Передача электроэнергии

Передача электроэнергии

Передача электроэнергии — это процесс, при котором электроэнергия, произведенная на электростанциях, транспортируется в больших количествах на большие расстояния для конечного использования потребителями. Электроэнергия передается от генерирующих электростанций к конечному потребителю по линиям электропередач. Линии электропередачи, соединенные друг с другом, становятся сетями передачи.

Эта сеть передачи вместе с электростанциями и подстанциями известна как «сетка передачи» или просто «сеть». Типичная сеть передачи показана на рис. 1. Сети передачи, которые связаны между собой на национальном уровне, известны как «национальная сеть». Энергия обычно передается в сети с трехфазным переменным током (AC). Из-за использования большого количества электроэнергии и из-за свойств электричества передача на большие расстояния обычно происходит при высоком напряжении (33 кВ или выше). Электроэнергия обычно транспортируется на подстанцию ​​рядом с точкой потребления, которая является либо населенным пунктом, либо промышленным комплексом. На подстанции электроэнергия высокого напряжения преобразуется в более низкое напряжение, пригодное для использования потребителями, а затем транспортируется к конечным потребителям по распределительной линии низкого напряжения

Рис. 1. Типичная сетка передачи

Эффективность передачи и потери при передаче

Передача электричества при высоком напряжении снижает долю энергии, теряемой на сопротивление, которая варьируется в зависимости от конкретных проводников, протекающего тока и длины линии передачи. Для заданной мощности более высокое напряжение снижает ток и, следовательно, резистивные потери в проводнике. Эффективность передачи повышается за счет увеличения напряжения передачи с помощью повышающего трансформатора, который уменьшает ток в проводниках, сохраняя при этом передаваемую мощность почти равной входной мощности. Уменьшение тока, протекающего через проводник, уменьшает потери в проводнике, а поскольку, согласно закону Ома, потери пропорциональны квадрату тока, уменьшение тока вдвое приводит к четырехкратному уменьшению потерь при передаче. Уменьшенный ток означает меньший I ² R (квадрат тока I, умноженный на сопротивление проводника R) потери в системе, меньшая площадь поперечного сечения электрического кабеля означает меньшие капиталовложения, а снижение тока приводит к улучшению регулирования напряжения в системе передачи электроэнергии, а улучшенное регулирование напряжения указывает на качество сила. По этим трем причинам электроэнергия в основном передается на высоком уровне напряжения.

Следовательно, для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния необходимы высокие напряжения. Это напряжение может быть 33 кВ, 66 кВ, 110 кВ, 132 кВ, 220 кВ, 400 кВ или даже выше. Напряжение генератора электростанции обычно колеблется от 11 кВ до 25 кВ. Генерируемая электроэнергия сначала транспортируется от генератора к трансформатору на электростанции. Трансформатор повышает напряжение до напряжения сети. Затем генератор синхронизируется с сетью, и выработанная мощность передается потребителю. В конце точки потребления линии электропередачи подключаются к подстанции. Здесь трансформаторы подстанции изменяют напряжение электроэнергии с высокого напряжения на более низкий уровень. От подстанции электрическая мощность более низкого напряжения распределяется потребителям электроэнергии по распределительным линиям.

Основными компонентами сети передачи электроэнергии являются следующие.

Подстанция

Подстанции преобразуют напряжение с высокого на низкое или наоборот или выполняют любую из нескольких других важных функций. Подстанция различается по размеру и конфигурации. Между генерирующей станцией и точкой потребления может проходить электроэнергия через несколько подстанций с разным уровнем напряжения.

Передающая подстанция соединяет две или более линий электропередач. В простейшем случае все линии передачи имеют одинаковое напряжение. В таком случае подстанция содержит высоковольтные выключатели, которые позволяют подключать или отключать линии для устранения неисправностей или обслуживания. Передающая станция обычно имеет трансформаторы для преобразования между двумя напряжениями передачи, устройства управления напряжением, устройства коррекции коэффициента мощности, такие как конденсаторы, реакторы или статические компенсаторы реактивной мощности, и такое оборудование, как фазосдвигающие трансформаторы, для управления потоком мощности между двумя соседними энергосистемами.

Подстанции передачи могут варьироваться от простых до сложных. Небольшая «коммутационная станция» обычно состоит из шины и нескольких автоматических выключателей. Крупные передающие подстанции обычно размещаются на большой территории (несколько гектаров) и имеют несколько уровней напряжения, множество автоматических выключателей и большое количество средств защиты и управления (трансформаторы напряжения и тока, реле, системы SCADA). Современные подстанции устанавливаются в соответствии с международными стандартами, такими как IEC Standard 61850.

Подстанции различаются по размеру и конфигурации, но могут занимать несколько акров; они очищены от растительности и обычно покрыты гравием. Обычно они огорожены, и к ним ведет постоянная подъездная дорога. Как правило, подстанции включают в себя множество конструкций, проводников, ограждений, освещения и других элементов, которые создают «промышленный» вид.

Башни ЛЭП

Опоры ЛЭП  являются наиболее заметным компонентом системы передачи энергии. Они используются в высоковольтных системах переменного и постоянного тока. Передающая опора обычно представляет собой высокую стальную конструкцию. Его функция состоит в том, чтобы держать высоковольтные проводники (линии электропередач) отделенными от их окружения и друг от друга. Существует большое разнообразие форм, размеров и конструкций башен, в которых обычно используется открытая решетчатая конструкция или монополь, но, как правило, они очень высокие, высотой от 15 до 55 м и шириной поперечины до 30 м. Помимо стали могут использоваться и другие материалы, в том числе бетон и дерево.

Существует четыре основных категории опор ЛЭП. Это приостановка, окончание, напряжение и транспозиция. Некоторые опоры ЛЭП сочетают в себе эти основные функции.

Башни должны быть рассчитаны на три (или кратное трем) проводника. Башни обычно изготавливаются из стальных решеток или ферм. Изоляторы представляют собой стеклянные или фарфоровые диски, собранные в цепочки, или длинные стержни, длина которых зависит от сетевого напряжения и условий окружающей среды.

Как правило, один или два заземляющих провода, также называемые «защитными», размещаются сверху, чтобы перехватывать молнию и безвредно отводить ее на землю. Башни высокого и сверхвысокого напряжения обычно рассчитаны на две или более электрических цепей.

Линии передачи

Электроэнергия передается при высоком напряжении (110 кВ или выше), чтобы уменьшить потери энергии при передаче на большие расстояния. Электроэнергия обычно передается по воздушным линиям электропередач. Подземная передача электроэнергии имеет значительно более высокую стоимость и большие эксплуатационные ограничения, но иногда используется в городских районах или в особо важных местах.

Линии электропередачи обычно используют трехфазный переменный ток высокого напряжения. Технология постоянного тока высокого напряжения (HVDC) используется для большей эффективности на очень больших расстояниях (обычно несколько сотен километров). Каналы HVDC также используются для стабилизации от проблем с управлением в крупных распределительных сетях, где внезапные новые нагрузки или отключения электроэнергии в одной части сети в противном случае могут привести к проблемам синхронизации и каскадным сбоям.

Как правило, для каждой электрической цепи на передающей опоре натянуто несколько проводников. Проводники состоят в основном из скрученных металлических проводников. Провода ВЛ высокого напряжения не имеют изоляции. Материал проводника обычно представляет собой алюминиевый проводник, армированный сталью (ACSR), который представляет собой особый тип высокопрочного многожильного проводника большой емкости. Наружные пряди изготавливаются из твердотянутой алюминиевой проволоки, изготовленной из прутков электролитического алюминия чистотой не менее 99,5% марки ЕС с содержанием меди не более 0,04%. Алюминиевый сплав высокой чистоты выбран из-за его превосходной проводимости, малого веса и низкой стоимости. Центральные пряди выполнены из стали для прочности, необходимой для удержания веса без растяжения алюминия из-за его пластичности. Это дает проводнику общую высокую прочность на растяжение. Медь ранее использовалась для воздушной передачи, но алюминий легче, дает лишь незначительное снижение производительности и стоит намного меньше.

Полосы отчуждения и подъездные пути

Полоса отчуждения (ПО) для коридора электропередачи включает землю, отведенную для линии электропередачи и связанных с ней объектов, необходимых для облегчения технического обслуживания и предотвращения риска пожаров и других аварий. Он обеспечивает запас прочности между линиями высокого напряжения и окружающими конструкциями и растительностью. Некоторая расчистка растительности может потребоваться по соображениям безопасности и/или доступа. Полоса отвода обычно состоит из местной растительности или растений, выбранных для благоприятного роста (медленный рост и небольшая высота взрослого человека). Однако в некоторых случаях подъездные дороги составляют часть полосы землеотвода и обеспечивают более удобный доступ для ремонтных и инспекционных транспортных средств. Ширина полосы отвода зависит от номинального напряжения линии передачи. Обычно требуются подъездные пути к конструкциям линий электропередачи как для строительства, так и для обслуживания линий, и они могут быть с твердым покрытием или гравием.