Передача электроэнергии
Переда́ча электроэне́ргии, комплекс устройств и сооружений, предназначенных для передачи электроэнергии высокого напряжения переменным трёхфазным током или постоянным током на определённое расстояние (от нескольких десятков до тысяч км и более). Необходимость передачи электроэнергии обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями, а потребляется сравнительно маломощными приёмниками электроэнергии, распределёнными на значительной территории, часто существенно удалённой от электростанций. От эффективности передачи электроэнергии зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.
В комплекс для передачи переменного тока входят: линия электропередачи (ЛЭП), концевые и промежуточные электрические подстанции с коммутационной аппаратурой, трансформаторы и автотрансформаторы на этих подстанциях, устройства продольной и поперечной компенсации, переключательные пункты (при необходимости), устройства релейной защиты и автоматики, телеметрии, связи. Передачи переменным током могут быть транспортными и межсистемными. Транспортная передача предназначена для передачи электроэнергии от удалённой электрической станции в приёмную систему, межсистемная – для связи отдельных электроэнергетических систем и обмена электроэнергией между ними. По ЛЭП передаются потоки мощности, измеряемые сотнями и тысячами МВт. Одной из основных характеристик электропередачи является её пропускная способность, т. е. та наибольшая мощность, которую можно передать по ЛЭП. Передача электроэнергии связана с заметными потерями, т. к. электрический ток нагревает провода ЛЭП. Мощность , передаваемая по линии трёхфазного тока при симметричной нагрузке фаз,
где и – действующие значения линейной силы тока и линейного напряжения, – угол сдвига фаз между фазным напряжением и силой тока.
Мощность, теряемая в проводах,
или
.
Здесь – нагрузка в электрической цепи, – удельное сопротивление материала проводов, – их длина, – площадь поперечного сечения. Анализируя выражение (3), можно отыскать пути уменьшения теряемой мощности. Передаваемая мощность и дальность передачи энергии определяются условиями электропередачи. Эти величины изменить невозможно. Удельное сопротивление зависит от материала, из которого изготовлены провода. На практике используются преимущественно материалы с наименьшим значением (медь, алюминий). Увеличение площади поперечного сечения проводов малоэффективно, а значительное их утолщение невозможно из-за большой массы и стоимости линии. Поэтому остаются 2 пути уменьшения потерь электрической энергии: увеличение напряжения в ЛЭП и повышение коэффициента мощности. Когда коэффициент мощности мал, часть энергии циркулирует по проводам от генератора к потребителям и обратно, что приводит к значительным потерям на нагревание проводов. Предельная передаваемая мощность достигается, когда . Даже при таком сравнительно высоком коэффициенте мощности, как , потери в ЛЭП примерно в 1,5 раза больше, чем в случае, когда . При современных масштабах передачи энергии повышение значения с 0,8 до 0,9 дало бы огромную экономию мощности, равную мощности нескольких крупных электростанций. Однако главный путь уменьшения потерь мощности в проводах ЛЭП – это повышение напряжения в линии передачи, чем длиннее ЛЭП, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Поэтому при передаче энергии от мощных электростанций электрический ток по шинам поступает на трансформаторные повышающие подстанции. После повышения напряжения на подстанции до 35, 110, 220, 500, 750 кВ энергия направляется в район потребителя на понижающие подстанции, где напряжение понижается до 6–10 кВ. С понижающих подстанций по сети с напряжением 6–10 кВ энергия частично направляется к высоковольтным потребителям, частично на понижающие подстанции, где напряжение понижается обычно до 380 В, далее по низковольтной сети она подводится к потребителям.
Повышение пропускной способности ЛЭП переменного тока возможно и путём усовершенствования конструкции линии, а также посредством включения различных компенсирующих устройств. Устройства продольной компенсации применяются для повышения пропускной способности. Таким устройством служит конденсаторная батарея, включённая в рассечку линии, за счёт чего компенсируется часть индуктивности линии и, как следствие, повышается пропускная способность последней. Устройства поперечной компенсации служат для поглощения избыточной зарядной мощности ЛЭП в режимах малых нагрузок и генерации реактивной мощности в режимах больших нагрузок, стабилизации напряжения в узловых точках передачи. В качестве устройств поперечной компенсации используются управляемые и неуправляемые шунтирующие реакторы, статические тиристорные компенсаторы (устройства, основанные на применении силовой преобразовательной техники). Переключательные пункты представляют собой промежуточную подстанцию без нагрузки, на которой имеются только выключатели высокого напряжения, разъединители и заземлители, предназначенные для отключения отдельных участков каждой из цепей протяжённой линии при повреждениях на данном участке или для проведения на нём ремонтно-профилактических работ.
Наиболее перспективным способом передачи электроэнергии на дальние расстояния является использование постоянного тока. При передаче электроэнергии постоянным током вырабатываемое генераторами электростанции переменное напряжение предварительно повышают с помощью трансформаторов, а затем с помощью выпрямителей преобразуют в постоянное напряжение. В конце ЛЭП постоянное напряжение снова преобразуют в переменное с помощью инверторов, после чего трансформаторы понижают его до нужного значения. В комплекс для передачи постоянного тока входят: ЛЭП постоянного тока, преобразовательные устройства (выпрямитель и инвертор) со своими трансформаторами, фильтрокомпенсирующие устройства переменного тока, линейные реакторы и фильтры постоянного тока, а также системы управления преобразователями, регулирования, защиты, автоматики, связи. В электропередачах постоянного тока отсутствуют многие факторы, свойственные электропередачам переменного тока и ограничивающие их пропускную способность (например, ЛЭП постоянного тока позволяют передавать по тем же проводам бóльшую энергию). Кроме того, при передаче электроэнергии постоянным током исчезают затруднения, связанные с индуктивным сопротивлением и ёмкостью линии. Ограничениями здесь являются лишь максимальный допустимый кпд линии и мощность преобразователей. Отсутствие зарядной мощности линии (ёмкость между линией и землёй) позволяет сооружать кабельные линии длиной 100–200 км и более, что недостижимо для кабельных линий переменного тока из-за перегрева токоведущих жил кабеля зарядной мощностью. Основные области применения электропередач постоянного тока: связь электроэнергетических систем, работающих несинхронно или с различными частотами (объединение крупных удалённых друг от друга энергосистем); пересечение больших водных пространств с помощью кабельных линий и др. Ограниченность применения электропередач постоянного тока связана главным образом с техническими трудностями создания эффективных недорогих устройств для преобразования переменного тока в постоянный (в начале линии) и постоянного тока в переменный (в конце линии).
Качество передачи электроэнергии определяется надёжной и устойчивой работой электропередачи, что обеспечивается, в частности, применением компенсирующих устройств и систем автоматического регулирования и управления.