Передача электроэнергии: от электростанций к потребителям — эффективные системы доставки

Передача электроэнергии

Передача электроэнергии — процесс транспортировки электроэнергии, произведенной на электростанциях, в больших объемах на большие расстояния для конечного использования потребителями. Электроэнергия передается от генерирующих станций к конечному потребителю по линиям электропередачи (ЛЭП). При соединении ЛЭП друг с другом образуются сети передачи.

Сеть передачи и потери

Сеть передачи вместе с электростанциями и подстанциями образует «сеть передачи» или просто «сеть» (grid). Типичная сеть на рис. 1. На национальном уровне объединенные сети называются «Национальная сеть». Энергия обычно передается в сети трехфазным переменным током (AC). Из-за больших объемов мощностей и свойств электричества дальние передачи осуществляются на высоком напряжении (33 кВ и выше). Электроэнергию возят к подстанции рядом с центром потребления (населенный пункт или промышленный комплекс). На подстанции высокое напряжение преобразуют в низкое для потребления, затем низковольтными линиями распределяют к конечным пользователям.

Рис. 1 Типичная сеть передачи

Эффективность передачи и потери

Передача на высоком напряжении уменьшает долю энергии, теряемой на сопротивлении, зависящую от проводников, тока и длины линии. Для заданной мощности более высокое напряжение снижает ток, а значит — резистивные потери в проводнике. Эффективность повышается повышением напряжения повышающим трансформатором: ток в проводниках уменьшается при почти сохранении переданной мощности. Меньший ток снижает потери в проводнике, а по закону Ома потери пропорциональны квадрату тока — уменьшение тока в 2 раза дает 4-кратное снижение потерь. Меньший ток → меньшие I²R потери, меньшее сечение кабеля → меньше капитальных затрат, улучшение напряжения → качество энергии. По этим трем причинам энергию передают преимущественно на высоком напряжении.

Для эффективной транспортировки на большие расстояния нужны высокие напряжения: 33, 66, 110, 132, 220, 400 кВ и выше. Напряжение генератора электростанции обычно 11–25 кВ. Выработанная энергия сначала идет от генератора к трансформатору на станции. Трансформатор повышает напряжение до напряжения сети. Генератор синхронизируют с сетью и передают энергию к потребителю. На конце линии подключают подстанцию. Трансформаторы подстанции понижают напряжение. От подстанции низковольтная энергия распределяется потребителям через линии распределения.

Основные компоненты сети передачи

Подстанция

Подстанции преобразуют напряжение с высокого на низкое, или наоборот, или выполняют другие важные функции. Различаются по размеру и конфигурации. Между станцией и потребителем энергия может проходить через несколько подстанций разного уровня напряжения.

Трансмиссионная подстанция соединяет две или более линии передачи. Простейший случай — все линии одного напряжения. Тогда подстанция содержит высоковольтные коммутаторы для соединения/разъединения линий при авариях или обслуживании. Обычно имеют трансформаторы для преобразования между двумя уровнями напряжения передачи, регулирование напряжения, устройства коррекции косинуса φ (конденсаторы, реакторы, статические VAR-компенсаторы), фазово-сдвигающие трансформаторы для управления потоком между соседними системами.

Подстанции от простых до сложных. Малая «коммутационная подстанция» — шина + выключатели. Крупные — на нескольких гектарах, множественные уровни напряжения, много выключателей, обширная защита и управление (трансформаторы тока/напряжения, реле, SCADA). Современные подстанции по международным стандартам (IEC 61850).

Подстанции занимают несколько гектаров, очищены от растительности, засыпаны щебнем. Обычно огорожены, доступ по постоянной дороге. Включают разнообразные конструкции, проводники, ограждения, освещение — промышленный вид.

Опоры линий передачи (Transmission towers)

Самый заметный компонент системы передачи. Используются в ВЛ высокого напряжения AC и DC. Опора — высокая стальная конструкция. Функция — держать высоковольтные проводники (силы) разделенными от окружения и друг от друга. Существует множество форм, размеров, дизайнов — обычно открытая решетка или монопилон, но в целом очень высокие (15–55 м), консоли до 30 м ширины. Кроме стали — бетон, дерево.

Четыре основные категории опор: подвесные, анкерные, угловые (напряжения), перепозиционные. Некоторые объединяют функции.

Опоры должны нести три (или кратные три) проводника. Обычно стальные решетки/фермы. Изоляторы — стеклянные/фарфоровые диски в цепочках или длинные стержни, длина зависит от напряжения линии и условий среды.

Обычно 1–2 заземлительных провода («защитные») наверху для перехвата молний и безопасного отвода в землю. Опоры для высокого и сверхвысокого напряжения обычно рассчитаны на две и более цепи.

Линии передачи (Transmission lines)

Электроэнергия передается на высоком напряжении (110 кВ и выше) для снижения потерь на больших расстояниях. Обычно — воздушные ЛЭП. Подземная передача — значительно выше стоимость и операционные ограничения, но применяется в городах или чувствительных зонах.

ЛЭП обычно используют трехфазный переменный ток высокого напряжения. Технология постоянного тока высокого напряжения (HVDC) — для большей эффективности на очень больших расстояниях (типично сотни км). HVDC-связи также стабилизируют большие сети от проблем управления: внезапные нагрузки или аварии в одной части могут вызывать проблемы синхронизации и каскадные сбои.

Обычно несколько проводников на опоре на электрическую цепь. Проводники — скрученные металлические провода. Воздушные проводники высокого напряжения не изолированы. Материал — алюминиевый провод со стальным сердцевиной (ACSR) — высокоемкий, высокопрочный литый проводник. Внешние пряди — твердый алюминиевый провод из не менее 99,5 % чистого электролитического алюминия EC-грейда, медь ≤ 0,04 %. Высокочистый алюминиевый сплав — отличная проводимость, низкий вес и стоимость. Центральные пряди — сталь для прочности, чтобы выдержать вес без растяжения алюминия из-за егоduktilности. Дает высокую прочность на разрыв. Раньше использовали медь, но алюминий легче, дает незначительно меньшую проводимость и гораздо дешевле.

Полоса отвода (Rights of way) и доступные дороги

Полоса отвода (ROW) для коридора передачи включает землю под линией и сооружениями, нужную для обслуживания, предотвращения пожаров и аварий. Обеспечивает запас безопасности между высоковольтными линиями и окружающими сооружениями/растительностью. Может потребоваться вырубка растительности для безопасности/доступа. ROW обычно состоит из местной растительности или растений с благоприятными паттернами роста (медленный рост, низкая высота). В некоторых случаях дороги доступа составляют часть ROW, обеспечивая удобный доступ для ремонтных/инспекционных машин. Ширина ROW зависит от напряжения линии. Дороги до опор для строительства и обслуживания обязательны, могут быть асфальтированными или гравийными.