Получение и передача электроэнергии: Передача электрической энергии на расстояние — урок. Физика, 8 класс.

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.

 

источники генерации энергии, передача ее на большие расстояния

Как и любой вид энергии, электрическая является силой, которая сообщается разными предметами друг другу. Получение и передача электроэнергии стала основным движущим фактором развития производства. Особенно актуально такое перемещение на большие расстояния. Разрабатывается возможность переброски энергетического потока без проводов, что создает большие перспективы в будущем.

• Источники получения энергии
• Движение электричества
• Передача на большие расстояния
  • Линии постоянного тока
  • Поставка переменного тока

Источники получения энергии

Прежде чем начать процесс передачи электроэнергии потребителю, необходимо ее получить. Этим вопросом занимаются электростанции, которых существует несколько видов:

1. Тепловые. На первом этапе ведется сжигание органического топлива. Это может быть уголь, мазут или торф. Возникающая тепловая энергия преобразуется в механическую и только потом в электрическую. В некоторых случаях выработанное тепло сразу поступает в теплоцентрали и подается на производство.
2. Гидроэлектростанции. Такие комплексы устанавливаются в местах протекания больших рек. Построенная плотина поднимает с одной стороны уровень воды, образуя водопад. Станция представляет собой сложную техническую конструкцию. Движущийся поток вращает турбины, которые превращают его силу в электрическую составляющую.
3. Атомные станции. Здесь основным оборудованием является реактор. В нем происходит цепная реакция распада ядер тяжелых элементов. В качестве топлива используется плутоний или уран. Получаемое ядерное тепло затем преобразуется в электрическую энергию. Это наиболее перспективное направление развития, поскольку мировые ядерные запасы значительно превышают органические залежи топлива.

Также присутствует возможность выработки электричества при помощи солнечных лучей или силы ветра. В этих местах начинается генерация энергии, которая затем продолжает свое движение к потребителю. Территория любой станции является закрытой для посторонних. По ней не разрешается ходить без пропуска.

Движение электричества

Дальнейшая передача электрической энергии ведется по сетям. Они представляют собой комплекс оборудования, которое отвечает за распределение и поставку электричества потребителю. Их существует несколько разновидностей:

1. Общие сети. Они обслуживают сельское хозяйство и производство.
2. Контактные. Это выделенная группа, которая обеспечивает поставку электроэнергии движущемуся транспорту. Сюда входят поезда и трамваи.
3. Для обслуживания удаленных объектов и инженерных коммуникаций.
4. Автономные сети. Они обеспечивают электроэнергией крупные мобильные единицы. Это самолеты, морские суда и космические аппараты.

Передача на большие расстояния

Актуальность передачи электроэнергии на расстояние обуславливается тем, что электростанции снабжены мощным оборудованием, дающим на выходе большие показатели. Потребители же ее маломощные и разбросаны на большой территории. Строительство крупнейшего терминала обходится дорого, поэтому наблюдается тенденция к концентрации мощностей. Это существенно снижает затраты. Кроме того, значение имеет место размещения. Включается ряд факторов: близость к ресурсам, стоимость транспортировки и возможность работы в единой энергетической системе.

Чтобы понять, как осуществляется передача электроэнергии на большие расстояния, следует знать, что линии электропередач бывают постоянного и переменного тока. Главная характеристика — это их пропускная способность. Потери наблюдаются в процессе нагрева проводов или дальности расстояния.

Передача осуществляется по следующей схеме:

1. Электростанция. Она является источником образования электроэнергии.
2. Повышающий трансформатор, который обеспечивает увеличение показателей до необходимых величин.
3. Понижающий трансформатор. Он устанавливается на распределительных станциях и понижает параметры для подачи в частный сектор.
4. Подача энергии в жилые дома.

Линии постоянного тока

В настоящее время больше отдается предпочтение передаче электроэнергии постоянным током. Это связано с тем, что все происходящие внутри процессы не носят волновой характер. Это значительно облегчает транспортировку энергии.

К преимуществам передачи постоянного тока относится:

• небольшая себестоимость;
• малая величина потерь;

Среди недостатков — невозможность установки ответвлений от основной ЛЭП. Связано это с тем, что в этих местах требуется монтаж преобразователей, которые обходятся очень дорого. Кроме того, создание выключателей высокого напряжения. Технически, это вызывает большие трудности.

Поставка переменного тока

К преимуществам транспортировки переменного тока относится легкость его трансформации. Осуществляется это при помощи приборов — трансформаторов, которые не отличаются сложностью в изготовлении. Конструкция электродвигателей такого тока значительно проще. Технология позволяет формировать линии в единую энергосистему. Этому способствует возможность создания выключателей в месте строительства ответвлений.

Передача энергии на большое расстояние имеет первостепенное значение для всех структур. Не всегда энергетические комплексы находятся близко, а в электричестве нуждаются везде. Без него не обойдется ни промышленность, ни общественные заведения, ни частный сектор.

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 системой 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 понижается на приемной станции до 33 кВ или 66 кВ. Вторичные линии передачи выходят из этой приемной станции для подключения 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 .

Фидеры представляют собой воздушные линии или подземные кабели, которые передают энергию близко к точкам нагрузки (конечным потребителям) 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 0003 состоит из фидеров, распределителей и обслуживающей сети.

Различные типы систем передачи

1. Однофазная система переменного тока
   • Однофазная, двухпроводная
   • одна фаза, два провода с заземлением посередине
   • одна фаза, три провода
2. Двухфазная система переменного тока
   • Двухфазная, трехпроводная
   • двухфазный, четырехжильный
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
   • Три провода постоянного тока

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. Проводники должны быть соответствующего размера (т.е. площади поперечного сечения). Это зависит от его текущей мощности. Обычно используются жилы ACSR (алюминиевый сердечник, армированный сталью).
• Трансформаторы: Повышающие трансформаторы используются для повышения уровня напряжения, а понижающие трансформаторы используются для его понижения. Трансформаторы позволяют передавать мощность с большей эффективностью.
• Линейные изоляторы: для механической поддержки линейных проводников при их электрической изоляции от опорных стоек.
• Опорные опоры: для поддержки линейных проводов, подвешенных в воздухе над головой.
• Защитные устройства: для защиты системы передачи и обеспечения надежной работы. К ним относятся провода заземления, грозозащитные разрядники, автоматические выключатели, реле и т. д.
• Регуляторы напряжения: для поддержания напряжения в допустимых пределах на принимающей стороне.

В чем разница между передачей и распределением электроэнергии?

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

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

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

Мы по-прежнему 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, крупнейшим из которых является наш бизнес по распределению электроэнергии (бывший Western Power Distribution), подключают сеть передачи к месту использования электроэнергии, «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 подобна автомагистралям, по которым транспортные средства (электричество) перевозятся с высокой скоростью (высоким напряжением) через 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.

Наш бизнес по передаче электроэнергии обеспечивает передачу высоковольтной электроэнергии по «автострадам» сети, а наши операции по распределению используют «местные дороги» для доставки электроэнергии туда, где она необходима, в Мидлендсе, Юго-Западе или Южном Уэльсе.