Как производят и транспортируют электроэнергию от электростанций до дома

Электричество не относится к накопительным ресурсам. На сегодняшний день нет эффективных технологий, позволяющих аккумулировать энергию, выработанную генераторами, поэтому передача электроэнергии потребителям относится к актуальным задачам. В стоимость ресурса входят затраты на его производство, потери при транспортировке и расходы на монтаж и обслуживание ЛЭП. При этом от схемы передачи напрямую зависит эффективность системы электроснабжения.

Как генерируется электроэнергия

В 1831 году М. Фарадей обнаружил, что когда магнит вращается вокруг катушки с проводом, в проводнике течет электроток. Генератор электроэнергии – устройство, преобразующее другую форму энергии в электрическую. Эти агрегаты работают на основе взаимосвязи электрического и магнитного полей. Практически всю потребляемую мощность производят генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую.

Производство электроэнергии обычным способом осуществляется генератором с электромагнитом. Он имеет серию изолированных катушек из проволоки, образующих неподвижный цилиндр (статор). Внутри цилиндра находится вращающийся электромагнитный вал (ротор). При вращении электромагнитного вала в катушках статора возникает электроток, который и передается затем через линии электропередач к потребителям.

На электростанциях для производства электрической энергии используются турбины в качестве генераторов, которые бывают различного типа:

  • паровые;
  • турбины газового сгорания;
  • водяные;
  • ветряные.

Паровая турбина

Паровая турбина

В турбогенераторе движущаяся жидкость или газ (пар) попадают на лопатки, установленные на валу, и вращают вал, соединенный с генератором. Таким образом, механическая энергия воды или газа превращается в электрическую.

Интересно. В настоящее время 93% электроэнергии в мире дают паровые, газовые и водяные турбины, использующие биомассу, уголь, геотермальную, ядерную энергию, природный газ.

Другие типы устройств, которые генерируют электричество:

  • электрохимические батареи;
  • топливные устройства;
  • солнечные фотогальванические элементы;
  • термоэлектрические генераторы.

История электроэнергетики

Какой счетчик электроэнергии лучше поставить в квартире

До появления электричества люди сжигали растительное масло, восковые свечи, жир, керосин, газифицированный уголь для освещения домов, улиц и мастерских. Электричество позволило иметь чистое, безопасное, яркое освещение, для которого и была построена первая электростанция. Томас Эдисон запустил ее в нижнем Манхэттене (Нью-Йорк) в 1882 году и навсегда отодвинул тьму, открыв новый мир. Станция Pearl Street, работающая на угле, стала прототипом для всей развивающейся энергетики. Она состояла из шести динамо-генераторов, каждый весом 27 тонн и мощностью 100 кВт.

В России первые электростанции начали появляться в конце 80-х-90-х годов 19-го века в Москве, Санкт-Петербурге и Одессе. По мере развития передачи электроэнергии электрические станции укрупнялись и переносились ближе к источникам сырья. Мощный толчок к производству и использованию электрической энергии дал план ГОЭЛРО, принятый в 1920 г.

Первая крупная электростанция в Москве

Первая крупная электростанция в Москве

Станции на ископаемом топливе

Ископаемое топливо – это остатки растительной и животной жизни, подвергшиеся воздействию высоких температур, высоких давлений в течение миллионов лет и оказавшиеся в форме углеродов: торфа, угля, нефти и природного газа. В отличие от самого электричества ископаемое топливо может храниться в больших количествах. Электростанции, работающие на ископаемом топливе, в целом надежны, они эксплуатируются десятилетиями.

Недостатки тепловых электростанций:

  • Сжигание топлива приводит к загрязнениям двуокисью серы и азотно-оксидному, требующим дорогостоящих систем очистки;
  • Сточные воды от использованного пара могут переносить загрязняющие вещества в водоемы;
  • Текущие трудности – большое количество углекислого газа и золы от угля.

Важно! Добыча и транспортировка ископаемых ресурсов создают экологические проблемы, которые могут привести к катастрофическим последствиям для экосистем.

КПД тепловых электростанций ниже 50%. Для его повышения применяются ТЭЦ, в которых тепловая энергия использованного пара идет на отопление и снабжение горячей водой. При этом КПД увеличивается до 70%.

Газовые турбины и станции на биомассе

Передача электроэнергии на расстояние

Некоторые агрегаты на природном газе могут производить электроэнергию без пара. Они используют турбины, очень похожие на турбины реактивных самолетов. Однако вместо авиационного керосина они сжигают природный газ, приводя в действие генератор. Такие установки удобны, потому что их можно быстро запускать в ответ на временные скачки спроса на электроэнергию.

Газовая турбина

Газовая турбина

Существуют агрегаты, работа которых основана на сжигании биомассы. Этот термин применяется к древесным отходам или другим возобновляемым растительным материалам. Например, станция Okeelanta во Флориде сжигает отходы травы, образовавшиеся в процессе переработки сахарного тростника, в одну часть года и древесные отходы – в оставшееся время.

Гидроэлектростанции

ОДН по электроэнергии

В мире работает два типа гидроэлектростанций. Первый тип берет энергию от быстро движущегося потока, чтобы вращать турбину. Поток воды в большинстве рек может широко варьироваться в зависимости от количества осадков, и существует несколько подходящих мест вдоль русла реки для строительства электростанций.

Большинство гидроэлектростанций использует резервуар для компенсации периодов засухи и повышения давления воды в турбинах. Эти искусственные водохранилища покрывают большие площади, создавая живописные объекты. Необходимые массивные плотины также удобны для борьбы с наводнениями. В прошлом мало кто сомневался, что выгоды от их строительства превышают издержки.

Гидроэлектростанция

Гидроэлектростанция

Однако сейчас точка зрения изменилась:

  • Теряются огромные земельные площади под водохранилища;
  • Плотины вытеснили людей, уничтожили ареал дикой природы и археологические объекты.

Некоторые издержки можно компенсировать, например, строить проходы для рыбы в плотине. Однако другие остаются, и строительство гидроэлектростанций вызывает широкие протесты местных жителей.

Второй тип гидроэлектростанций – ГАЭС, или гидроаккумулирующие. Агрегаты в них работают в двух режимах: насосном и генераторном. ГАЭС используют периоды низкого спроса (ночь) для перекачивания воды в резервуар. Когда спрос возрастает, часть этой воды направляется в гидротурбины для выработки электроэнергии. Эти станции экономически выгодны, так как используют для перекачки дешевую электроэнергию, а вырабатывают дорогую.

АЭС

Несмотря на некоторые важные технические различия, атомные электростанции являются тепловыми и производят электроэнергию во многом так же, как и установки на ископаемом топливе. Разница в том, что они генерируют пар, используя тепло атомного деления, а не от сжигания угля, нефти или газа. Затем пар работает так же, как и в тепловых агрегатах.

Атомная электростанция

Атомная электростанция

Особенности АЭС:

  • Атомные установки не используют много топлива и редко заправляются, в отличие от угольных, в которые топливо грузится вагонами;
  • Парниковые газы и вредные выбросы минимальны при правильной эксплуатации, что делает атомную энергетику привлекательной для людей, обеспокоенных качеством воздуха;
  • Сточные воды более горячие, большие градирни предназначены для решения этой проблемы.

Наметившееся было стремление к ядерной энергетике дрогнуло перед лицом социальных проблем, связанных с вопросами безопасности окружающей среды и экономики. Создание лучших механизмов безопасности увеличивает затраты на строительство и эксплуатацию. До сих пор не решена проблема утилизации отработавшего ядерного топлива и загрязненных аксессуаров, которые могут оставаться опасными тысячи лет.

Важно! Авария на острове Три-Майл в 1979 г. и в Чернобыле в 1986 г. были серьезными катастрофами. Продолжающиеся экономические проблемы сделали АЭС менее привлекательными. Несмотря на то, что они производят 16% мировой электроэнергии, будущее ядерной энергетики не определено и горячо обсуждается.

Ветровая энергия

Ветровые электростанции не нуждаются в хранилищах воды и не загрязняют воздух, который несет гораздо меньше энергии, чем вода. Поэтому требуется построить либо очень большие агрегаты, либо много маленьких. Затраты на строительство могут быть высокими.

Ветровые установки

Ветровые установки

Кроме того, существует немного мест, где ветер дует предсказуемо. Турбины проектируются с помощью специальной передачи для вращения ротора с постоянной скоростью.

Альтернативные виды энергии

  • Геотермальная. Яркий пример тепла, доступного под землей, виден при извержении гейзеров. Недостаток геотермальных электростанций – необходимость строительства в районах с сейсмической опасностью;
  • Солнечная. Солнечные батареи сами являются генератором. Они используют возможность превращения солнечного излучения в электроэнергию. До недавнего времени солнечные элементы были дорогими, повышение их КПД – также сложная задача;

Солнечная батарея

Солнечная батарея

  • Топливные элементы. Используются, в частности, в космических аппаратах. Там они химически объединяют водород и кислород для образования воды и получения электроэнергии. Пока такие установки дороги и не нашли широкого применения. Хотя в Японии уже создана центральная электростанция на топливных элементах.

Использование электроэнергии

Использование электрической энергии подразделяется на 3 направления:

  • Две трети от получаемой энергии идет на нужды промышленности;
  • Второе главное направление – использование электроэнергии в транспорте. Электротранспорт: железнодорожный, трамваи, троллейбусы, метро работают на постоянном и переменном токе. В последнее время появляется все больше электромобилей, для которых строится сеть заправочных станций;
  • Меньше всего потребляет электроэнергии бытовой сектор: жилые дома, магазины, офисы, образовательные учреждения, больницы и др.

По мере совершенствования технологий электрогенерации и повышения экологической безопасности сама концепция строительства крупных централизованных станций ставится под сомнение. В большинстве случаев уже экономически невыгодно обогревать дома из центра. Дальнейшее развитие топливных элементов и солнечных батарей могут полностью изменить картину производства и передачи электроэнергии. Эта возможность тем более привлекательна, если учитывать стоимость и возражения при строительстве крупных электростанций и ЛЭП.

Виды электростанций.

Основными источниками электроэнергии являются электростанции. В настоящее время самыми востребованными и эффективными из них являются:

  • гидроэлектростанции (ГЭС),
  • тепловые электростанции (ТЭЦ),
  • атомные электростанции (АЭС).

Но так же для производства электроэнергии используются и геотермальные, ветровые, солнечные электростанции. В последнее время их популярность растет с каждым годом, так как эти электростанции более экологичны и безопасны для природы и человека.

Для того чтобы передать электроэнергию от электростанции к потребителю она должна пройти длинный путь через большое количество устройств. Каких устройств и для чего они нужны, мы сейчас разберемся.

Атомная электростанция

Рисунок 2. Атомная электростанция.

Важнейшая проблема передачи электроэнергии состоит в том, что при передаче ее на большие расстояния возникают большие потери мощности тока. Основная причина этих потерь это сопротивления в проводниках, по которым передается электричество.Отсюда возникает вопрос, как снизить сопротивление в проводах?

Чтобы снизить сопротивление в проводах необходимо увеличить их площадь поперечного сечение. Но учитывая длину, на которую нужно передать электроэнергию, очевидно, что это невыгодно. Есть еще один способ, чтобы передать ту же мощность по проводам, можно уменьшить силу тока протекающего по проводам увеличив напряжение.

Этот процесс можно сравнить с водопроводной трубой, где вода это электрический ток, труба это проводник, объем воды протекающий через трубу это мощность, давление воды это напряжение.

Теперь все понятно, увеличивать диаметр трубы, чтобы поступало больше воды не выгодно из-за большого расстояния, нужно увеличить давление напряжение, чтобы через тот же диаметр трубы протекало больше воды. Правда придётся увеличить и толщину трубы, чтобы ее не порвало, в электрике это будет увеличение толщины изоляторов, чтобы не было пробоя. Но все равно это выгодней!

Классификация линий электропередач

В энергетике принято разделять ЛЭП на виды в зависимости от следующих показателей:

  • Конструктивные особенности линий, осуществляющих передачу электроэнергии. В зависимости от исполнения они могут быть двух видов:
  • Вольтаж. В зависимости от величины напряжения ЛЭП принято классифицировать на следующие виды:
  • Низковольтные, к таковым относятся все ВЛ с напряжением не более 1-го кВ.
  • Средние – от 1-го до 35-ти кВ.
  • Высоковольтные – 110,0-220,0 кВ.
  • Сверхвысоковольтные – 330,0-750,0 кВ.
  • Ультравысоковольтные — более 750-ти кВ.Ультравысоковольтная ЛЭП Экибастуз-Кокчетав 1150 кВУльтравысоковольтная ЛЭП Экибастуз-Кокчетав 1150 кВ
  • Разделение по типу тока при передаче электричества, он может быть переменным и постоянным. Первый вариант более распространен, поскольку электростанции, как правило, оборудованы генераторами переменного тока. Но для уменьшения нагрузочных потерь энергии, особенно на большой дальности передачи, более эффективен второй вариант. Как организованы схемы передачи электричества в обоих случаях, а также преимущества каждого из них, будет рассказано ниже.
  • Классификация в зависимости от назначения. Для этой цели приняты следующие категории:
  • Линии от 500,0 кВ для сверхдальних расстояний. Такие ВЛ связывают между собой отдельные энергетические системы.
  • ЛЭП магистрального назначения (220,0-330,0 кВ). При помощи таких линий осуществляется передача электричества, вырабатываемого на мощных ГЭС, тепловых и атомных электростанциях, а также их объединения в единую энергосистему.
  • ЛЭП 35-150 кВ относятся к распределительным. Они служат для снабжения электроэнергией крупных промышленных площадок, подключения районных распределительных пунктов и т.д.
  • ЛЭП с напряжением до 20,0 кВ, служат для подключения групп потребителей к электрической сети.

Способы передачи электроэнергии

Осуществить передачу электроэнергии можно двумя способами:

  • Методом прямой передачи.
  • Преобразуя электричество в другой вид энергии.

В первом случае электроэнергия передается по проводникам, в качестве которых выступает провод или токопроводящая среда. В воздушных и кабельных ЛЭП применяется именно этот метод передачи. Преобразование электричества в другой вид энергии открывает перспективы беспроводного снабжения потребителей. Это позволит отказаться от линий электропередач и, соответственно, от расходов, связанных с их монтажом и обслуживанием. Ниже представлены перспективные беспроводные технологии, над совершенствованием которых ведутся работы.

Технологии беспроводной передачи электричестваТехнологии беспроводной передачи электричества

К сожалению, на текущий момент возможности транспортировки электричества беспроводным способом сильно ограничены, поэтому об эффективной альтернативе методу прямой передачи говорить пока рано. Исследовательские работы в этом направлении позволяют надеяться, что в ближайшее время решение будет найдено.

Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя

Ниже на рисунке представлены типовые схемы, из которых первые две относятся к разомкнутому виду, остальные — к замкнутому. Разница между ними заключается в том, что разомкнутые конфигурации не являются резервированными, то есть, не имеют резервных линий, которые можно задействовать при критическом увеличении электрической нагрузки.

Пример наиболее распространенных конфигураций ЛЭП

Обозначения:

  • Радиальная схема, на одном конце линии находится электростанция производящая энергию, на втором — потребитель или распределительное устройство.
  • Магистральный вариант радиальной схемы, отличие от предыдущего варианта заключается в наличии отводов между начальным и конечным пунктами передачи.
  • Магистральная схема с питанием на обоих концах ЛЭП.
  • Кольцевой тип конфигурации.
  • Магистраль с резервной линией (двойная магистраль).
  • Сложнозамкнутый вариант конфигурации. Подобные схемы применяются при подключении ответственных потребителей.

Теперь рассмотрим более подробно радиальную схему для передачи вырабатываемой электроэнергии по ЛЕП переменного и постоянного тока.

Рис. 6. Схемы передачи электроэнергии к потребителям при использовании ЛЭП с переменным (А) и постоянным (В) током

Обозначения:

  • Генератор, где вырабатывается я электроэнергия с синусоидальной характеристикой.
  • Подстанция с повышающим трехфазным трансформатором.
  • Подстанция с трансформатором, понижающим напряжение трехфазного переменного тока.
  • Отвод для передачи электироэнергии распределительному устройству.
  • Выпрямитель, то есть устройство преобразующее трехфазный переменный ток в постоянный.
  • Инверторный блок, его задача сформировать из постоянного напряжение синусоидальное.

Как видно из схемы (А), с источника энергии электричество подается на повышающий трансформатор, затем при помощи воздушных линий электропередач производится транспортировка электроэнергии на значительные расстояния. В конечной точке линия подключается к понижающему трансформатору и от него идет к распределителю.

Метод передачи электроэнергии в виде постоянного тока ( В на рис.6) от предыдущей схемы отличается наличием двух преобразовательных блоков (5 и 6).

Закрывая тему раздела, для наглядности приведем упрощенный вариант схемы городской сети.

Наглядный пример структурной схемы электроснабженияНаглядный пример структурной схемы электроснабжения

Обозначения:

  • Электростанция, где электроэнергия производится.
  • Подстанция, повышающая напряжение, чтобы обеспечить высокую эффективность передачи электроэнергии на значительные расстояния.
  • ЛЭП с высоким напряжением (35,0-750,0 кВ).
  • Подстанция с понижающими функциями (на выходе 6,0-10,0 кВ).
  • Пункт распределения электроэнергии.
  • Питающие кабельные линии.
  • Центральная подстанция на промышленном объекте, служит для понижения напряжения до 0,40 кВ.
  • Радиальные или магистральные кабельные линии.
  • Вводный щит в цеховом помещении.
  • Районная распределительная подстанция.
  • Кабельная радиальная или магистральная линия.
  • Подстанция, понижающая напряжение до 0,40 кВ.
  • Вводный щит жилого дома, для подключения внутренней электрической сети.

Передача электроэнергии на дальние расстояния

Основная проблема, связанная с такой задачей – рост потерь с увеличением протяженности ЛЭП. Как уже упоминалось выше, для снижения энергозатрат на передачу электричества уменьшают силу тока путем увеличения напряжения. К сожалению, такой вариант решения порождает новые проблемы, одна из которых коронные разряды.

С точки зрения экономической целесообразности потери в ВЛ не должны превышать 10%. Ниже представлена таблица, в которой приводится максимальная протяженность линий, отвечающих условиям рентабельности.

Таблица 1. Максимальная протяженность ЛЭП с учетом рентабельности (не более 10% потерь)

Напряжение ВЛ (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*

* — на текущий момент ультравысоковольтная ВЛ переведена на работу с напряжением в половину от номинального (500,0 кВ).

Постоянный ток в качестве альтернативы

В качестве альтернативы электропередачи переменного тока на большое расстояние можно рассматривать ВЛ с постоянным напряжением. Такие ЛЭП обладают следующими преимуществами:

  • Протяженность ВЛ не влияет на мощность, при этом ее максимальное значение существенно выше, чем у ЛЭП с переменным напряжением. То есть при увеличении потребления электроэнергии (до определенного предела) можно обойтись без модернизации.
  • Статическую устойчивость можно не принимать во внимание.
  • Нет необходимости синхронизировать по частоте связанные энергосистемы.
  • Можно организовать передачу электроэнергии по двухпроводной или однопроводной линии, что существенно упрощает конструкцию.
  • Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи.
  • Практически отсутствует генерация реактивной мощности.

Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях.

С инверсией (процесс полностью противоположный выпрямлению) также не все просто, необходимо допиться качественных синусоидальных характеристик, что существенно увеличивает стоимость оборудования. Помимо этого следует учитывать проблемы с организацией отбора мощности и низкую рентабельность при протяженности ВЛ менее 1000-1500 км.

Кратко о свехпроводимости.

Сопротивление проводов можно существенно снизить, охладив их до сверхнизких температур. Это позволило бы вывести эффективность передачи электроэнергии на качественно новый уровень и увеличить протяженность линий для использования электроэнергии на большом удалении от места ее производства. К сожалению, доступные на сегодняшний день технологии не могут позволить использования сверхпроводимости для этих целей ввиду экономической нецелесообразности.


Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью:

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Добавить комментарий