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%.

Важно! Сейчас подавляющее большинство линий электропередачи использует трехфазный переменный ток, хотя идет развитие и ЛЭП на постоянном токе.

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.

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);

1. 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.

Важно! Кольцевую сеть питают не меньше двух узловых подстанций, размещенных, как правило, на значительном расстоянии друг от друга.

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;

1. 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;
2. 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);
3. Оборудование для защиты от перенапряжений: разрядники, ОПН (ограничители перенапряжений);
4. 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.

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.

Важно! Максимальная передаваемая мощность для ЛЭП напряжением от 110 кВ и ниже ограничивается только нагревом проводов. На линиях более высокого напряжения учитывается еще статическая устойчивость энергосистемы.

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

Многие годы ученые бьются над вопросом минимизации электрических расходов. Есть разные способы и предложения, но все, же самой известной теорией является беспроводная передача электричества. Предлагаем рассмотреть, как она выполняется, кто является её изобретателем и почему пока что её не воплотили в жизнь.

Теория

Беспроводное электричество – это буквально передача электрической энергии без проводов. Люди часто сравнивают беспроводную передачу электрической энергии с передачей информации, например, радио, сотовые телефоны, или Wi-Fi доступ в Интернет. Основное различие заключается в том, что с радио-или СВЧ-передач – это технология, направленная на восстановление и транспортировку именно информации, а не энергии, которая изначально была затрачена на передачу.

Беспроводной электроэнергии является относительно новой областью технологии, но достаточно динамично развивающейся. Сейчас разрабатываются методы, как эффективно и безопасно передавать энергию на расстоянии без перебоев.

Как работает беспроводное электричество

Основная работа основана именно на магнетизме и электромагнетизме, как и в случае с радиовещанием. Беспроводная зарядка, также известна как индуктивная зарядка, основана на нескольких простых принципах работы, в частности технология требует наличия двух катушек. Передатчика и приемника, которые вместе генерируют переменное магнитное поле непостоянного тока. В свою очередь это поле вызывает напряжение в катушке приемника; это может быть использовано для питания мобильного устройства или зарядки аккумулятора.

Если направить электрический ток через провод, то вокруг кабеля создается круговое магнитное поле. Несмотря на то, что магнитное поле воздействует и на петлю, и на катушку сильнее всего оно проявляется именно на кабеле. Когда возьмете второй моток проволоки, на который не поступает электрический ток, проходящий через него, и место, в которое мы установим катушку в магнитном поле первой катушки, электрический ток от первой катушки будет передаваться через магнитное поле и через вторую катушку, создавая индуктивную связь.

Как пример возьмем электрическую зубную щетку. В ней зарядное устройство подключено к розетке, которая отправляет электрический ток на витой провод внутри зарядного устройства, создающего магнитное поле. Существует вторая катушка внутри зубной щетки, когда ток начинает поступать и на неё, благодаря образовавшемуся МП, начинается заряд щетки без её непосредственного подключения к сети питания 220 В.

История

Беспроводная передача энергии в качестве альтернативы передачи и распределения электрических линий, впервые была предложена и продемонстрирована Никола Тесла. В 1899 году Тесла презентовал беспроводную передачу на питание поля люминесцентных ламп, расположенных в двадцати пяти милях от источника питания без использования проводов. Но в то время было дешевле сделать проводку из медных проводов на 25 миль, а не строить специальные электрогенераторы, которых требует опыт Тесла. Патент ему так и не выдали, а изобретение осталось в закромах науки.

В то время как Тесла был первым человеком, который смог продемонстрировать практические возможности беспроводной связи еще в 1899 году, сегодня, в продаже есть совсем немного приборов, это беспроводные щетки наушники, зарядки для телефонов и прочее.

Технология беспроводной связи

Беспроводной передачи энергии включает в себя передачу электрической энергии или мощности на расстоянии без проводов. Таким образом, основная технология лежит на концепции электроэнергии, магнетизма и электромагнетизма.

Магнетизм

Это фундаментальная сила природы, которая провоцирует определенные типы материала притягивать или отталкивать друг друга. Единственными постоянными магнитами считаются полюса Земли. Ток потока в контуре генерирует магнитные поля, которые отличаются от осциллирующих магнитных полей скоростью и временем, потребным для генерации переменного тока (AC). Силы, которые при этом появляются, изображает схема ниже.

Электромагнетизм – это взаимозависимость переменных электрических и магнитных полей.

Магнитная индукция

Если проводящий контур подключен к источнику питания переменного тока, он будет генерировать колебательное магнитное поле внутри и вокруг петли. Если второй проводящий контур расположен достаточно близко, он захватит часть этого колеблющегося магнитного поля, которое в свою очередь порождает или индуцирует электрический ток во второй катушке.

Видео: как происходит беспроводная передача электричества

Таким образом, происходит электрическая передача мощности от одного цикла или катушки к другой, что известно как магнитная индукция. Примеры такого явления используются в электрических трансформаторах и генератора. Это понятие основано на законах электромагнитной индукции Фарадея. Там, он утверждает, что, когда есть изменение магнитного потока, соединяющегося с катушкой ЭДС, индуцированного в катушке, то величина равна произведению числа витков катушки и скорости изменения потока.

Мощностная муфта

Эта деталь необходима, когда одно устройство не может передавать энергию на другой прибор.

Магнитная связь генерируется, когда магнитное поле объекта способно индуцировать электрический ток с другими устройствами в поле его досягаемости.

Два устройства, как говорят, взаимно индуктивно-связанной или магнитную связь, когда они выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивности

Технология

Два устройства, взаимно индуктивно-связанные или имеющие магнитную связь, выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода, производится посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивностью.
Индуктивная связь является предпочтительной из-за её способности работать без проводов, а также устойчивости к ударам.

Резонансная индуктивная связь является сочетанием индуктивной связи и резонанса. Используя понятие резонанса можно заставить два объекта работать зависимо от сигналов друг друга.

Как видно из схемы выше, резонанс обеспечивает индуктивность катушки. Конденсатор подключен параллельно к обмотке. Энергия будет перемещаться назад и вперед между магнитным полем, окружающим катушку и электрическим полем вокруг конденсатора. Здесь потери на излучение будет минимальными.

Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.

Она тоже воплотима в жизнь, но здесь необходимо приложить немного больше усилий. Эта техника уже существует в природе, но вряд ли есть целесообразность ее реализации, поскольку она нуждается в высоком магнитном поле, от 2,11 М /м . Её разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который посылает и передает энергию тепла на огромные расстояния, в частности при помощи специальных коллекторов. Самой простой пример такой связи – это молния.

Плюсы и минусы

Конечно, у этого изобретения есть свои преимущества перед проводными методиками, и недостатки. Предлагаем их рассмотреть.

К достоинствам относятся:

1. Полное отсутствие проводов;
2. Не нужны источники питания;
3. Необходимость батареи упраздняется;
4. Более эффективно передается энергия;
5. Значительно меньше нужно технического обслуживания.

К недостаткам же можно отнести следующее:

• Расстояние ограничено;
• магнитные поля не так уж и безопасны для человека;
• беспроводная передача электричества, с помощью микроволн или прочих теорий практически неосуществима в домашних условиях и своими руками;
• высокая стоимость монтажа.

>> Передача электроэнергии

§ 40 ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливо- и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в болыпих масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.

Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля - Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

где R - сопротивление линии, U - передаваемое напряжение, Р - мощность источника тока.

При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить сопротивление линии R практически весьма трудно. Поэтому приходится уменьшать силу тока I.

Так как мощность источника тока Р равна произведению силы тока I на напряжение U, то для уменьшения передаваемой мощности нужно повысить передаваемое напряжение в линии передачи.

Поэтому на крупных электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько раз уменьшает силу тока.

Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, в высоковольтной./гинии передачи Волжская ГЭС - Москва и некоторых других используют напряжение 500 кВ. Между тем генера-горы переменного тока настраивают на напряжения, не преиьгшающие 16-20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для и полиции обмоток и других частей генераторов.

Для непосредственного использования электроэнергии в двнез гелях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить.

Это достигается с помощью понижающих трансформаторов . Общая схема передачи энергии и ее распределения показана на рисунке 5.7.

Обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока осуществляются в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, - все шире.

При очень высоком напряжении между проводами может начаться разряд, приводящий к потерям энергии. Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными.

Электрические станции ряда районов страны объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой подключены потребители. Такое объединение, называемое энергосистемой, дает возможность сгладить пиковые нагрузки потребления энергии в утренние и вечерние часы. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям вне зависимости от места их расположения. Сейчас почти вся территория нашей страны обеспечивается электроэнергией объединенными энергетическими системами. Действует Единая энергетическая система европейской части страны.

Передача электроэнергии на большие расстояния с малыми потерями - сложная задача. Использование электрического тока высокого напряжения помогает успешно разрешить ее.

1. Как осуществляется передача электроэнергии на большие расстояния!
2. В чем преимущества передачи энергии на большие расстояния при использовании постоянного тока!

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.

Полный перечень тем по классам, календарный план согласно школьной программе по физике онлайн , видеоматериал по физике для 11 класса скачать

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.