Получение и передача электроэнергии: Как осуществляется передача электрической энергии?

Как осуществляется передача электрической энергии?

Передача электрической энергии от электрических станций до потребителей осуществляется по электрическим сетям. Электросетевое хозяйство — естественно-монопольный сектор электроэнергетики: потребитель может выбирать, у кого покупать электроэнергию (то есть энергосбытовую компанию), энергосбытовая компания может выбирать среди оптовых поставщиков (производителей электроэнергии), однако сеть, по которой поставляется электроэнергия, как правило, одна, и потребитель технически не может выбирать электросетевую компанию. С технической точки зрения, электрическая сеть представляет собой совокупность линий электропередачи (ЛЭП) и трансформаторов, находящихся на подстанциях.

Линии электропередачи представляют собой металлический проводник, по которому проходит электрический ток. В настоящее время практически повсеместно используется переменный ток. Электроснабжение в подавляющем большинстве случаев — трёхфазное, поэтому линия электропередачи, как правило, состоит из трёх фаз, каждая из которых может включать в себя несколько проводов. Конструктивно линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные.

Воздушные ЛЭП подвешены над поверхностью земли на безопасной высоте на специальных сооружениях, называемых опорами. Как правило, провод на воздушной линии не имеет поверхностной изоляции; изоляция имеется в местах крепления к опорам. На воздушных линиях имеются системы грозозащиты. Основным достоинством воздушных линий электропередачи является их относительная дешевизна по сравнению с кабельными. Также гораздо лучше ремонтопригодность (особенно в сравнении с бесколлекторными КЛ): не требуется проводить земляные работы для замены провода, ничем не затруднён визуальный осмотр состояния линии. Однако, у воздушных ЛЭП имеется ряд недостатков:

широкая полоса отчуждения: в окрестности ЛЭП запрещено ставить какие-либо сооружения и сажать деревья; при прохождении линии через лес, деревья по всей ширине полосы отчуждения вырубаются;

незащищённость от внешнего воздействия, например, падения деревьев на линию и воровства проводов; несмотря на устройства грозозащиты, воздушные линии также страдают от ударов молнии. По причине уязвимости, на одной воздушной линии часто оборудуют две цепи: основную и резервную;

эстетическая непривлекательность; это одна из причин практически повсеместного перехода на кабельный способ электропередачи в городской черте.

Кабельные линии (КЛ) проводятся под землёй. Электрические кабели имеют различную конструкцию, однако можно выявить общие элементы. Сердцевиной кабеля являются три токопроводящие жилы (по числу фаз). Кабели имеют как внешнюю, так и междужильную изоляцию. Обычно в качестве изолятора выступает трансформаторное масло в жидком виде, или промасленная бумага. Токопроводящая сердцевина кабеля, как правило, защищается стальной бронёй. С внешней стороны кабель покрывается битумом. Бывают коллекторные и бесколлекторные кабельные линии. В первом случае кабель прокладывается в подземных бетонных каналах — коллекторах. Через определённые промежутки на линии оборудуются выходы на поверхность в виде люков — для удобства проникновения ремонтных бригад в коллектор. Бесколлекторные кабельные линии прокладываются непосредственно в грунте. Бесколлекторные линии существенно дешевле коллекторных при строительстве, однако их эксплуатация более затратна в связи с недоступностью кабеля. Главным достоинством кабельных линий электропередачи (по сравнению с воздушными) является отсутствие широкой полосы отчуждения. При условии достаточно глубокого заложения, различные сооружения (в том числе жилые) могут строиться непосредственно над коллекторной линией. В случае бесколлекторного заложения строительство возможно в непосредственной близости от линии. Кабельные линии не портят своим видом городской пейзаж, они гораздо лучше воздушных защищены от внешнего воздействия. К недостаткам кабельных линий электропередачи можно отнести высокую стоимость строительства и последующей эксплуатации: даже в случае бесколлекторной укладки сметная стоимость погонного метра кабельной линии в разы выше, чем стоимость воздушной линии того же класса напряжения. Кабельные линии менее доступны для визуального наблюдения их состояния (а в случае бесколлекторной укладки — вообще недоступны), что также является существенным эксплуатационным недостатком.

Вернуться назад

Урок 44. Получение, передача и распределение электроэнергии.

Производство, передача и распределение электроэнергии.

   Проблема обеспечения энергией уже в самое ближайшее время станет одной из наиболее острых среди глобальных проблем человечества. Более 60% энергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС) на органическом топливе (уголь, нефтепродукты, газ, торф), примерно 18% — на атомных (АЭС) и гидроэлектростанциях (ГЭС), а остальные 2% — на солнечных, ветровых, геотермальных и прочих электростанциях.

   Производство электрической энергии в России концентрируется преимущественно на крупных электростанциях. Потребители электрической энергии – промышленность, строительство, электрифицированный транспорт, сельское хозяйство, сфера бытового обслуживания расположены в городах и сельской местности. Центры потребления электроэнергии, как правило, удалены от ее источников зачастую на расстояния в сотни и даже тысячи километров и распределены на значительной территории. В связи с этим возникает задача транспортирования электроэнергии от станций к потребителям. Эту задачу выполняют электрические сети, состоящие из линий электропередачи (ЛЭП) и подстанций.

   Передача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой.

   Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи (ЛЭП), и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток переменной частоты 50 Гц. На рисунке представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии.

   Следует отметить, что при повышении напряжения в линиях передачи увеличиваются утечки энергии через воздух. В сырую погоду вблизи проводов линии может возникнуть так называемый коронный разряд, который можно обнаружить по характерному потрескиванию. Коэффициент полезного действия линии передач не превышает 90 %.

Условная схема высоковольтной линии передачи. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках линии. На схеме изображен только один из трех проводов высоковольтной линии.

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы.

Трансформатор – прибор для преобразования напряжения и силы переменного тока при неизменной частоте.

Он был изобретен П. Н. Яблочковым в 1876 году. В 1882 году трансформатор был усовершенствован И. Ф. Усагиным.

Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции.

Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная.

Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e₁(t), поэтому в ней возникает ток J₁(t), создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Φ, который практически без рассеяния циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток.

В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

В режиме нагрузки в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки R_н, и в ней возникает переменный ток J₂(t). Теперь полный магнитный поток Φ в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток Φ₂, создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током J₂, направлен навстречу потоку Φ₁, создаваемому током J₁ в первичной обмотке: Φ = Φ₁ – Φ₂. Отсюда следует, что токи J₁ и J₂ изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180°.

Коэффициент k=n₁/n₂ есть коэффициент трансформации.

При k>1 трансформатор называется повышающим, при k<1 – понижающим.

Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечники трансформатора изготавливают обычно из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Существует еще один механизм потерь энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов возникают потери электромагнитной энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса.

У хороших современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным, не превышает 1–2 %, поэтому к ним приближенно применима теория идеального трансформатора.

Если пренебречь потерями энергии, то мощность P₁, потребляемая идеальным трансформатором от источника переменного тока, равна мощности P₂, передаваемой нагрузке.

В чем разница между передачей и распределением электроэнергии?

В чем разница между операциями по передаче и распределению электроэнергии National Grid?

Western Power Distribution, крупнейшая региональная электросеть Великобритании, теперь является частью группы National Grid и стала называться National Grid Electricity Distribution . Так в чем же разница между нашими операциями по передаче и распределению электроэнергии?

С момента создания National Grid в 1990, мы занимаемся безопасной и эффективной передачей электроэнергии на большие расстояния по Великобритании.

Мы все еще этим занимаемся, но в некоторых частях Англии и Уэльса теперь мы проносим электричество немного дальше, чем раньше.

Когда дело доходит до электричества, наша роль всегда заключалась в том, чтобы передавать его под высоким напряжением от места его производства к месту его распределения. Мы делаем это через сеть передачи, которая принадлежит и обслуживается частью нашей группы, ответственной за передача электроэнергии .

Электроэнергия не доходит до вашего дома или офиса через эту сеть — об этом заботятся распределительные сети. Британские операторы распределительных сетей, из которых наш  бизнес по распределению электроэнергии (ранее Western Power Distribution) является крупнейшим, – подключают передающие сети к местам, где используется электроэнергия, «распределяя» ее при более низком, более пригодном для использования напряжении.

Как работают системы передачи и распределения электроэнергии?

Хороший способ понять разницу между нашими операциями по передаче и распределению — представить себе британскую дорожную систему:

• Сеть передачи похожа на автомагистрали, по которым транспортные средства (электричество) перевозятся с высокой скоростью (высоким напряжением) по страна. Это сеть больших опор и воздушных линий, которые вы видите по всей стране.

• Распределительные сети  – это местные дороги, соединяющие автомагистрали с населенными пунктами, чтобы помочь транспортным средствам совершить поездку. Это опоры меньшего размера (и подземные кабели), несущие линии более низкого напряжения.

Наше предприятие по передаче электроэнергии поставляет высоковольтную электроэнергию по «магистралям» сети, а наши операции по распределению используют «местные дороги» для доставки электроэнергии туда, где она необходима, в Мидлендсе, Юго-Западе или Южном Уэльсе. Если вы находитесь в любом другом районе, одна из дюжины или около того других региональных сетей распределяет вам электроэнергию.
 

Узнайте больше о роли подстанций в наших сетях

Из чего состоят передающие и распределительные сети National Grid?

Вот некоторые ключевые факты о наших электрических сетях:

Передача электроэнергии

(в Англии и Уэльсе)

• 21 900 стальных опор высотой от 118 футов (36 м) до 623 футов (190 м)

4,50025 миль надземной и воздушной линий 900 миль подземного кабеля

• Передача электроэнергии на более высоких напряжениях 275 кВ и 400 кВ
• Более 300 подстанций для преобразования электроэнергии в различные напряжения

Распределение электроэнергии

(в Мидлендсе, Юго-Западном и Южном Уэльсе)

• 7,9 млн потребителей на площади 55 500 квадратных километров
• 60 000 миль воздушных линий и 83 900 миль подземных кабелей
• Электричество распределяется при более низком напряжении до 132 кВ
• 188 000 трансформаторов на подстанциях для снижения напряжения до безопасного уровня

Основы системы передачи электроэнергии

Электроэнергия после выработки на генерирующих станциях (ТЭЦ, ТЭЦ, АЭС и др. ) передается потребителям для использования. Это связано с тем, что генерирующие станции обычно располагаются вдали от центров нагрузки. Сеть, которая передает и доставляет энергию от производителей к потребителям, называется 9.0005 система передачи . Эта энергия может передаваться в форме переменного или постоянного тока. Традиционно переменный ток используется уже много лет, но быстро набирает популярность HVDC (высоковольтный постоянный ток).

Типичная однолинейная диаграмма, представляющая поток энергии в данной энергосистеме, показана ниже:

Электроэнергия обычно (или обычно) вырабатывается напряжением 11 кВ на электростанциях в Индии и Европе. Хотя в некоторых случаях напряжение генерации может быть выше или ниже. Генераторные машины, которые будут использоваться на электростанциях, доступны от 6 кВ до 25 кВ от некоторых крупных производителей. Это генерирующее напряжение затем повышается до 132 кВ, 220 кВ, 400 кВ или 765 кВ и т. д. Повышение уровня напряжения зависит от расстояния, на которое должна передаваться мощность. Чем больше расстояние, тем выше будет уровень напряжения. Повышение напряжения заключается в уменьшении I ² R потери в при передаче мощности (при повышении напряжения ток уменьшается на относительную величину, так что мощность остается постоянной, и, следовательно, потери I ² R также уменьшаются). Этот этап называется первичной передачей .

Напряжение понижено на приемной станции до 33 кВ или 66 кВ. Вторичные линии передачи выходят из этой приемной станции для соединения подстанций, расположенных вблизи центров нагрузки (городов и т. д.).

Напряжение на подстанции снова снижено до 11 кВ. Крупные промышленные потребители могут питаться напряжением 11 кВ напрямую от этих подстанций. Также от этих подстанций выходят фидеры. Этот этап называется первичным распространением .

Фидерные линии представляют собой воздушные линии или подземные кабели, которые передают энергию вблизи точек нагрузки (конечных потребителей) на расстояние до нескольких километров. Наконец, напряжение снижается до 415 вольт с помощью установленного на столбе распределительного трансформатора и подается к распределителям. Питание конечных потребителей осуществляется по сервисной магистрали от дистрибьюторов. 9Система вторичного распределения 0005 состоит из фидеров, распределителей и сервисной сети.

Различные типы систем передачи

1. Однофазная система переменного тока
   • Однофазная, двухпроводная
   • одна фаза, два провода с заземлением средней точки
   • одна фаза, три провода
2. Двухфазная система переменного тока
   • Двухфазная, трехпроводная
   • двухфазный, четырехпроводный
3. Трехфазная система переменного тока
   • трехфазный, три провода
   • трехфазный, четырехпроводный
4. Система постоянного тока
   • Двухпроводная система постоянного тока
   • Два провода постоянного тока с заземленной средней точкой
   • DC три провода

Передача электроэнергии также может осуществляться по подземным кабелям. Но строительство подземной линии электропередачи обычно обходится в 4-10 раз дороже, чем строительство воздушной линии эквивалентного расстояния. Однако следует отметить, что стоимость строительства подземных линий электропередачи сильно зависит от местных условий. Кроме того, стоимость требуемого материала проводника является одной из самых значительных затрат в системе передачи. Поскольку стоимость проводника является основной частью общей стоимости, ее необходимо учитывать при проектировании. Выбор системы передачи осуществляется с учетом различных факторов, таких как надежность, эффективность и экономичность. Обычно используется система воздушной передачи.

Основные элементы линии электропередачи

В силу экономических соображений для передачи электроэнергии широко применяется трехфазная трехпроводная контактная сеть. Ниже приведены основные элементы типичной энергосистемы.

• Проводники: три для одноцепной линии и шесть для двухцепной линии.