Трансконтинентальная суперсеть постоянного тока / - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Европейская суперсеть

Содержание

Трансконтинентальные суперсети постоянного тока

22 февраля 2017 года состоялось заседание Рабочей группы по Глобальный энергетический интернет опубликовал результаты трех исследовательских проектов: “Белая книга о стратегии глобального энергетического интернета”, “Технология и перспективы трансграничного и трансконтинентального электронного взаимодействия” и “Развитие и будущее глобального энергетического интернета (2017)”, в которых предложена система стратегии глобального энергетического интернета, идеи и пути развития, описаны перспективы построения чистого, низкоуглеродного, связанного и общего глобального энергетического сообщества. В статье отмечается, что обсуждение создания глобального энергетического интернета – это инициатива, выдвинутая председателем КНР Си Цзиньпином на Саммите глобального развития ООН 26 сентября 2015 года, чтобы помочь удовлетворить глобальный спрос на энергию чистым и экологичным способом. Эта инициатива была широко встречена и получила положительные отзывы от международного сообщества. В марте 2016 года в Пекине была официально создана Рабочая группа по развитию глобального энергетического интернета, которая стала первой международной энергетической организацией Китая, а первая партия ее членов включает 80 стран с пяти континентов. Энергетические, информационные и транспортные сети – интеграция этих трех сетей рассматривается как неизбежная тенденция современного глобального развития. Информационные и транспортные сети уже создают глобальные связи, в то время как развитие энергетических сетей сильно отстает.

С тех пор Китай пытается убедить мир в необходимости строительства высоковольтных магистралей, которые станут основой глобального энергетического интернета. План окутать планету сетью межконтинентальных линий электропередач сошел на нет. Тем не менее, судьба так называемой суперсети меняется, хотя и не в таких впечатляющих масштабах, как предполагалось изначально.

Шоссе высокого напряжения

Идея создания международных энергосетей для использования удаленных возобновляемых источников энергии не нова. В США в 1930-х годах было предложено построить энергосистему от плотин на Тихоокеанском Северо-Западе до потребителей в Южной Калифорнии, но проект был раскритикован и отклонен. В 1961 году президент США Джон Ф. Кеннеди заказал крупный проект с использованием новой шведской технологии HVDC (постоянный ток высокого напряжения). Проект осуществлялся в тесном сотрудничестве между General Electric и шведской компанией ASEA и назывался Pacific DC Intertie.
Европа начала объединять свои энергосистемы в 1950-х годах, и сегодня крупнейшая объединенная энергосистема, UCTE, обслуживает 24 страны.

В настоящее время ведется большая работа по объединению европейской энергосистемы UCTE с соседней Единой энергосистемой России и бывшего Советского Союза. После завершения строительства эта огромная сеть будет охватывать 13 часовых поясов от Атлантического до Тихого океана.

Поскольку такие электросети охватывают огромные расстояния и из-за проблем с управлением, возможность передачи больших объемов электроэнергии остается ограниченной. Концепции SuperSmart Grid (Европа) и Unified Smart Grid (США) описывают ключевые технологические усовершенствования, необходимые для обеспечения стабильной работы и жизнеспособности таких трансконтинентальных мегасетей.

Китай обладает производственными и технологическими преимуществами в производстве линий электропередачи постоянного тока сверхвысокого напряжения и стал лидером в предложении глобальных технических стандартов. Если эти планы когда-нибудь воплотятся в жизнь, это даст преимущества, которые могут иметь огромные геополитические последствия, давая Китаю власть и влияние, аналогичные тем, которые получили Соединенные Штаты при формировании мировой финансовой системы после Второй мировой войны.

Суперсети не были построены раньше, потому что они дороги, политически сложны и непопулярны – они должны пересечь множество “задних дворов”. Например, японские политики до сих пор не осмеливаются даже упоминать о возможности добровольного объединения энергетической системы страны с китайской. Текущий энергетический план Японии предусматривает удвоение потоков энергии между все еще изолированными национальными сетями – потенциальное начало – но мало что говорит о связях с другими странами.

Климатические цели

Но Китай не является причиной возобновления интереса к линиям электропередач, которые могут снабжать потребителей в одной стране электроэнергией, вырабатываемой за сотни или даже тысячи километров в другой стране. Это связано с тем, что обязательства по углеродной нейтральности, технологические достижения и более выгодные стимулы ускоряют повсеместное развитие производства энергии из возобновляемых источников.

Планируемые инвестиции

Угольные, газовые и даже атомные электростанции можно строить вблизи потребителей, которых они обслуживают, но солнечные и ветряные электростанции, которые необходимы для достижения климатических целей, нельзя. Их следует размещать там, где ветер и солнечная энергия наиболее сильны, в сотнях или тысячах километров от центров городов.

Длинные линии электропередач могут соединить пиковые дневные солнечные мощности в одном часовом поясе с пиковым вечерним спросом в другом, снижая волатильность цен, вызванную несоответствием спроса и предложения и необходимостью в резервных мощностях ископаемого топлива, когда солнце или ветер стихают.

Поскольку развитые страны постепенно отказываются от угля для достижения климатических целей, им придется потратить не менее 14 триллионов долларов на укрепление своих электросетей к 2050 году. Это лишь немного меньше, чем прогнозируемая стоимость новых мощностей по производству возобновляемой энергии, и становится все более очевидным, что важную роль будут играть линии постоянного тока высокого и сверхвысокого напряжения. Вопрос в том, насколько они будут международными?

В апреле Европейский Союз создал рабочую группу по расширению своей энергосистемы, которая уже является самой передовой международной системой торговли электроэнергией в мире. В феврале Дания объявила о планах строительства искусственного энергетического острова стоимостью 34 миллиарда долларов с целевой мощностью 10 гигаватт. Проект увеличит общую существующую генерирующую мощность Дании на две трети, что слишком много для обслуживания только внутреннего рынка.

Европейская суперсеть

Даже в США, которые среди развитых стран отстают в интеграции энергосистем – как показало смертоносное многодневное отключение электричества в Техасе в феврале, – интерес растет. Предлагаются сценарии трансконтинентальных линий HVDC, соединяющих три, пока еще отдельные, энергосистемы США. При наличии соответствующей инфраструктуры Нью-Йорк мог бы использовать богатые солнцем и ветром ресурсы Юга и Среднего Запада. Еще более амбициозная идея – получить доступ к электричеству даже из Канады или чилийской пустыни Атакама, где самый высокий уровень солнечной энергии на квадратный метр в мире.

На развитие энергетической инфраструктуры в США выделено 100 миллиардов долларов, для чего создано новое Управление по развертыванию сетей, “для поддержки дополнительных приоритетных высоковольтных линий вдоль федеральных трасс.

Обмотайте планету проводами

На протяжении десятилетий Европа строила линии HVDC для обеспечения контролируемых поставок электроэнергии из сети переменного тока одной страны в другую: в 2018 году европейские страны продавали 9% электроэнергии через границу, по сравнению с 2% в Северной и Южной Америке и 0,6% в Азии. Торговля имеет тенденцию к снижению цен из-за усиления конкуренции. Она также повышает устойчивость, гарантируя, что в случае катастрофического отказа энергосистемы одной страны, она может просто использовать энергию других стран.

Однако именно необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния в настоящее время вызывает большой интерес к суперсетям, поскольку стремление заменить ископаемое топливо возобновляемыми источниками энергии набирает обороты. Это особенно касается морских ветряных электростанций, которые рассматриваются как ключевая область роста возобновляемой энергетики. Хотя преобразование переменного тока в постоянный и обратно на каждом конце кабеля требует больших затрат, снижение коэффициентов потерь означает, что высоковольтные линии передачи постоянного тока становятся жизнеспособными на расстояниях более 500 миль (800 км) над землей и 31 мили (50 км) под землей (вода).

Hornsea 1, крупнейшая в мире морская ветряная электростанция, расположена в 120 километрах (75 милях) от побережья Великобритании. Доггер Бэнк, еще более крупный проект Великобритании, после завершения строительства будет находиться в пяти милях от него. А с развитием турбин на плавучих платформах практически не осталось ограничений в том, насколько далеко могут простираться морские ветряные электростанции. В июне 2021 года. Компания Hitachi ABB Power Grids Ltd, крупный поставщик технологий HVDC, выпустила новую линейку трансформаторов, разработанных специально для плавучих турбин.

Компания Hitachi ABB Power Grids, образованная в 2020 году, когда японская Hitachi купила 80% шведско-швейцарского электросетевого бизнеса ABB за $6,85 млрд, не сомневается, что спрос на производимые ею преобразователи переменного тока в постоянный будет расти. “Нам нужно активно идти на ветер, причем в лучшие солнечные места – в пустыню в Чили или на север России, в арктические ветровые зоны, где сильные ветры дуют круглый год”.. В Великобритании компания ABB Hitachi прокладывает кабель из Йоркшира к одной из ветряных электростанций на Доггер-Бэнк.

Пустыня Гоби в Монголии находится в центре проекта суперсети в Северо-Восточной Азии, продвигаемого Китаем и Японским институтом возобновляемой энергии. Теоретически Гоби может обеспечить 2,6 ТВт/ч ветровой и солнечной энергии, что в два раза превышает установленную мощность генерации в США. Потенциал региона Гоби остается практически неиспользованным, отчасти потому, что в настоящее время слишком мало инвестиций в вывод производимой там электроэнергии за пределы небольшого монгольского рынка.

Для того чтобы суперсеть начала развиваться, Монголия должна продемонстрировать, что она может производить возобновляемую энергию, может привлекать инвестиции и имеет надлежащую нормативно-правовую среду. Монголия еще не прошла эти испытания. В 2020 г. начала наращивать новые генерирующие мощности для экспорта в Китай – но путем строительства новой угольной электростанции.

Солнечные электростанции в Гоби

В декабре Китай завершил строительство высоковольтной линии постоянного тока протяженностью 970 миль и напряжением 800 киловольт, которая будет передавать энергию солнца и ветра с высокогорных равнин Тибета в центральный Китай, стоимостью 3,45 миллиарда долларов. Это произошло после строительства линии электропередачи мощностью 1,1 мегаватт, которая может передавать до 12 ГВт/ч электроэнергии – больше, чем вся установленная генерирующая мощность Ирландии – из пустынь и гор провинции Синьцзян к порогу Шанхая (2 000 миль). (Кабели высокого напряжения имеют номинал от 500 кВ и выше, а кабели сверхвысокого напряжения – от 800 кВ и выше).

Усилия по созданию глобальной суперсети возглавляет Geidco – Организация по развитию и сотрудничеству в области глобальных энергетических объединений, поддерживаемая ООН и базирующаяся в Пекине. Поэтапный план начинается с укрепления национальных сетей и переходит к региональным сетям, пока в конце концов не будет создана полная 18-канальная сеть, охватывающая всю Землю, примерно к 2070 году.

State Grid Corp. of China (SGCC), крупнейшая в мире энергетическая компания, активно покупает иностранные сети, что дает ей возможность частично закрепиться на первом этапе. С 2008 года она приобрела до 85% дистрибьюторских компаний на Филиппинах, в Португалии, Австралии, Гонконге, Бразилии, Греции, Италии и, в прошлом году, в Омане. Другие китайские компании также покупают доли в зарубежных сетях.

Если США пока не высказывают опасений по поводу безопасности, вызванных их усилиями по созданию глобальной электросети, то это потому, что из 125 000 км высоковольтных сетей, которые Geidco включила в свой отчет за 2019 год, построено очень мало. Исключением является первый этап строительства линии Пакистан-Китай, которая должна быть введена в эксплуатацию в конце 2021 года.

Суперсеть в Северо-Восточной Азии пока остается настольным проектом. Инициатива Азиатского банка развития по торговле электроэнергией и объединению энергосистем с участием семи стран субрегиона Большого Меконга медленно развивалась с момента ее запуска в 1992 году.

Преимущества для России и СНГ

По расчетам исследователей, создание 100-процентно чистой энергетической системы в Евразии обойдется примерно в два раза дешевле, чем строительство необходимого количества атомных электростанций той же общей мощности.

По мнению экспертов, система будет наиболее эффективной, если как можно больше евразийских регионов будут интегрированы в единую энергетическую систему. Чем больше энергосистем будет объединено в одну суперсеть, тем меньше будет потребность в буферах для хранения и сохранения избыточной энергии.

По данным исследователей, мощность объединенных энергосистем в России и Центральной Азии составляет 388 ГВт, из которых на долю ветровой и солнечной энергии приходится всего 1,5 ГВт (менее 0,4%). По данным 2008 года, общая мощность энергосистем СНГ составляла около 300 ГВт.

По расчетам исследователей, помимо снижения общей стоимости системы по сравнению с использованием атомных электростанций, конечная стоимость электроэнергии также должна быть снижена примерно на 20 процентов.

В настоящее время основу российского энергетического сектора составляют 600 электростанций общей мощностью 210 ГВт, работающих в составе ЕЭС России. Тепловые электростанции обеспечивают около 61% мощности, гидроэлектростанции – 21% и атомные электростанции – 17%. Менее 1% – экспериментальные солнечные и ветряные электростанции.

Fiat Lux

Основным недостатком HVDC является необходимость преобразования типа тока из переменного в постоянный и наоборот. Оборудование, используемое для этого, требует дорогостоящих запасных частей, поскольку оно фактически уникально для каждой линии. В отличие от линий передачи переменного тока, реализация многопутных линий передачи постоянного тока чрезвычайно сложна, поскольку требует расширения существующих цепей до многопутных. Управление потоком энергии в многотерминальной системе постоянного тока требует хорошей связи между всеми нагрузками.

Сверхвысоковольтный трансформатор постоянного тока

Основным преимуществом линий HVDC является возможность передачи большого количества энергии на большие расстояния с меньшими потерями, чем в линиях переменного тока. В зависимости от напряжения линии и способа обработки тока, потери могут быть снижены до 3% на 1000 км. Передача электроэнергии по высоковольтным линиям постоянного тока позволяет эффективно использовать источники энергии, удаленные от узлов потребления.

Линии передачи переменного тока могут соединять только синхронизированные электрические сети переменного тока, работающие на одинаковой частоте и фазе. Многие районы, желающие совместно использовать электроэнергию, имеют несинхронизированные электрические сети. Электроэнергетические системы Великобритании, Северной Европы и континентальной Европы не соединены в единую синхронизированную электрическую сеть. В Японии существуют электрические сети с частотой 60 Гц и 50 Гц. Континентальная Северная Америка, работающая на частоте 60 Гц, делится на зоны, которые не синхронизированы: Восточная, Западная, Техас, Квебек и Аляска. Бразилия и Парагвай, которые имеют общую гидроэлектростанцию Итайпу, работают на частотах 60 Гц и 50 Гц соответственно. Устройства HVDC позволяют соединять несинхронизированные электросети переменного тока и добавляют возможность управления напряжением переменного тока и потоками реактивной мощности.

Как заявлено

Закажите сервер и начните работать немедленно! Создайте сервер за минуту!

Общая цена проекта снизилась с первоначальной до 25 миллиардов долларов. Остается вопрос – увидим ли мы его реализацию в ближайшее время?

Передача на большие расстояния

Важность передачи электроэнергии на большие расстояния обусловлена тем, что электростанции оснащены мощными устройствами, вырабатывающими большое количество энергии. Потребители, с другой стороны, обладают небольшой властью и рассредоточены на большой территории. Строительство самого большого терминала обходится дорого, поэтому существует тенденция к концентрации мощностей. Это значительно снижает затраты. Кроме того, имеет значение и местоположение. В игру вступают многие факторы: близость к ресурсам, транспортные расходы и способность работать как часть единой энергетической системы.

Чтобы понять, как электричество передается на большие расстояния, важно знать, что линии электропередачи бывают постоянного и переменного тока. Главной особенностью является их пропускная способность. Потери проявляются в нагреве проводов или пройденном расстоянии. Передача осуществляется по следующей схеме:

Электростанция. Это источник выработки электроэнергии.
Повышающий трансформатор, который обеспечивает увеличение значений до требуемых.
Понижающий трансформатор. Она устанавливается на распределительных подстанциях и снижает параметры для поставок в частный сектор.
Энергоснабжение жилых зданий.

Линии постоянного тока

В настоящее время передача электроэнергии постоянным током является более предпочтительной. Это связано с тем, что все внутренние процессы не являются волнообразными. Это значительно облегчает транспортировку энергии.

Преимущества передачи постоянного тока включают:

низкая стоимость;
низкие потери;

К недостаткам относятся: отсутствие возможности установки ответвлений от основной линии электропередачи. Недостатком является невозможность установки ответвлений на основной линии. Также создание высоковольтных выключателей. С технической точки зрения это вызывает большие трудности.

Питание переменным током

Одним из преимуществ транспорта переменного тока является простота его преобразования. Это осуществляется с помощью устройств – трансформаторовтрансформаторы, которые несложно изготовить. Конструкция электродвигателей для этого типа тока намного проще. Эта технология позволяет формировать линии в единую энергосистему. Этому способствует возможность создания автоматических выключателей на строительстве ответвлений.

Передача энергии на большие расстояния имеет большое значение для всех сооружений. Электростанции не всегда находятся поблизости, а электроэнергия нужна везде. Ни промышленность, ни общественные здания, ни частный сектор не могут обойтись без него.

Самый простой способ передачи электроэнергии – использование индукционной катушки. Принцип прост. Несколько катушек размещаются рядом друг с другом. Один из них является живым, а другой – приемником. При регулировке или изменении тока, другая катушка также будет автоматически изменена. Согласно законам физики, это создаст силу, которая будет напрямую зависеть от того, как изменится поток электричества.

Способы передачи электроэнергии на большие расстояния

Передача электроэнергии может осуществляться путем прямой передачи и путем преобразования электроэнергии в другие виды энергии. В первом случае электричество проходит через проводящие элементы, т.е. провода или проводящие среды. При таком способе передачи энергии используется воздушная линия или кабель.

Обратите внимание! Благодаря преобразованию энергии в другую энергию, возможен беспроводной метод снабжения потребителей. Это позволяет пользователям обойтись без электрической передачи и избавиться от установки и обслуживания.

Стоит также отметить, что электричество передается с помощью индуктивной связи, резонансной индукции, емкостной связи, магнитодинамической связи, микроволнового излучения и оптического излучения. Все эти процессы передаются магнитными и электрическими полями, а также видимым светом, инфракрасным и ультрафиолетовым излучением.

Режимы передачи

Пожалуй, можно сказать, что в современном мире электричество занимает третье место после воздуха и воды. Проложены миллионы километров проводов и кабелей, огромные генераторы (до 16 метров в диаметре) прочно закреплены на поверхности земли – этим объясняется присущая высоковольтному электричеству медлительность и стратегическая важность.

Передача электроэнергии на большие расстояния

Еще несколько сотен лет назад передача сообщений на большие расстояния казалась чем-то из области научной фантастики. Время почтовых голубей, которые издавна использовались римлянами, персами и египтянами, прошло после изобретения телеграфной связи. Можно с уверенностью сказать, что в те же периоды истории передача энергии на большие расстояния была намного хуже. Проводники с высоким сопротивлением, низкое напряжение и серьезная коммерческая конкуренция за использование постоянного тока – вот лишь некоторые из факторов, препятствовавших развитию электрических систем и сетей.

Не секрет, что энергетический сектор является достаточно консервативной отраслью. Если сравнить темпы развития тепло- и электроснабжения с прогрессом информационных технологий за аналогичные периоды времени, то разница особенно разительна. Сенсорные экраны сверхвысокого разрешения, которые нас окружают, искусственный интеллект и повсеместный и широко распространенный доступ к интернету претерпели заметную эволюцию с начала этого века. Однако на столбах линий электропередач все еще остаются тысячи километров стальных и алюминиевых проводов, а перегрузки предотвращаются автоматическими выключателями, которые за последние 70 лет практически не изменились. Комнатнотемпературные сверхпроводники остаются артефактами на страницах научных журналов и научно-популярной литературы. Так в чем же причина очевидного замедления темпов роста энергетической отрасли? Какие факторы способствуют этому? А как вообще передается электричество на большие расстояния? Давайте поговорим об этом по очереди.

Как уже упоминалось выше, в прошлом было больше сторонников передачи электроэнергии постоянным током. Это преимущество было обусловлено не точными расчетами, а пропагандой и рекламой в СМИ. Почему же сейчас мы слышим о переменном токе только в контексте передачи электроэнергии?

Все начинается с электростанции. Производителям и потребителям электроэнергии экономически выгодно иметь один централизованный источник энергии, а не множество распределенных. Прокладка линий электропередач от таких энергетических центров к потребителям является финансово выгодной. Как известно, мощность (а именно мощность передается по проводам в любой момент времени) равна произведению напряжения и тока. Чтобы получить ту же мощность, можно либо увеличить ток и уменьшить напряжение, либо сделать наоборот.

Случай низкого напряжения и высокого тока очень неэффективен, при такой стратегии потери мощности на длинных линиях электропередач могут составлять 60 процентов и более. Случай высокого напряжения и низкого тока гораздо более выгоден. В случае постоянного тока повышение уровня напряжения является серьезной проблемой, в то время как в случае переменного тока это очень просто. Трансформаторы – это электрические машины, которые преобразуют электричество из низкого напряжения в высокое. Чем длиннее линия электропередачи, тем выше напряжение на ее проводах. Кроме того, бесчисленные фабрики и предприятия используют электродвигатели. Двигатели постоянного тока явно уступают двигателям переменного тока: их КПД ниже, они имеют больше движущихся частей, а их конструкция сложнее. Поэтому большинство электродвигателей в мире – это двигатели переменного тока.

Теперь, когда вы знаете ответ на вопрос, почему победил переменный ток, вы можете взглянуть на систему электроснабжения с более высокой точки зрения. Различные электростанции по всему миру вырабатывают электроэнергию. Проще говоря, от генераторов на электростанциях провода идут к трансформаторной подстанции (ТП), которая повышает напряжение до 35, 110, 330 или 750 кВ. Оттуда кабели на столбах идут к потребителям – городам и заводам – где напряжение снова понижается на понижающих подстанциях до уровня, необходимого потребителю. Эти напряжения составляют 0,4, 1, 10 кВ. Место соединения двух или более линий электропередач называется электрической подстанцией. Таким образом, различные электростанции одной страны соединяются в одну электроэнергетическую систему, а электроэнергетические системы разных стран – в единую электроэнергетическую систему.

Трансформатор на подстанции

Передача энергии на большие расстояния – это всегда вопрос компромисса. Что лучше: построить новую электростанцию или протянуть дальние линии электропередач от существующих подстанций? Например, общая протяженность линий электропередач в Беларуси на начало 2019 года составляла почти 280 000 км. Где и как строить ЛЭП? При установке столбов большое значение имеют форма и характер местности, а также наличие населенных пунктов, дорог и деревьев.

Напряжение сети зависит от потребляемой мощности. Выбор проводников, изоляторов и столбов зависит от мощности, напряжения и, как ни странно, погоды. При строительстве заводов с высоким спросом на энергию необходимо принять решение: питаться от существующей трансформаторной станции или установить трансформаторную станцию в цехе? Как правило, при строительстве объектов решается вопрос о категории электроснабжения, т.е. нужно ли проводить резервные линии и сколько? Отдельным и сложным вопросом является устойчивость системы электроснабжения, т.е. ее способность функционировать в ситуации, когда электростанция или линия электропередач прекращает подачу электроэнергии из-за планового технического обслуживания или поломки.

Для модернизации энергосистем используется ряд решений, например, обычные провода заменяются алюминиевыми, а вместо стальных проводов используются композитные. Это уменьшает провисание проводников и увеличивает зону безопасности вокруг линий и их надежность. В целом, однако, человечество еще не достигло революционно новых методов генерации и передачи электроэнергии.

Пожалуй, можно сказать, что в современном мире электричество занимает третье место после воздуха и воды. Проложены миллионы километров проводов и кабелей, огромные генераторы (до 16 метров в диаметре) прочно закреплены на поверхности земли, и этим объясняется вынужденная неповоротливость и стратегическая важность высоковольтной электроэнергии.

Имеются лаборатории электрофизических измерений для обслуживания и проверки линий и сетей электропередачи. Одной из таких компаний является TMRsila-M, которая имеет многолетний опыт работы в энергетическом секторе и состоит из опытных профессионалов.

Рекордная китайская линия электропередачи длиной 2200 км, проходящая от восточной провинции Хами до Чжэнчжоу (столицы провинции Хэнань), является одной из самых длинных в мире. Стоит отметить, что полностью ввести его в эксплуатацию планируется в 2014 году.

Передача электроэнергии: популярные методы и альтернативы

Электроэнергия не является ресурсом, который нужно хранить. В настоящее время не существует эффективных технологий хранения энергии, вырабатываемой генераторами, поэтому передача электроэнергии потребителям является актуальной проблемой. Стоимость ресурса включает в себя стоимость его выработки, транспортные потери и стоимость установки и обслуживания линий электропередач. В то же время эффективность системы электроснабжения напрямую зависит от схемы передачи электроэнергии.

Высокое напряжение как способ снижения потерь

Хотя большинство потребителей имеют внутреннюю систему передачи 220/380 В, электроэнергия обычно передается к ним по высоковольтной сети и понижается на подстанциях. Это оправдано, поскольку большая часть потерь связана с нагревом проводов.

Потери мощности описываются следующей формулой: Q = I2 * Rl ,

где I – ток, протекающий по линии, RL – ее сопротивление.

Из приведенной выше формулы можно сделать вывод, что затраты могут быть снижены за счет уменьшения сопротивления в линии передачи или уменьшения тока. В первом случае пришлось бы увеличить сечение проводника, что неприемлемо, так как значительно увеличит стоимость сети передачи. Выбор второго варианта потребует повышения напряжения, т.е. внедрение высоковольтных линий электропередач приводит к снижению потерь электроэнергии.

Классификация линий электропередач

В электроэнергетике принято делить линии электропередач на типы по следующим показателям:

Структурные характеристики линий электропередач. В зависимости от структуры различают два типа:

Накладные. Электричество передается по проводам, подвешенным к столбам.
Кабельные линии. Этот способ монтажа предполагает прокладку кабельных линий непосредственно в земле или в специально проложенных коммуникациях.Строительство блочной кабельной канализации

Напряжение .. В зависимости от номинального напряжения линии электропередачи делятся на следующие типы:

Низковольтные, к которым относятся все воздушные линии с напряжением не более 1 кВ.
Среднее напряжение – от 1 кВ до 35 кВ.
Высокое напряжение – 110,0-220,0 кВ.
Сверхвысокое напряжение – 330,0-750,0 кВ.
СВН – более 750 кВ.ЛЭП СВН Экибастуз-Кокчетав 1150 кВ.

Существует разделение по типу передаваемого токаПервый вариант распространен, поскольку электричество передается по линии электропередачи. Первый вариант является более распространенным, поскольку электростанции обычно оснащены генераторами переменного тока. Однако для снижения потерь нагрузки, особенно на больших расстояниях передачи, второй вариант является более эффективным. Ниже объясняется, как организованы цепи передачи в обоих случаях, а также преимущества каждого из них.
Классификация по назначению. Для этой цели приняты следующие категории:

Линии от 500,0 кВ для очень больших расстояний. Такие воздушные линии соединяют отдельные электрические системы друг с другом.
Магистральные линии (220,0-330,0 кВ). Эти линии используются для передачи электроэнергии, вырабатываемой на мощных гидро-, тепло- и атомных электростанциях, и для соединения их в единую энергосистему.
Линии электропередач напряжением 35-150 кВ относятся к распределительным линиям. Они используются для питания крупных промышленных объектов, подключения районных распределительных пунктов и т.д.
Линии электропередачи до 20,0 кВ используются для подключения групп потребителей к электрической сети.

Методы передачи электроэнергии

Электроэнергия может передаваться двумя способами:

Метод прямой передачи.
Путем преобразования электрической энергии в другую форму энергии.

В первом случае электричество передается по проводникам, которые представляют собой провода или проводящие среды. Воздушные и кабельные линии электропередачи используют этот метод передачи.

Преобразование электроэнергии в другую форму энергии открывает перспективу беспроводного снабжения потребителей. Это устранит необходимость в линиях электропередач и, соответственно, затраты, связанные с их установкой и обслуживанием.

Ниже перечислены некоторые из перспективных беспроводных технологий, работа над которыми ведется в настоящее время.

Технологии беспроводной передачи электроэнергии

К сожалению, возможности беспроводной передачи электроэнергии в настоящее время очень ограничены, поэтому пока рано говорить об эффективной альтернативе прямым методам передачи. Исследования в этой области дают надежду на то, что решение будет найдено в ближайшем будущем.

Передача электроэнергии от электростанции к потребителю

На рисунке ниже показаны типичные схемы, из которых первые две являются открытыми конфигурациями, а остальные – закрытыми. Разница между ними заключается в том, что открытые конфигурации не являются резервными, т.е. не имеют резервных линий, которые могут быть активированы в случае критического увеличения электрической нагрузки.

Примеры наиболее распространенных конфигураций линий электропередач

Обозначения:

Радиальная схема, на одном конце линии находится генерирующая станция, на другом – потребитель или распределительный пункт.
Магистральная версия радиальной схемы, отличие от предыдущей версии в том, что между начальной и конечной точками передачи имеются ответвления.
Магистральная конфигурация с питанием на обоих концах линии.
Конфигурация типа кольца.
Магистраль с резервной линией (двойной транкинг).
Тип конфигурации составного шлейфа. Аналогичные схемы используются при подключении критических нагрузок.

Теперь рассмотрим подробнее радиальную схему, используемую для передачи вырабатываемой электроэнергии по сетям переменного и постоянного тока LEP.

Рисунок 6: Схема передачи электроэнергии к нагрузкам с использованием ЛЭП переменного (A) и постоянного (B) тока

Легенда:

Генератор, в котором вырабатывается электроэнергия с синусоидальными характеристиками.
Подстанция с трехфазным повышающим трансформатором.
Подстанция с понижающим трансформатором для трехфазного переменного тока.
Цепь ответвления, используемая для передачи электроэнергии к распределительному щиту.
Выпрямитель, устройство, преобразующее трехфазный переменный ток в постоянный.
Инверторное устройство, задачей которого является преобразование постоянного напряжения в синусоидальное.

Как видно на схеме (A), электроэнергия подается от источника питания к повышающему трансформатору, а затем воздушные линии используются для транспортировки электроэнергии на большие расстояния. В конечной точке линия подключается к понижающему трансформатору, а оттуда поступает к распределителю.

Метод передачи постоянного тока (B на рисунке 6) отличается от предыдущей схемы тем, что имеет два преобразователя (5 и 6).

В конце этой главы для наглядности представлена упрощенная версия схемы городской сетки.

Упрощенный пример схемы источника питания

Легенда:

Электростанция, на которой вырабатывается электроэнергия.
Подстанция, где напряжение повышается для обеспечения высокой эффективности передачи энергии на большие расстояния.
Высоковольтная линия электропередач (35,0-750,0 кВ).
Понижающая трансформаторная подстанция (выходное напряжение 6,0-10,0 кВ).
Пункт распределения электроэнергии.
Подача кабельных линий.
Центральная трансформаторная подстанция на промышленной площадке для понижения напряжения до 0,40 кВ.
Радиальные или магистральные кабельные линии.
Главный распределительный щит в зоне мастерской.
Районная распределительная подстанция.
Радиальная или магистральная кабельная линия.
Подстанция, снижающая напряжение до 0,40 кВ.
Распределительное устройство в жилом доме, для подключения к внутренней электрической сети.

Передача электроэнергии на большие расстояния.

Основная проблема при решении такой задачи заключается в том, что потери растут по мере увеличения длины линии передачи. Как уже упоминалось выше, для снижения энергозатрат на передачу электроэнергии можно уменьшить силу тока за счет увеличения напряжения. К сожалению, такое решение создает новые проблемы, одной из которых является коронный разряд.

С точки зрения экономической целесообразности, потери в воздушных линиях не должны превышать 10%. В таблице ниже приведены максимальные длины линий, которые отвечают условиям экономической эффективности.

Таблица 1: Максимальная длина линий электропередач, отвечающих условиям экономической эффективности (не более 10% потерь)

Напряжение воздушной линии (кВ)	Протяженность (км)
0,40	1,0
10,0	25,0
35,0	100,0
110,0	300,0
220,0	700,0
500,0	2300,0
1150,0*	4500,0*

* – В настоящее время воздушная линия самого высокого напряжения переключена на половину номинального напряжения (500,0 кВ).

Постоянный ток как альтернатива

Воздушные линии постоянного тока могут быть использованы в качестве альтернативы для передачи переменного тока на большие расстояния. Такие воздушные линии имеют следующие преимущества:

Длина воздушной линии не влияет на пропускную способность, но ее максимальное значение намного выше, чем у линии переменного тока. Это означает, что при увеличении энергопотребления (до определенного предела) можно обойтись без модернизации.
Статической устойчивостью можно пренебречь.
Нет необходимости в синхронизации частот взаимосвязанных энергосистем.
Электричество может передаваться по двухпроводной или однопроводной линии, что значительно упрощает конструкцию.
Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи.
Практически полное отсутствие выработки реактивной мощности.

Несмотря на вышеупомянутые возможности линий электропередачи постоянного тока, эти линии не получили широкого распространения. В основном это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянный ток. Генераторов постоянного тока практически не существует, за исключением электростанций, использующих солнечные батареи.

Инвертирование (процесс, прямо противоположный выпрямлению) также не является простым, поскольку необходимо добиться высококачественной синусоидальной характеристики, что значительно увеличивает стоимость оборудования. Кроме того, для воздушных линий протяженностью менее 1000-1500 км необходимо учитывать проблемы с организацией сбора электроэнергии и низкую экономическую эффективность.

Кратко о проводимости света.

Сопротивление проводов можно значительно уменьшить, охладив их до очень низких температур. Это позволит поднять эффективность передачи электроэнергии на новый уровень и увеличить длину линий, что позволит использовать энергию далеко от места ее выработки. К сожалению, имеющиеся в настоящее время технологии не позволяют использовать сверхпроводимость для этих целей из-за экономической нецелесообразности.

Основным средством выработки электроэнергии является электрогенератор, расположенный на одной оси с турбиной, который преобразует кинетическую энергию вращения турбины в электричество.

Одним из способов снижения потерь электроэнергии в проводах ЛЭП является повышение напряжения в ЛЭП. Чем длиннее линия, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Поэтому при передаче электроэнергии от мощных электростанций ток подается через шины на компенсирующие трансформаторные подстанции.

Для передачи постоянного тока требовались проводники с большим сечением и, следовательно, с большим количеством меди. Однако технологии того времени не позволяли передавать постоянный ток на большие расстояния, поскольку преобразование напряжения в высокое напряжение и наоборот было в то время слишком сложным.

Читайте далее: