На какви разстояния електроенергията може да се предава ефективно?

Проводници и генератори

Поддръжниците на разпределеното поколение смятат, че бъдещето на енергията е да използва малки генериращи устройства от всеки потребител. Може да си помислите, че така познатите ни предавателни полюси изживяват последните си дни. Ще се опитам да защитя „старите жени” на електропровода и ще разгледам предимствата, които електроснабдителната система получава при изграждането на дълги електропроводи.

Първо, преносът на електрическа енергия се конкурира пряко с транспортирането на гориво по железопътни, петролни и газопроводи. Със своята отдалеченост или отсъствие, изграждането на електропроводи е единственото оптимално решение за снабдяване с енергия.

Второ, в електротехниката се обръща голямо внимание на съкращаването на мощността. Съгласно правилата за проектиране на електроенергийни системи, резервът трябва да осигурява работата на електроенергийната система в случай на загуба на някой от нейните елементи. Сега този принцип се нарича "N-1". За две изолирани системи общият резерв ще бъде по-голям, отколкото за свързани, а по-малък резерв ще бъде по-малко пари, изразходвани за скъпо електрическо оборудване.

Трето, спестяванията се постигат чрез по-компетентно управление на енергията. По очевидни причини атомните централи и водноелектрическите централи (с изключение на малките генерации) често се намират далеч от големите градове и селища. Без електропроводи „мирният атом“ и хидроенергията не биха били използвани по предназначение. Обширната система за захранване също ви позволява да оптимизирате натоварването на други видове електроцентрали. Ключът към оптимизацията е управление на опашката за изтегляне. Първо се зареждат електроцентралите с по-евтино производство на всеки kWh, след това електроцентралите с по-скъпи. Не забравяйте за часовите зони! Когато в Москва е пикът на потреблението на енергия, в Якутск тази цифра е малка. Доставяйки евтина електроенергия в различни часови зони, ние стабилизираме натоварването на генераторите и свеждаме до минимум разходите за производство на електроенергия.

Не забравяйте за крайния потребител - колкото повече възможности имаме да доставяме електрическа енергия към него от различни източници, толкова по-малка е вероятността някой ден захранването му да бъде прекъснато.

Недостатъците на изграждането на разклонена електрическа мрежа включват: сложен диспечерски контрол, трудната задача за автоматично управление и релейна защита, необходимостта от допълнителен мониторинг и регулиране на честотата на предаваната мощност.

Отбелязаните недостатъци обаче не могат да компенсират положителния ефект от изграждането на разклонена енергийна система. Разработването на съвременни системи за аварийно управление и компютърни технологии постепенно опростява процеса на диспечерски контрол и повишава надеждността на електропреносните мрежи.

Постоянен или променлив?

Има два основни подхода за пренос на електричество - използването на променлив или постоянен ток. Без да навлизаме в подробности, отбелязваме, че за малки разстояния е много по-ефективно да се използва променлив ток. Но при предаване на електричество на разстояния над 300 км, практичността на използването на променлив ток не е толкова очевидна.

Това се дължи предимно на вълновите характеристики на предаваната електромагнитна вълна. За честота от 50 Hz дължината на вълната е приблизително 6000 km. Оказва се, че в зависимост от дължината на електропроводите има физически ограничения на предаваната мощност. Максималната мощност може да бъде предадена с електропроводи от порядъка на 3000 км, което е половината от дължината на предаваната вълна. Между другото, същото количество мощност се предава по електропроводи с дължина 10 пъти по-малка. При други размери линии обемът на мощността може да достигне само половината от тази стойност.

През 1968 г. в СССР се провежда уникален и засега единствен експеримент в света за предаване на мощност на разстояние от 2858 км. Схемата за предаване беше изкуствено сглобена, включително участъци Волгоград-Москва-Куйбишев (сега Самара) -Челябинск-Свердловск (сега Екатеринбург) с напрежение 500 kV. Експериментално потвърждение на теоретични изследвания на дълги линии.

Сред рекордьорите дължината на електропреносната линия, положена в Китай, е 2200 км от източната провинция Хами до град Дженчжоу (столицата на провинция Хенан). Заслужава да се отбележи, че пълното му въвеждане в експлоатация е планирано за 2014 г.

Също така, не забравяйте за напрежението на линиите. От училище познаваме ли закона на Джоул-Ленц P = I? R, който постулира, че загубата на електрическа енергия зависи от стойността на електрическия ток в жицата и от материала, от който е направена. Предаваната мощност през електропроводи е произведена от ток и напрежение. Колкото по-високо е напрежението, толкова по-малък е токът в проводника и по този начин е по-ниско нивото на загуба на енергия по време на предаване. Оттук и последствието: ако искаме да предаваме електричество на дълги разстояния, е необходимо да изберем възможно най-голямото напрежение.

При използване на променлив ток в удължени електропроводи възникват редица технологични проблеми. Основният проблем е свързан с реактивните параметри на електропроводи. Капацитетът и индуктивността на проводниците оказват значително влияние върху загубите на напрежение и мощност по време на предаване, има нужда от поддържане на нивото на напрежение на правилното ниво и компенсация на реактивния компонент, което значително увеличава разходите за полагане на километър жица. Високото напрежение налага използването на по-голям брой изолационни маргаритки, а също така налага ограничение на напречното сечение на проводника. Всичко това увеличава общото тегло на цялата конструкция и води до необходимостта от използване на по-стабилни и сложни в конструкциите си опори за електропроводи.

Тези проблеми могат да бъдат избегнати чрез използване на линии с постоянен ток. Проводниците, използвани в линии за постоянен ток, са по-евтини и се използват по-дълго по време на работа поради липсата на частични разряди в изолацията. Параметрите на реактивното предаване не влияят значително на загубите. Най-ефикасно е да се предава мощност от генераторите чрез линии на постоянен ток, тъй като е възможно да се избере оптималната скорост на въртене на ротора на генератора, което повишава ефективността на използването му. Недостатъците на използването на постояннотокови линии са високата цена на токоизправителите, инверторите и различни филтри за компенсиране на неизбежните по-високи хармоници при преобразуване на променлив ток в постоянен ток.

Но колкото по-голяма е дължината на електропровода, толкова по-ефективно е да се използват линии с постоянен ток. Има определена критична дължина на електропроводи, което ни позволява да оценим осъществимостта на използването на постоянен ток, като всички останали са равни. Според американски изследователи при кабелните линии ефектът е забележим при дължини над 80 км, но тази стойност намалява през цялото време с развитието на технологията и цената на необходимите компоненти.

Най-дългата DC линия в света отново се намира в Китай. Той свързва язовира Xiangjiaba с Шанхай. Дължината му е почти 2000 км при напрежение 800 kV. Доста линии с постоянен ток са разположени в Европа. В Русия може да се разграничи отделно вложката Виборг DC, свързваща Русия и Финландия, и високо напрежението на постоянен ток Волгоград-Донбас с дължина почти 500 км и напрежение 400 kV.

Студени проводници

Принципно нов подход за пренос на електрическа енергия отваря явлението свръхпроводимост. Спомнете си, че загубата на електрическа енергия в жица, освен напрежението, зависи и от материала на жицата. Свръхпроводящите материали имат почти нулево съпротивление, което теоретично позволява предаването на електрическа енергия без загуба на дълги разстояния. Недостатъкът на използването на тази технология е необходимостта от непрекъснато охлаждане на линията, което понякога води до факта, че цената на охлаждащата система значително надвишава загубата на електрическа енергия при използване на конвенционален непроводим материал. Типичният дизайн на такъв електропровод се състои от няколко вериги: проводник, който е затворен в корпус с течен хелий, корпус, който ги обгражда с течен азот и по-малко екзотична топлоизолация отвън. Проектирането на такива линии се извършва ежедневно, но не винаги стига до практическо изпълнение. За най-успешен проект може да се счита линията, построена от американския суперпроводник в Ню Йорк, а най-амбициозният проект е електропровода в Корея, с дължина около 3000 км.

Довиждане проводници!

Идеята изобщо да не се използват проводници за предаване на електрическа енергия, възниква отдавна. Не могат ли да вдъхновят експериментите, проведени от Никола Тесла в края на XIX - началото на XX век? Според свидетелствата на неговите съвременници, през 1899 г. в Колорадо Спрингс Тесла е успял да накара да се появят двеста електрически крушки без използването на никакви проводници. За съжаление почти няма записи за неговата работа и те биха могли да повторят подобни успехи само след сто години. Технологията WiTricity, разработена от професора на MIT Марин Солячич, ви позволява да прехвърляте електрическа енергия, без да използвате проводници. Идеята е синхронната работа на генератора и приемника. Когато се достигне резонанс, променливото магнитно поле, възбудено от емитера в приемника, се преобразува в електрически ток. През 2007 г. успешно се проведе експеримент с подобно предаване на електричество на разстояние от няколко метра.

За съжаление, настоящото ниво на развитие на технологиите не позволява ефективно използване на свръхпроводящи материали и технологии за безжично предаване на електрическа енергия. Електропроводи във познатата ни форма ще красят полетата и покрайнините на градовете за дълго време, но дори правилното им използване ще донесе значителни ползи за развитието на цялата световна енергийна индустрия.

Препоръчано

От какво са направени обувки за бягане?
2019
Йодни таблетки ще бъдат разпределени на живеещите в близост до растението
2019
Слушалки Marshall Major II: тест драйв
2019