Přenos elektřiny na velké vzdálenosti

Přenos zpráv na velké vzdálenosti ještě před několika sty lety vypadal jako něco ze sci-fi. Doba poštovních holubů, využívaných od starověku Římany, Peršany a Egypťany, uplynula po vynálezu telegrafní komunikace. Můžeme s jistotou říci, že s přenosem energie na velké vzdálenosti během stejných historických období to bylo mnohem horší. Vodiče s vysokým odporem, nízké napětí a tvrdá komerční konkurence v oblasti stejnosměrného proudu jsou jen některé z faktorů, které brzdily rozvoj elektrických systémů a sítí.

Není žádným tajemstvím, že energetiku lze nazvat spíše konzervativním odvětvím. Porovnáme-li rychlost rozvoje tepla a elektřiny s pokrokem v informačních technologiích ve stejných časových obdobích, je rozdíl obzvláště výrazný. Dotykové displeje s ultravysokým rozlišením kolem nás, umělá inteligence a všudypřítomný a univerzální přístup k internetu se od začátku tohoto století výrazně vyvinuly. Věže přenosového vedení však stále nesou tisíce kilometrů ocelovo-hliníkových drátů, přetížení brání jističe, které se za posledních 70 let příliš nezměnily. Supravodiče fungující při pokojové teplotě zůstaly artefakty na stránkách vědeckých časopisů a populárně vědecké literatury. Co způsobuje zdánlivou pomalost energie? Jaké faktory to ovlivňují? A jak probíhá přenos elektřiny na velké vzdálenosti? První věci.

Jak bylo uvedeno výše, historicky bylo zpočátku více zastánců přenosu elektřiny pomocí stejnosměrného proudu. Tato výhoda nebyla způsobena přesnými výpočty, existovala propaganda v médiích a reklamě. Proč nyní v souvislosti s přenosem elektřiny slyšíme pouze o střídavém proudu?

Vše začíná elektrárnami. Pro výrobce i spotřebitele elektřiny je ekonomicky výhodné mít jeden centralizovaný zdroj energie spíše než mnoho samostatných. Položit elektrické vedení z takových energetických center ke spotřebitelům je finančně proveditelné. Jak víte, výkon (a v každém okamžiku je to výkon přenášený dráty) se rovná součinu napětí a proudu. Chcete-li získat stejný výkon, můžete buď zvýšit proud a snížit napětí, nebo udělat opak.

Případ nízkého napětí a vysokého proudu je s touto strategií velmi neefektivní, ztráty elektřiny na dlouhých elektrických vedeních mohou být 60 procent nebo více; Mnohem výhodnější je pouzdro s vysokým napětím a nízkým proudem. Při použití stejnosměrného proudu je zvýšení úrovně napětí vážným problémem, ale u střídavého proudu je toho velmi snadné dosáhnout. Transformátory jsou elektrické stroje, které převádějí elektrickou energii z nízkého napětí na vysokonapěťový výkon. Čím delší je elektrické vedení, tím vyšší je napětí na jeho vodičích. Kromě toho bezpočet továren a podniků používá elektromotory. Stejnosměrné motory ve srovnání se střídavými motory určitě ztrácejí: jejich účinnost je nižší, mají více třecích částí a jejich konstrukce je složitější. Proto je většina elektromotorů na světě střídavé motory.

Nyní, když známe odpověď na otázku, proč AC vyhrál, můžeme se na energetický systém podívat z větší perspektivy. Elektřinu vyrábějí různé elektrárny v různých částech světa. Zjednodušeně řečeno, dráty vedou od elektrických generátorů ve stanicích do transformovny (TS), která zvyšuje napětí na 35, 110, 330 nebo 750 kV. Dráty na podpěrách odtud sahají ke spotřebitelům – do měst a továren, kde se napětí na snižovacích trafostanicích opět sníží na úroveň požadovanou spotřebitelem. Jedná se o napětí 0.4, 1, 10 kV. Bod, ve kterém jsou připojena dvě nebo více elektrických vedení, se nazývá elektrická rozvodna. Tímto způsobem jsou různé elektrárny jedné země propojeny do jednoho energetického systému a energetické systémy různých zemí jsou spojeny do jednotné energetické soustavy.

Transformátor v rozvodně

Přenos energie na velké vzdálenosti je vždy otázkou kompromisu. Co je výhodnější: postavit novou elektrárnu nebo položit elektrické vedení ze stávajících stanic na velkou vzdálenost? Například celková délka elektrického vedení v Bělorusku na začátku roku 2019 byla téměř 280 000 km. Kde a jak postavit vedení pro přenos energie? Při instalaci podpěr hraje obrovskou roli terén a povaha půdy, stejně jako přítomnost sídel, silnic a stromů.

Napětí sítě závisí na spotřebě energie. Výběr vodičů, izolátorů a podpěr závisí na výkonu, napětí a kupodivu na počasí. Při výstavbě energeticky náročných podniků je nutné se rozhodnout: být napájen ze stávající rozvodny nebo instalovat transformovnu v dílně? Obecně se při výstavbě zařízení rozhoduje o otázce kategorie napájení, to znamená, zda je nutné položit záložní linky, a pokud ano, kolik? Samostatnou a komplexní otázkou je stabilita elektrizační soustavy, tedy její funkční schopnost při ztrátě energie z elektráren nebo elektrického vedení v důsledku plánovaných oprav nebo havárie.

V současné době je přijímáno mnoho rozhodnutí o modernizaci energetických systémů, například konvenční dráty jsou nahrazovány hliníkovými dráty s kompozitním kabelem namísto ocelových. Tím se snižuje průhyb vodičů, zvyšuje se bezpečná oblast kolem elektrického vedení a jejich spolehlivost. Obecně platí, že lidstvo dosud nevyvinulo revoluční nové způsoby výroby a přenosu elektřiny.

Možná můžeme říci, že v moderním světě je elektrická energie na třetím místě po vzduchu a vodě. Byly instalovány miliony kilometrů drátů a kabelů, obrovské generátory (až 16 metrů v průměru) jsou pevně připevněny k zemskému povrchu, to vysvětluje nucenou pomalost a strategický význam vysokonapěťové elektrické energie.

Pro údržbu a testování elektrických vedení a elektrických sítí jsou k dispozici laboratoře pro elektrofyzikální měření. Mezi ně patří například společnost TMRsila-M, která má dlouholeté zkušenosti v energetice a je tvořena zkušenými specialisty.

Přenos elektrické energie na dálku se dnes provádí vždy při zvýšeném napětí, které se měří v desítkách a stovkách kilovoltů. Po celém světě vyrábějí elektrárny různých typů gigawatty elektřiny. Tato elektřina je distribuována po městech a vesnicích pomocí drátů, které můžeme vidět například podél dálnic a železnic, kde jsou vždy připevněny k vysokým sloupům s dlouhými izolátory. Proč se ale přenos vždy provádí při vysokém napětí? Promluvíme si o tom později.

Představte si, že k napájení výkonného kilowattového reflektoru potřebujete přenést alespoň 1000 wattů elektrické energie po drátech na vzdálenost 10 kilometrů ve formě střídavého proudu s minimálními ztrátami. co budeš dělat? Je zřejmé, že napětí bude nutné tak či onak převést, snížit nebo zvýšit pomocí transformátoru.

Řekněme, že zdroj (malý benzinový generátor) vyrábí napětí 220 voltů a vy máte k dispozici dvoužilový měděný kabel o průřezu každého jádra 35 mm10. Na 10 kilometrů dá takový kabel aktivní odpor asi XNUMX Ohmů.

Zátěž 1 kW má odpor asi 50 ohmů. A co když je přenášené napětí ponecháno na 220 voltech? To znamená, že šestina napětí dopadne (spadne) na přenosový drát, který bude pod napětím asi 36 voltů. A tak se cestou ztratilo asi 130 W – vysílací dráty se prostě zahřály. A na reflektoru se nedostaneme 220 voltů, ale 183 voltů. Účinnost přenosu se ukázala být 87%, a to je také zanedbávání indukční reaktance vysílacích vodičů.

Faktem je, že aktivní ztráty v přenosových vodičích jsou vždy přímo úměrné druhé mocnině proudu (viz Ohmův zákon). Pokud je tedy přenos stejného výkonu prováděn při vyšším napětí, pak úbytek napětí na vodičích nebude tak destruktivním faktorem.

Předpokládejme nyní jinou situaci. Máme stejný benzínový generátor produkující 220 voltů, stejných 10 kilometrů drátu s aktivním odporem 10 ohmů a stejný 1 kW reflektor, ale ke všemu jsou ještě dva kilowattové transformátory, první posiluje 220-22000 10 voltů, umístěných v blízkosti generátoru a připojených k němu nízkonapěťovým vinutím a vysokonapěťovým vinutím – připojeným k vysílací dráty. A druhý transformátor, ve vzdálenosti 22000 kilometrů, je snižovací transformátor 220 XNUMX-XNUMX voltů, k nízkonapěťovému vinutí je připojen reflektor a vysokonapěťové vinutí přijímá energii z vysílacích vodičů.

Takže při zátěži 1000 wattů při napětí 22000 voltů bude proud ve vysílacím drátu (zde se můžete obejít bez zohlednění reaktivní složky) pouze 45 mA, což znamená, že již neklesne 36 voltů (jak to bylo bez transformátorů) ale jen 0,45 voltu! Ztráty již nebudou 130 W, ale pouze 20 mW. Účinnost takového přenosu při zvýšeném napětí bude 99,99 %. To je důvod, proč je přenos při vyšším napětí efektivnější.

V našem příkladu je situace uvažována zhruba a použití drahých transformátorů pro tak jednoduchý domácí účel by samozřejmě bylo nepraktické řešení. Ale v měřítku zemí a dokonce regionů, když mluvíme o vzdálenostech stovek kilometrů a obrovských přenášených výkonech, náklady na elektřinu, která by mohla být ztracena, jsou tisíckrát vyšší než jakékoli náklady na transformátory. Proto se při přenosu elektřiny na dálku vždy používá zvýšené napětí, měřené ve stovkách kilovoltů, aby se snížily ztráty výkonu při přenosu.

Neustálý růst spotřeby elektřiny, koncentrace výrobních kapacit v elektrárnách, zmenšování ploch bez zástavby, zpřísňování požadavků na ochranu životního prostředí, inflace a rostoucí ceny pozemků, stejně jako řada dalších faktorů, silně diktují nárůst v kapacitě vedení pro přenos energie.

Zde jsou diskutovány návrhy různých elektrických vedení: Konstrukce různých elektrických vedení různých napětí

Integrace energetických systémů, zvýšení kapacity elektráren a systémů obecně jsou doprovázeny nárůstem vzdáleností a toků energie přenášených po elektrickém vedení. Bez výkonného vysokonapěťového vedení není možné dodávat energii z moderních velkých elektráren.

Jednotný energetický systém umožňuje přesun záložního výkonu do oblastí, kde je to potřeba z důvodu opravných prací nebo havarijních stavů, bude možné převést přebytečný výkon ze západu na východ nebo naopak z důvodu posunu zóny včas.

Díky dálkovým přenosům ultravysokého napětí (500 – 750 kV) bylo možné stavět supervýkonné vodní elektrárny a plně využívat jejich energii. To je páteř moderního výkonného jednotného energetického systému.

Například kapitálové investice do přenosu 1 kW výkonu na danou vzdálenost při napětí 500 kV jsou 3,5krát nižší než při napětí 220 kV a o 30 – 40 % nižší než při 330 – 400 kV.

Náklady na přenos 1 kWh energie při napětí 500 kV jsou poloviční než při napětí 220 kV a o 33 – 40 % nižší než při napětí 330 nebo 400 kV.

Technické možnosti napětí 500 kV (přirozený výkon, přenosová vzdálenost) jsou 2 – 2,5krát vyšší než možnosti napětí 330 kV a 1,5krát vyšší než u 400 kV.

Vedení 220 kV může přenášet výkon 200 – 250 MW na vzdálenost až 200 – 250 km, vedení 330 kV – výkon 400 – 500 MW na vzdálenost až 500 km, vedení 400 kV – výkon 600 – 700 MW na vzdálenost až 900 km.

Napětí 500 kV zajišťuje přenos výkonu 750 – 1 000 MW po jednom okruhu na vzdálenost až 1 000 – 1 200 km.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře