Передача электроэнергии на расстояние

Необходимость сооружения ЛЭП объясняется выработкой элект­роэнергии в основном на крупных электростанциях, удаленных от потребителей - относительно мелких приемников, распределенных на обширных территориях.

Электростанции размещаются с учетом совокупного влияния большого числа факторов: наличия энергоресурсов, их видов и запасов; возможности транспортировки; перспектив потребления энергии в том или ином районе и т. п. Передача электрической энергии на расстояние дает ряд преимуществ, позволяя:

- применять отдаленные источники энергии;

- уменьшать суммарную резервную мощность генераторов;

- использовать расхождение времени в разных географических широтах, при котором не совпадают максимумы расположенных в них нагрузок;

- более полно использовать мощности ГЭС;

- увеличивать надежность электроснабжения потребителей и т. д.

ЛЭП, предназначенные для распределения электроэнергии между отдельными потребителями в некотором районе и для свя­зи энергосистем, могут выполняться как на большие, так и на ма­лые расстояния и предназначаться для передачи мощностей раз­личных величин. Для дальних передач большое значение имеет пропускная способность, т. е. та наибольшая мощность, которую можно передавать по ЛЭП с учетом всех ограничивающих факторов.

ЛЭП относятся к категории ответственных сооружений, надеж­ная работа которых обеспечивается применением различных компенсирующих устройств и установок автоматического регулирования и управления.

Для воздушных ЛЭП переменного тока можно приближено считать, что та максимальная мощность, которую они могут пе­редать, примерно пропорциональна квадрату напряжения и обратно пропорциональна длине передачи. Стоимость сооружения также очень грубо можно принять пропорциональной величине напряже­ния. Поэтому в развитии передач электрической энергии на рас­стояние наблюдается тенденция к увеличению напряжения как к главному средству повышения пропускной способности. Со време­ни создания первых ЛЭП напряжение повышалось в 1, 5-2 раза примерно каждые 10-15 лет. Рост напряжения давал возможность увеличивать протяженности ЛЭП и передаваемые мощности. Так, в 20-е годы ХХ века электроэнергия передавалась на мак­симальные расстояния порядка 100 км. К 30-м годам эти рассто­яния увеличились до 400 км, а в 60-е годы длина ЛЭП достигла 1000-1200 км (например, электропередача Волгоград - Москва).

Повышение пропускной способности ЛЭП достигается в основ­ном за счет увеличения напряжения, однако существенное значение имеет также изменение конструкции ЛЭП, введение различных дополнительных компенсирующих устройств, при которых влияние параметров, ограничивающих передаваемую мощность, оказывается уменьшенным. Например, на ЛЭП напряжением 330 кВ и выше расщепляют провода в каждой фазе на несколько электрически связанных между собой проводников, при этом существенна улуч­шаются параметры линий (уменьшается ее реактивное сопротив­ление); применяют так называемую последовательную компенса­цию - включение в линию конденсаторов и т. д.

Возможности дальнейшего повышения предельных мощностей требуют увеличения напряжений и изменения конструкции ЛЭП. Они связаны с общим техническим прогрессом, в частности с ус­пехами в полупроводниковой технике, с созданием совершенных материалов, с разработками новых видов передачи энергии.

При сооружении ЛЭП постоянного тока, имеющих большие пре­дельные мощности, необходимо осуществлять прямое преобразование переменного тока в постоянный в начале линии и обратное преобразование постоянного тока в переменный в конце линии, что вызывает определенные трудности технического и экономическогохарактера.

Существует принципиальная возможность беспроводной ЛЭП с помощью электромагнитных волн или высокочастотных колеба­ний, направляемых по волноводам. Однако практическая реализа­ция этих ЛЭП в промышленности в настоящее время неприемлемо из-за, низкой их эффективности.

Для передачи электрической энергии могут использоваться сверхпроводящие линии, в которых значительно может быть понижено напряжение. Эффект, близкий к сверхпроводимости, достигается глубоким охлаждением проводников. В этом случае ЛЭП называют криогенными. Этот вопрос имеет историю. Еще в 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес установил, что при охлаж­дении ртути до температуры ниже 4 К ее электрическое сопротив­ление исчезает вовсе. Оно скачком возникает вновь при повышении температуры сверх критического значения. Эта явление назвали сверхпроводимостью. Разумеется, что если бы такие материалы получили энергетики, та они заменили бы ими обычные проводники, ЛЭП доставляли бы без потерь энергию в громадных количествах на сверхдальние расстояния. Удалось бы заметно повысить к. п. д. мощных энергоемких устройств (электромагнитов, трансформато­ров, электромашин), избежать многих трудностей, связанных с перегревом, расплавлением, разрушением деталей.

Все это, однако, оставалось не более чем мечтами, хотя в самом явлении сомневаться не приходилось. Сверхпроводников было обнаружено немало. В периодической системе ими оказались 28 элементов. Но, самая высокая критическая температура, принад­лежащая ниобию не превышала 10 К. Возможности сверхпроводи­мости, таким образам, резко ограничивали дороговизна и сложно­сть установок, поддерживающих сверхнизкие температуры. Спла­вы молибдена с технецием продвинули критическую температуру до 14 К. Далее удалась получить соединение ниобия, алюминия и германия с критической температурой 21 К. Для нескольких сотен сверхпроводящих веществ, известных сегодня, это рекордная цифра.

Практические исследования показали, что с ростом критичес­кой температуры число сверхпроводников резка убывает. Некоторые специалисты даже полагали, что вырваться из плена cвepxнизких температур не удастся. Где-то около 25 К лежит наивыс­шая возможная критическая температура.

После экспериментального открытия сверхпроводимости физики-теоретики долго пытались постичь суть непонятного явления. И только спустя полвека, в 1957 г., появилась первая серьезная теория сверхпроводимости. За ней последовали другие. Они несли в себе много необычного. Так, например, согласно созданной теории, электроны сверхпроводника вопреки известному закону Кулона, предписывающему всем одноименно заряженным частицам взаимно отталкиваться, наоборот, притягиваются, объединяются в пары. Было отмечено, что сверхпроводниками могут быть не толь­ко металлы, сплавы, но и... органические вещества. Одним из самых существенных выводов теории был следующий. Металлический водород в силу своих исключительных особенностей - в узлах кристаллической решетки расположены легкие протоны- может обладать сверхпроводимостью при сравнительно высоких, вполне приемлемых для практических целей температурах порядка 220К или -53⁰С. И еще: возможно, что процесс перевода вещества из молекулярной фазы в атомарную необратим. При снятии внешнего давления водород, быть может, еще долгое время не потеряет свой­ств сверхпроводника. /

Теперь стало ясно: чтобы обладать материалом, проявляющим в обычных условиях свойства сверхпроводимости, нужно освоить область давлений порядка не­скольких сотен килопаскаль. Величины эти, по нашим чело­веческим масштабам, гранди­озны. Они сравнимы разве что с давлениями в центре Земли (там около 300 кПа). Перед исследователями открылась дорога, ведущая к цели, хотя даже в лабораторном экспери­менте пока не удалось полу­чать такого рода давлений и, разумеется, твердого водоро­да - сверхпроводника при нор­мальной температуре.

Альтернативой передачи на расстояние электрической энергии переменным и посто­янным токами от ТЭС к потре­бителям служит перевозка топлива. Сравнительный анализ возможных вариантов энергоснабжения потребителей по­казывает, что уголь высокой калорийности (более 4000 ккал/кг) обычно целесообразно перевозить по железной дороге (при усло­вии существования ее). Во многих случаях при использовании на электростанции природного газа и нефти оказывается предпочти­тельней передача их по трубопроводам (рис. 1). При выборе способа передачи энергии на расстояние необходимо учитывать большой комплекс вопросов, таких, как усиление электрической системы при сооружении электропередачи, электроснабжение, по­требителей, расположенных вблизи линий, увеличение загрузки же­лезных дорог и т. д.

Анализируя развитие энергосистем в ряде стран, можно выде­лить две основные тенденции:

1) приближение электрических станций к центрам потребления в тех случаях, когда на территории, охватываемой объединенной энергосистемой, нет дешевых источников энергии или когда источ­ники уже использованы;

2) сооружение электростанций вблизи дешевых источников энергии и передача электроэнергии к центрам ее потребления.

Электропередачи, нефтепроводы и газопроводы образуют Еди­ную систему энергоснабжения страны. Системы электро-, нефте- и газоснабжающие должны конструироваться, сооружаться и эксп­луатироваться в определенной координации между собой, образуя Единую энергетическую систему.

Рисунок 1 - Характеристики различных способов передачи энергии на рас­стояние: З - расчетные затраты, l - расстояние; 1 - двухколейная железная дорога, 2 - газопроводы, 3 - нефтепроводы, 4 - электро­передача от станций, работающих на деше­вом угле