Proč je výhodné přenášet energii na velké vzdálenosti při vysokém napětí?

Výkon je součinem napětí a proudu. To znamená, že stejný výkon může být přenášen vysokým proudem a nízkým napětím nebo naopak. Pro snížení ztrát při průchodu proudu (ztráty vlivem ohřevu vodičů) je nutné snížit odpor vodičů. Toho lze dosáhnout zvětšením jejich průřezové plochy. Tím se zvýší tok proudu a tím se zvýší přenášený výkon.
Napětí můžete zvýšit tím, že izolace bude spolehlivější. V tomto případě není nutné zvětšovat průřez vodičů, protože aktuální hodnota zůstává stejná.
Došli jsme k závěru, že je výhodnější posílit izolaci vodičů a zvýšit napětí, než zvýšit tloušťku vodičů a zvýšit proud.

Hlavním úkolem je přenášet výkon na dálku. U elektřiny je výkon součinem proudu a napětí. Zahřívání vodičů a nadměrná ztráta výkonu při přenosu přímo závisí pouze na velikosti protékajícího proudu. Proto se při přenosu energie elektřinou snaží snížit proud, snížit ztráty, ale zvýšit napětí, aby celkově získali co největší výkon.

Faktem je, že při velkém proudu je úbytek napětí větší.
Výkon je součin proudu a napětí.
Pro přenos stejného výkonu je třeba zvýšit napětí nebo proud.
Pokud zvýšíte proud, úbytek napětí v koncovém bodě bude tím větší, čím větší bude proud.

Vezměme si například 220voltovou síť. .
odpor drátu 0,1 ohm
proud 10 Ampér
zjistěte napětí, které bude vynaloženo na vodiče (pokles napětí)
Proud vynásobíme odporem: 10*0,1=1 Volt, tzn.
přijde ke spotřebiteli
220-1= 219 voltů
Nyní si představme, že proud není 10, ale 1000 ampérů
1000*0,1=100 voltů
to znamená, že přijde
220-100= 120 voltů
zachytit rozdíl?
Pokud byl na začátku řetězce výkon 220*1000=220000 Wattů,
pak to bude na konci 120*1000=120000 Watt
tedy téměř 2x méně
Ale pokud zvýšíte napětí a necháte proud stejný, nedochází prakticky k žádným ztrátám, protože proud je v celém obvodu stejný a neklesá jako napětí

To je ekonomická záležitost. Podívejme se na příklad přenosu energie S=11mVA na určitou vzdálenost, řekněme 10 km. Volíme hodnotu síťového napětí 10 kV nebo 110 kV. Průřez vodičů elektrického vedení se volí na základě proudu.
V případě 10 kV I = 11000000/10000 = 1100A tento proud odpovídá hliníkovému drátu o průřezu 600 mm. sq
V případě 110 kV I = 11000000/110000 = 100A tento proud odpovídá hliníkovému drátu o průřezu 16 mm. sq
Nyní se sami zamyslete, co je levnější, elektrické vedení uvedené délky a průřez vodiče pro každou fázi 600 mm. sq nebo s průřezem 16 mm. sq a jaké napětí je v této situaci vhodnější.

Přenos elektrické energie na dálku se dnes provádí vždy při zvýšeném napětí, které se měří v desítkách a stovkách kilovoltů. Po celém světě vyrábějí elektrárny různých typů gigawatty elektřiny. Tato elektřina je distribuována po městech a vesnicích pomocí drátů, které můžeme vidět například podél dálnic a železnic, kde jsou vždy připevněny k vysokým sloupům s dlouhými izolátory. Proč se ale přenos vždy provádí při vysokém napětí? Promluvíme si o tom později.

Představte si, že k napájení výkonného kilowattového reflektoru potřebujete přenést alespoň 1000 wattů elektrické energie po drátech na vzdálenost 10 kilometrů ve formě střídavého proudu s minimálními ztrátami. co budeš dělat? Je zřejmé, že napětí bude nutné tak či onak převést, snížit nebo zvýšit pomocí transformátoru.

Řekněme, že zdroj (malý benzinový generátor) vyrábí napětí 220 voltů a vy máte k dispozici dvoužilový měděný kabel o průřezu každého jádra 35 mm10. Na 10 kilometrů dá takový kabel aktivní odpor asi XNUMX Ohmů.

Zátěž 1 kW má odpor asi 50 ohmů. A co když je přenášené napětí ponecháno na 220 voltech? To znamená, že šestina napětí dopadne (spadne) na přenosový drát, který bude pod napětím asi 36 voltů. A tak se cestou ztratilo asi 130 W – vysílací dráty se prostě zahřály. A na reflektoru se nedostaneme 220 voltů, ale 183 voltů. Účinnost přenosu se ukázala být 87%, a to je také zanedbávání indukční reaktance vysílacích vodičů.

Faktem je, že aktivní ztráty v přenosových vodičích jsou vždy přímo úměrné druhé mocnině proudu (viz Ohmův zákon). Pokud je tedy přenos stejného výkonu prováděn při vyšším napětí, pak úbytek napětí na vodičích nebude tak destruktivním faktorem.

Předpokládejme nyní jinou situaci. Máme stejný benzínový generátor produkující 220 voltů, stejných 10 kilometrů drátu s aktivním odporem 10 ohmů a stejný 1 kW reflektor, ale ke všemu jsou ještě dva kilowattové transformátory, první posiluje 220-22000 10 voltů, umístěných v blízkosti generátoru a připojených k němu nízkonapěťovým vinutím a vysokonapěťovým vinutím – připojeným k vysílací dráty. A druhý transformátor, ve vzdálenosti 22000 kilometrů, je snižovací transformátor 220 XNUMX-XNUMX voltů, k nízkonapěťovému vinutí je připojen reflektor a vysokonapěťové vinutí přijímá energii z vysílacích vodičů.

Takže při zátěži 1000 wattů při napětí 22000 voltů bude proud ve vysílacím drátu (zde se můžete obejít bez zohlednění reaktivní složky) pouze 45 mA, což znamená, že již neklesne 36 voltů (jak to bylo bez transformátorů) ale jen 0,45 voltu! Ztráty již nebudou 130 W, ale pouze 20 mW. Účinnost takového přenosu při zvýšeném napětí bude 99,99 %. To je důvod, proč je přenos při vyšším napětí efektivnější.

V našem příkladu je situace uvažována zhruba a použití drahých transformátorů pro tak jednoduchý domácí účel by samozřejmě bylo nepraktické řešení. Ale v měřítku zemí a dokonce regionů, když mluvíme o vzdálenostech stovek kilometrů a obrovských přenášených výkonech, náklady na elektřinu, která by mohla být ztracena, jsou tisíckrát vyšší než jakékoli náklady na transformátory. Proto se při přenosu elektřiny na dálku vždy používá zvýšené napětí, měřené ve stovkách kilovoltů, aby se snížily ztráty výkonu při přenosu.

Neustálý růst spotřeby elektřiny, koncentrace výrobních kapacit v elektrárnách, zmenšování ploch bez zástavby, zpřísňování požadavků na ochranu životního prostředí, inflace a rostoucí ceny pozemků, stejně jako řada dalších faktorů, silně diktují nárůst v kapacitě vedení pro přenos energie.

Zde jsou diskutovány návrhy různých elektrických vedení: Konstrukce různých elektrických vedení různých napětí

Integrace energetických systémů, zvýšení kapacity elektráren a systémů obecně jsou doprovázeny nárůstem vzdáleností a toků energie přenášených po elektrickém vedení. Bez výkonného vysokonapěťového vedení není možné dodávat energii z moderních velkých elektráren.

Jednotný energetický systém umožňuje přesun záložního výkonu do oblastí, kde je to potřeba z důvodu opravných prací nebo havarijních stavů, bude možné převést přebytečný výkon ze západu na východ nebo naopak z důvodu posunu zóny včas.

Díky dálkovým přenosům bylo možné postavit supervýkonné elektrárny a plně využít jejich energii.

Investice do přenosu 1 kW výkonu na danou vzdálenost při napětí 500 kV je 3,5krát nižší než při napětí 220 kV a o 30 – 40 % nižší než při 330 – 400 kV.

Náklady na přenos 1 kWh energie při napětí 500 kV jsou poloviční než při napětí 220 kV a o 33 – 40 % nižší než při napětí 330 nebo 400 kV. Technické možnosti napětí 500 kV (přirozený výkon, přenosová vzdálenost) jsou 2 – 2,5krát vyšší než možnosti napětí 330 kV a 1,5krát vyšší než u 400 kV.

Vedení 220 kV může přenášet výkon 200 – 250 MW na vzdálenost až 200 – 250 km, vedení 330 kV – výkon 400 – 500 MW na vzdálenost až 500 km, vedení 400 kV – výkon 600 – 700 MW na vzdálenost až 900 km. Napětí 500 kV zajišťuje přenos výkonu 750 – 1 000 MW po jednom okruhu na vzdálenost až 1 000 – 1 200 km.

Elektrická energie je cenným energetickým zdrojem, který určuje její využití při přeměnách na jiné druhy energie a také o jejím přenosu spotřebitelům na jakoukoli vzdálenost.

Jak víte, elektřina se vyrábí v elektrárnách a přenáší se ke spotřebitelům na velké vzdálenosti pomocí elektrických přenosových vedení (PTL). Ale při přenosu elektrické energie přes dráty se část energie spotřebuje na ohřev drátů elektrického vedení.

Teplo (Q) generované proudem ve vodiči je určeno vzorcem Joule-Lenzova zákona: Q = I 2 Rt.

Je zřejmé, že pro snížení ztráty tepelné energie v drátech musíte buď snížit proud, nebo snížit odpor.

Pro snížení odporu vedení použijte vodiče vyrobené z materiálu s nízkým odporem (obvykle měď nebo hliník) a zvětšete jejich průřez. Tato cesta je však neúčinná – dráty musí mít nízkou hmotnost. Rozpory v požadavcích na nízkou hmotnost a nízký měrný odpor s velkým průřezem nebyly vyřešeny. Proto se používají vysokonapěťová přenosová vedení.

Pro snížení proudu při zachování výkonu ((P = IU)) se zvyšuje napětí, tj. proud se transformuje.

Elektrické spotřebiče v domácnostech jsou navrženy pro napětí odlišné od napětí přenášeného elektrickým vedením. Proto existují rozvodny, kde je napětí sníženo na hodnotu spotřebitele ((220) V).

Celý život moderního člověka je úzce spjat s elektřinou. Napájí vše: od nabíječek telefonů po ventilátory. Elektřina proto musí být snadno dostupná v každém koutě planety.

Vysoké napětí jako způsob snížení ztrát

Realita je taková, že přenos elektřiny na velké vzdálenosti je nevyhnutelně doprovázen ztrátami. Významná část elektřiny, která prochází z generátoru v elektrárně do výstupu domácího spotřebitele, se mění v teplo a je vynaložena na ohřev atmosféry. To však nesnižuje náklady na výrobu elektřiny, takže tyto necílové náklady musí stále platit koncový uživatel.

Následující metody vám umožňují snížit zbytečné ztráty, respektive výdaje:

1. použití vysokoteplotních supravodičů;
2. zvětšení průřezu kabelů a vodičů elektrického vedení;
3. zvýšení napětí v přenosových vedeních.

První metoda je budoucnost. Dnes je to však technicky neproveditelné. Od druhého se upustilo v prvních letech rozvoje elektroenergetiky, protože to není ekonomicky proveditelné kvůli dodatečným nákladům na zesílení vodičů. Jako nejúspěšnější metoda se ukázalo použití vysokého napětí, takže se ve světě používá už asi sto let.

Klasifikace elektrických vedení

Existuje mnoho typů elektrických vedení. Každý typ je přizpůsoben jeho specifickým potřebám a úkolům. V souladu s tím PUE reguluje následující klasifikaci nadzemních elektrických vedení.

Podle napěťové třídy elektrických vedení existují:

• nízké napětí, do 1 kV;
• vysoké napětí, nad 1 kV.

• Mezisystémové vedení s napětím od 500 kV a vyšším;
• Hlavní vedení, 220-500 kV;
• Rozvod, 110-220 kV;
• vedení 35 kV pro napájení zemědělských spotřebitelů;
• Elektrické vedení 1-20 kV používané v rámci jedné obydlené oblasti.

Druh elektrického proudu v elektrických vedeních se dělí na:

• variabilní (téměř všechny řádky);
• stejnosměrný proud (zřídka se vyskytuje, především železniční kontaktní síť 3,3 kV).

Způsoby přenosu elektřiny

Nejběžnější dva způsoby přenosu elektřiny jsou pomocí nadzemního a kabelového vedení. Liší se od sebe dosahem a prostředím, ve kterém se vodič nachází.

Nadzemní vedení jsou zjednodušeně řečeno měděné nebo hliníkové vodiče zavěšené přes izolátory na kovových nebo železobetonových podpěrách. Touto metodou je možné přenášet elektřinu na velké vzdálenosti a mezi různými zeměmi.

Kabelové vedení – pokládka drátů pod zem. Jednotlivé vodiče s proudem jsou umístěny zpravidla v pryžové nebo PVC izolaci. Pokud je napětí vysoké, pak je zde i pancíř z kovové pásky. Slouží také jako štít proti rušení. Nachází se především v rámci města nebo podniku.

Další informace. Pomocí kabelových vedení je možné přepravovat elektřinu po dně nádrží a dokonce i moří. To umožňuje dodávat elektřinu na ostrovy. Použití elektrického vedení takové možnosti neznamená.

Schéma přenosu energie z elektrárny ke spotřebiteli

Hlavní elektrárna (1) vyrábí napětí asi 10-12 kV. Poté je transformátorem (2) zvýšen na vyšší úroveň: 35, 110, 220, 400, 500 nebo 1150 kV. Poté se prostřednictvím kabelu nebo nadzemního vedení (3) energie přenáší na vzdálenosti od jednotek až po tisíce kilometrů a dosáhne snižovací rozvodny. Je na něm instalován i transformátor (4), který převádí stovky kilovoltů zpět na 10-12 tisíc voltů. Následuje další stupeň snížení na 380/220 V (5). Toto napětí je konečné a je distribuováno ke spotřebitelům (6), tzn. obytné budovy, nemocnice atd.

Trafostanice

Transformátorové rozvodny se používají k převodu napětí z jedné hodnoty na druhou. Jedná se o oplocený objekt, který má na svém území transformátor. Uvnitř je primární a sekundární vinutí (cívky). Jejich elektromagnetická interakce umožňuje přeměnu energie s vysokou účinností. Nadzemní vedení nebo kabely vstupují do rozvodny s jedním napětím a vystupují s jiným, obvykle nižším.

Jsou zde také umístěny všechny druhy elektrických řídicích a měřicích systémů a rozvaděčů (RU). Je určena pro komunikaci s ostatními objekty elektrizační soustavy a je nedílnou součástí trafostanice. Rozváděč umožňuje odpojit jednotlivé spotřebiče na nízkonapěťové straně, aniž by byly odpojeny všechny ostatní.

Kapacita elektrického vedení

Napětí na konci vedení je nevyhnutelně nižší než na začátku. Napětí se ztrácí odporem drátů elektrického vedení. Právě tento rozdíl napětí je promarněn k ohřevu vesmíru.

Tento problém znemožňuje vytvořit elektrické vedení nekonečné délky a přenášet po něm neomezený výkon. Proto byl zaveden koncept kapacity přenosového vedení. Tato charakteristika závisí především na délce vedení, kovu, ze kterého jsou jeho dráty vyrobeny, a jejich průřezu. Ztráty v mědi jsou méně patrné než v hliníku. Čím silnější jsou dráty, tím vyšší je kapacita vedení.

Ztráty elektřiny

Příčiny ztrát při přenosu elektrické energie na dálku spočívají ve struktuře látky. Elektrický proud je řízený pohyb volných nosičů náboje podél vodiče. V případě elektrického vedení a kabelů hrají jejich roli elektrony. Tyto částice, procházející průřezem drátu, se nevyhnutelně srážejí s okolními atomy mědi nebo hliníku a předávají jim část své kinetické energie. Díky tomuto dopadu se kovové mikročástice stávají mobilnějšími, což lidské smysly vnímají jako zvýšení teploty.

Množství tepla Q uvolněného ve vodiči za čas t a marně ztraceného se vypočítá podle Joule-Lenzova zákona. Je úměrná druhé mocnině proudu I tekoucího drátem a jeho odporu R:

Další informace. V transformátoru jsou také ztráty elektřiny. Mezi největší z nich patří energetické náklady na vytváření vířivých proudů v jádře a ohřev vinutí.

Přenos elektřiny na velké vzdálenosti

Pokud se přenos elektrické energie provádí na vzdálenost stovek kilometrů, používá se venkovní vedení. Jejich výstavba je výrazně levnější ve srovnání s kabely uloženými pod zemí. Elektrické vedení je schopné propojit sousední země do společné sítě. Navíc se snáze obsluhují, protože dráty jsou pod širým nebem. Tento faktor zjednodušuje kontrolu technického stavu linky a umožňuje předem předvídat její poruchy.

Stejnosměrný proud jako alternativa

Většina elektrických vedení používaných v dnešním světě běží na střídavý proud. Existují však výjimky. V některých případech je použití stejnosměrného proudu účinnější:

• není potřeba synchronizovat generátory pracující v různých energetických systémech;
• ztráty způsobené kapacitním a indukčním odporem kabelu jsou sníženy na nulu;
• náklady na linku se snižují, protože k přenosu stejnosměrného proudu stačí pouze 2 vodiče;
• možnost použití vedení střídavého proudu na již vybudovaném vedení, tzn. není třeba stavět nové dálnice;
• snížení elektromagnetického záření vznikajícího při změně směru proudu.

Další informace. Většina domácích elektrických spotřebičů může pracovat se stejnosměrným proudem. Patří mezi ně žárovky, internetové routery, vrtačky, topidla a mnoho dalšího. Střídavý proud je nezbytný pouze pro určité typy motorů, které jsou v každodenním životě extrémně vzácné.

Schopnost přenášet elektrický proud na obrovské vzdálenosti sloužila jako rozhodující faktor pro rozvoj celého lidstva. Průmysl však nestojí na místě, takže vědci nyní pracují na tom, aby přeprava energie byla ještě efektivnější a levnější.

Video

• Jak stručně říci, že jsem pokrytec
• Předpisy o pedagogické třídě v moskevské škole
• Jak se krátce liší přírodní podmínky od přírodních zdrojů?
• Analýza perspektiv alternativního rozvoje a rizik školy
• Charakteristika Kanady podle plánu zeměpis 11. třídy stručně