Аналитический онлайн-журнал

Передача электричества без потерь
, / 3277

Передача электричества без потерь

Многоуровневая система защиты от потерь увеличивает надежность.
SHARE

На самых первых этапах появления электростанций для тех, кто их разрабатывал и строил, все было просто и незатейливо – вот тут строим электростанцию, а вот здесь будет здание, в котором будет гореть свет, работать станки. Один производитель электроэнергии и один потребитель, нужно только решить проблему с разводкой электричества между розетками да выключателями.  Но такой схема оставалась очень недолго, поскольку она «страдала» сразу по двум логическим предпосылкам.

Развитие электротехники позволяло наращивать мощность электростанций – они были способны генерировать электроэнергии куда больше, чем требовалось единственному потребителю. Но и потребителю, который получал электроэнергию только из одного источника, тоже было неуютно, поскольку любая авария на электростанции мгновенно приводила к полному обесточиванию. Поскольку блок «логика» в мозговой аппарат физиков, инженеров, конструкторов встроен намертво, в нашей с вами реальности схема «один источник – один потребитель» исчезла раз и навсегда. Энергосистема даже, скажем, федерального округа нашей страны, гораздо более наворочена, а в масштабах всей России сложность ещё увеличивается. Как известно, с увеличением сложности любой технической системы снижается её отказоустойчивость, однако с энергосистемой не просто не так, а ровно наоборот.

От простого — к сложному, все более надежному

Строить у каждого, даже небольшого, городка свою электростанцию, конечно, прикольно. И раньше, во времена до ГОЭРЛО, всё именно так и было, но уже в то время схема электроснабжения простой не была – у каждой электростанции внутри города потребителей было куда как больше одного, то есть уже тогда энергетики разрабатывали и конструировали те самые подстанции и трансформаторные «будки», о которых мы уже говорили. Но с ростом масштабов потребности в энергии, с ростом промышленности, со строительством новых поселков и городов схема «одна электростанция – один город» работать перестала. Во-первых, несмотря на всю простоту, вариант питания каждого объекта от одной электростанции очень ненадёжен. Случись что непосредственно на электростанции – без электричества останется целый город, поскольку больше взять энергию негде. Снова на полную мощность включился блок «логика» в головах энергетиков-проектировщиков, подсказавший единственно возможное решение: необходимо объединить несколько электростанций, построенных в разных местах, в общую систему, связать их мощными линиями электропередачи и от этой системы питать потребителей. При таком раскладе остановка любой электростанции влечет за собой только снижение наличной мощности системы, но полного отключения не будет. Такой же эффект проявляется и при любой аварии или плановом отключении на линиях электропередачи. Достаточно просто изменить схему подачи напряжения по оставшимся линиям, и потребители ничего не заметят. Если коротко, несмотря на рост сложности системы энергообеспечения, вот парадокс, растёт и надёжность.

В идеале все генерирующие мощности всей страны желательно объединить в единую энергосистему. Это дает колоссальное преимущество, как по резервированию источников энергии, так и по многообразию вариантов подачи энергии потребителям. В России именно так всё и устроено, при этом стоит помнить о том, что устроено рационально, логично – система электроснабжения проектировалась и создавалась во времена плановой экономики, когда энергетики точно знали, где, сколько и каких промышленных потребителей возникнет в ближайшую пятилетку, когда проблемы землеотведения решались в десятки раз быстрее, чем теперь. Еще одно достоинство, которым мы пользуемся со времен планового развития экономики – наличие резервных мощностей на электростанциях, которые создавались не только на случай плановых ремонтов, но и для того, чтобы надежно страховаться от всяческого рода ЧП. Строительством электростанций командовало соответствующее министерство, для специалистов которого вопрос о зарабатывании прибыли за счет продажи электроэнергии волновал крайне незначительно, поскольку прибыль снималась в конце производственных цепочек, энергетики должны были выполнять главные для них задачи – гарантировать энергообеспеченность и ее надежность. Обратная сторона этой «медали» — то, что об энергосбережении в те времена думали на уровне лозунгов,  опыт последних лет показывает, что «агитация рублем» действует куда как более результативно.

Единая Энергосистема РФ имеет и ещё одну интересную особенность, на которую обычно не обращают внимания, но о которой немало лет думали специалисты Энергетического института, который в 1930 году создал и более четверти века возглавлял Глеб Максимилианович Кржижановский, главный инициатор разработки плана ГОЭЛРО.  Наша страна очень велика, она занимает целых 12 часовых поясов, когда на востоке полночь, на западе полдень. Нетрудно понять, что потребление электроэнергии сильно зависит от времени суток: обычно пик потребления и расхода мощности приходится на утро и вечер. Единая Энергосистема позволяет компенсировать пиковые нагрузки: скажем, вечером на Дальнем Востоке перетоком мощности из европейской части страны, и наоборот. В результате все электрохозяйство работает без перегрузок, в штатном режиме, с относительно постоянной производительностью. Особенно важно это для генерирующих мощностей, электроэнергия на которых вырабатывается со стабильным расходом, без бросков в нагрузке. Еще одно следствие того, что ЕЭС СССР разрабатывалась и создавалась именно по такой схеме – то, что в стране не требовалось строить дополнительные генерирующие мощности, предназначенные для того, чтобы успешно проходить часы пиковых нагрузок. Зачем нужна электростанция, которая будет работать только утром и вечером, когда меня надежно страхуют электростанции соседних часовых поясов? Итог одновременного использования достижений энергетики как науки, роста технологий, логики и планового характера развития экономики был парадоксален: самая северная страна мира имела самую дешевую в мире электроэнергию.

Возвращение экономики рыночной, приватизация заводов, фабрик, сельскохозяйственных предприятий, закрытие немалой их части и бессистемное появление новых, состоявшееся в 90-х годах минувшего века, лишило Россию этого конкурентного преимущества. Для ЕЭС, конечно, была важна не форма собственности того или иного предприятия, а его стабильная, предсказуемая работа, которая в то время исчезла полностью. Итог – разбалансировка системы, которую удалось в той или иной мере восстановить только в результате реформы ЕЭС. Эта реформа была не неким «абсолютным злом», а суровой необходимостью. Другой вопрос, что мы имеем в результате, но это уже совсем другая история.

Очевидно, что электростанции выгодно строить в местах, где есть или источник энергии для них (горючее топливо или река) и/или мощный потребитель, например, завод по производству алюминия, «жрущий» электроэнергию для своих технологических процессов в чудовищных объёмах. Кроме того, электростанция по возможности должна как можно более мощной, поскольку вырабатываемая ею электроэнергия в этом случае получается наиболее дешевой. Подавать электричество потребителям потребуется, как мы уже говорили выше, с помощью линий электропередачи, с учетом масштабов России эти линии иногда могут иметь протяженность в сотни и даже тысячи километров. Как же передать энергию на такие расстояния, по возможности максимально надёжно и с минимальными потерями?

Мало произвести – нужно уметь передать

Существует несколько способов передачи электрической энергии на расстояния. Например, бесконтактным способом, с помощью электромагнитной индукции. Носителем энергии в этом случае является электромагнитное поле — электрический ток в катушке источника преобразуется в электромагнитную энергию, которая в катушке приемника преобразуется обратно в электрический ток. Данный способ имеет и преимущества, и недостатки. Основным преимуществом является отсутствие физического носителя для энергии – проводники как таковые отсутствуют. Но такая технология имеет крайне существенный недостаток: низкий КПД, поскольку энергия очень сильно рассеивается по пути от источника к приемнику (убывает пропорционально квадрату расстояния между ними), и, стало быть, эффективна только на очень небольших расстояниях. Примером использования такой технологии может служить беспроводная зарядка для мобильного телефона или индукционная электроплита. В обоих случаях источник и приёмник расположены практически вплотную. Как нетрудно понять, для передачи энергии на большие расстояния такой способ не годится, для этого требуется носитель, по которому пойдет электрический ток.

Линии электропередачи

Носителем может быть проводник, чаще всего металл, у которого должно быть как можно меньшее внутреннее сопротивление электрическому току. Если сопротивление проводника будет сколь-нибудь заметным, то такой проводник будет нагреваться, то есть передаваемая энергия станет тратиться попусту, а это недопустимо. Наименьшим сопротивлением и, соответственно, наибольшей проводимостью из всех известных на данном этапе широко распространенных материалов является медь, кабели и провода из этого красного металла известны всем. Однако использовать медь для протяженных линий электропередачи невыгодно: медь тяжелая и достаточно дорогая. Поэтому самым удобным материалом, идущим на изготовление проводов ЛЭП (линий электропередач), является алюминий. Да, его проводимость хуже, чем у меди, зато алюминий дешевле и гораздо легче. Увы, алюминий мягок и не так прочен, как медь, да к тому же покрыт оксидной плёнкой, которая является пусть очень слабенькой, но электроизоляцией. Но эти недостатки можно компенсировать, не тратя на это значительные средства. Прочность проводов повышают, делая их кручеными из пучка тонких жил и добавляя в середину такого пучка одну или несколько стальных проволок, в местах контактов алюминий густо смазывают чем-нибудь жирным, например, техническим вазелином или консистентной смазкой, прямо под слоем смазки зачищают металлической щёткой и сразу же скрепляют контактное соединение. Оксидная плёнка без доступа воздуха не образуется, и это резко снижает сопротивление в контактах.

Нелишним будет напомнить, что электроэнергию можно передавать как по проводам воздушной линии, так и по кабелю. Под кабелем мы понимаем токонесущие жилы (как правило, алюминиевые), покрытые на всей длине кабеля индивидуальной изоляцией, и сверху укутанные общей оболочкой. Кабель обычно прокладывается в земле или под водой, однако иногда лёгкие кабели небольших сечений могут быть смонтированы и на опорах. Провода воздушных линий изоляцией не покрывают, это просто голый металл. От конструкций опор и друг от друга они отделяются изоляторами — фарфоровыми, стеклянными или полимерными. И воздушные линии (ВЛ), и кабельные (КЛ) имеют как преимущества, так и недостатки. ВЛ очень легко контролировать — все ее части, кроме фундаментов опор, находятся на виду. Как правило, ВЛ в габаритах своих конструкций мало ограничены, поэтому напряжение по ним можно передать любое, в том числе и очень высокое, надо только правильно изоляцию подобрать. Найти место повреждения на ВЛ просто, его видно сразу, ремонтировать провода также легче – достаточно их просто соединить. Да и повредить ВЛ вследствие того, что обычно они хорошо видимы, сложнее. С другой стороны, ВЛ – это достаточно высокие конструкции, а значит, подвержены ударам молний, поэтому на них в обязательном порядке должна иметься грозозащита. На мощных высоковольтных ВЛ даже специальный провод в верхних точках опор по всей длине трассы бывает натянут — именно для защиты от молний.  Кроме того, на ВЛ действует ветровая нагрузка, зимой еще и снеговая, обязательно учитывают то и другое, как и то, что вдоль каждой ЛЭП, идущей по лесу, необходимо устраивать просеки – для предупреждения риска падения деревьев на ЛЭП и для того, чтобы не возникали проблемы в случае лесных пожаров. Потребитель пошел избалованный, ему свет и ток в розетке нужен и в снег, и в дождь, и в бурю с ураганом. Что характерно – пока все в порядке, про электриков вспоминают, как говорится, раз в сто лет, а когда вспоминают по причине отсутствия электричества, то вспоминают словами такими красочными, что их и печатать-то нельзя, и только постоянные читатели Аналитического онлайн-журнала Геоэнергетика.ru каждое утро начинают со слов «Слава и почет энергетикам!».

Прокладка кабельных линий под землёй

КЛ обычно проложены в земле, потому ударам молний с ураганными ветрами не подвержены вообще. Однако напряжение в КЛ, как правило, ограничено. Достаточно распространены маслонаполненные кабели на 220 кВ, кабели на более высокое напряжение существуют, но они очень и очень дороги и используются в редчайших случаях, когда другие вариантов электроснабжения не существует. Один пример возникновения такой ситуации хорошо известен – после того, как Украина устроила «электрическую блокаду Крыма», наш полуостров был обеспечен материковой электроэнергией именно при помощи кабелей. Кроме того, трасса КЛ не видна, и, если нет ее точной привязки и соответствующей разметки, то КЛ легко повредить при проведении земляных работ. Такие проблемы, надо отметить, случаются сплошь и рядом, когда раскапывают какой-нибудь водопровод, и рвут ковшом экскаватора случайно оказавшийся в раскопе никому не известный кабель. Кабели, особенно высоковольтные, весьма сложны в ремонте, требуют применения специфических материалов и грамотных специалистов.

В общем, способов, как именно передать электроэнергию, существует несколько, и какой из них предпочесть, решают те, кто занимается проектированием линий. Решают, разумеется, исходя из местных условий. Например, если на пути линии есть река, то нужно решить, как будет её переходить трасса ЛЭП. Возможно, хватит длины воздушного перехода, провода не будут сильно провисать , схлестываться ветром,  не порвутся от собственного веса, выдержат снеговые нагрузки.  Но, если река широкая, а передаваемый объем электроэнергии не слишком велик, то иногда вполне целесообразно использовать подводный кабель.

Киловольты видны невооруженным глазом

Мы определились, при помощи чего можно передать электроэнергию. А вот как это сделать, чтобы передать необходимое количество киловаттов, то есть мощности? Напоминаем формулу электрической мощности:

Q = I x U

То есть мощность прямо пропорциональна произведению напряжения на силу тока. И мы также выяснили, что при необходимости передать большую мощность, нужно повышать напряжение, а не силу тока – это экономически более выгодно, большие значения силы тока становятся причиной контрпродуктивного нагрева материала ЛЭП, а вот большие значения напряжения ничего подобного не вызывают. А если надо передать очень большую мощность? Скажем, суммарную энергию нескольких больших электростанций перекачать с востока на запад страны? Вариант имеется только один — надо повысить напряжение в линии до очень больших значений. ЛЭП – это не компактный электрогенератор, она мало ограничена габаритами, поэтому можно не очень-то беспокоиться о том, что изоляция получится весьма громоздкой.

Где удобнее всего повышать напряжение? Всё верно, прямо на электростанции. Поэтому генераторы выдают свою мощность на специальные устройства – повышающие трансформаторы. Трансформатор, если кто забыл, это электромагнитный преобразователь, нужный для изменения величины напряжения и силы тока в ту или иную сторону. Трансформатор способен как повысить напряжение и/или силу тока, так и понизить, мощность передается через него практически без изменений, КПД трансформатора очень высок — доходит до 98%. Мощность в трансформаторе не изменяется, следовательно, исходя из упомянутой выше формулы, при повышении напряжения пропорционально уменьшается сила тока, и наоборот. Преобразование (трансформирование – отсюда и название этого устройства) энергии происходит в электромагнитной системе трансформатора. Это две катушки (обмотки), смонтированные на общем стальном сердечнике. Обмотки связаны друг с другом только с помощью электромагнитного поля, протекающего через сердечник, прямого электрического контакта не имеют, эффект повышения или понижения напряжения и силы тока получается за счёт разного количество витков в обмотках. Например, в обмотке, подключенной к генератору электростанции (она называется первичной обмоткой), 100 витков, а в обмотке (вторичной), подключенной к ошиновке, к линиям потребителей, 1100 витков. 1100/100 = 11 – это коэффициент трансформации данного устройства. И если генератор выдает на трансформатор 10 кВ, то на вторичной обмотке вот такого трансформатора мы получим 10 кВ х 11 = 110 кВ.

Трансформатор

С силой тока всё то же самое, но с точностью до наоборот: если генератор электростанции выдает на первичную обмотку трансформатора ток силой 1000 А, то на вторичной обмотке мы получим 1000 А : 11 = 91 А (примерно). Вот и вся арифметика. Ток, полученный на выходе из трансформатора вот с такими характеристиками, несмотря на огромное напряжение, легко коммутировать, то есть выключать и включать. Если увеличить число витков вторичной обмотки трансформатора до 5000, то коэффициент трансформации будет равен уже 50. В таком случае напряжение на вторичной обмотке трансформатора будет 10 кВ х 50 = 500 кВ, а сила тока уменьшится 1000 А : 50 = 20 А. Это совсем крошечная нагрузка, иногда и в наших квартирах больше бывает. Но не забываем, что напряжение-то у нас не 220 В, а 500 кВ, и, стало быть, при токе в 20 А в линии будет передаваться мощность 500 кВ х 20 А = 10 000 кВт! Неплохо, правда?

Сделаем промежуточный вывод: электроэнергию на большие расстояния выгоднее передавать под очень высоким напряжением, какой тип линии использовать – КЛ или ВЛ – зависит от конкретных обстоятельств, но, как правило, высоковольтные линии строятся исключительно в виде ВЛ. В настоящее время типовое значение напряжения для магистральных линий электропередач составляет 500 кВ. Существуют магистральные ЛЭП с напряжением и в 750 кВ, и даже больше, но это большая редкость, ВЛ-500 экономически более целесообразны, сооружение их дешевле, чем ВЛ-750, и эксплуатация проще. Электроснабжение городов, не относящихся к числу наших мегаполисов, впрочем, таких высоких напряжений не требует, поскольку нагрузка города в 100-200 тысяч жителей не так велика, для них вполне хватает ЛЭП 110 или 220 кВ. Если коротко, то уровень напряжения ЛЭП выбирают из чисто экономических соображений: рассчитывается необходимая потребителям суммарная мощность, которую нужно подвести к данному городу, добавляется запас мощности на перспективу роста, после чего и определяется, на каком напряжении выгоднее всего построить ВЛ.

ЛЭП в городе

Высоковольтные линии электропередач между городами давно стали для нас привычной частью пейзажа, мы не часто пристально к ним присматриваемся. Однако есть минимальный набор знаний, который позволяет определить основную характеристику ВЛ – напряжение – невооруженным глазом. Как правило, ВЛ-110 и 220 кВ монтируются на бетонных одностоечных опорах. Напряжение в линии можно определить по количеству изоляторов в гирляндах, на которых подвешены провода. У ВЛ-110 каждый провод висит на гирлянде, состоящей из шести изоляторов, у ВЛ-220 провода подвешены на десяти изоляторах. Как правило, изоляторы используются стеклянные, и это далеко не случайность. Во время эксплуатации ВЛ может случиться пробой одного или двух изоляторов в гирлянде – от молнии или по грязи на поверхности. Остальные изоляторы могут быть исправными, и изоляция в целом не нарушена, поскольку класс изоляции выбирается с большим запасом. Стеклянные изоляторы удобны тем, что в случае пробоя их «шапки» разлетаются вдребезги, что позволяет легко с земли  это увидеть и оперативно принять меры. Фарфоровые и полимерные изоляторы даже после пробоя остаются целыми несмотря на то, что свою функцию уже не выполняют, и поэтому обнаружить пробой можно только непосредственно, вблизи. Электрики – они тоже люди, им хочется свою работу выполнять не только качественно, но и побыстрее, чтобы нервный потребитель поминал его тихим добрым словом не так долго и не так громко, знаете ли.

Коронный разряд – это красиво

Линии 330 кВ и выше отличить ещё проще. ВЛ-330 имеет два раздельных провода в каждой фазе, ВЛ-500 – три, это так называемые «расщепленные» провода. Сделано это для того, что на таких уровнях напряжения могут появиться вдоль проводов нежелательные эффекты в виде коронного разряда – электрики предпочитают знакомиться и наблюдать это замечательное, эффектно выглядящее явление в лабораторных условиях, а не на ЛЭП. Дело не в отсутствии любопытства или чувства прекрасного, а в странном, аномальном поведении руководителей, начальников электрокомпаний – коронный разряд на ВЛ мгновенно уничтожает их воспитанность, интеллигентность и чувство такта. Начальник обыкновенный в случае появления коронного разряда начинает выкрикивать бессвязные слова, размахивать руками, у них поднимается давление, они становятся опасны для себя и окружающих. Электрики с такой странной реакцией хорошо знакомы и предпочитают покинуть помещение подстанции и стремительно мчаться в направлении силовых выключателей, чтобы немедленно лишить питания ЛЭП, возомнившую о себе черт-те что и нацепившую на себя «корону». Как показывает практика, спустя короткое время после исчезновения «короны» к начальникам возвращается человеческий облик – с лиц сходит ярко-красный цвет, перестает покрываться испариной лысина, прекращают подергиваться конечности, и только тремор пальцев какое-то время напоминает о пережитом волнении.

Коронный разряд на ЛЭП

Коронный разряд – самостоятельный разряд в газе, может образоваться при наличии резко неоднородных электромагнитных полей на электродах с высокой кривизной поверхности. Линии электропередач – это гарантированно неоднородные электромагнитные поля, провод – та самая поверхность с высокой кривизной. Главное условие для начала разряда — вблизи острого края электрода должна присутствовать сравнительно более высокая напряженность электрического поля, чем на остальном пути между электродами, создающими разность потенциалов. Для воздуха в нормальных условиях (при атмосферном давлении), предельное значение электрической напряженности составляет 30 кВ/см, при такой напряженности на острие электрода уже появляется слабое свечение, напоминающее по форме корону. Вот почему такой газовый разряд называют коронным. Физики любопытны как дети и точно так же, по детски бесхитростны и наивны: видят корону при разряде, и бесхитростно нарекают разряд «коронным». Даже представлять не хочется, на что мог бы оказаться горазд физик, воспитанный фармокологами…

С физической точки зрения ничего загадочного в коронном разряде нет. К примеру, в предгрозовую пору воздух ионизируется без участия человека, сам по себе. Ион, напомним – это атом, «потерявший» свой или «укравший» чужой электрон и это, конечно, форменное безобразие. В нормальном, порядочном атоме, числе электронов строго равно числу протонов в его ядре, что и обеспечивает окружающим нас многочисленным химическим веществам электрическую нейтральность. А перед грозой в атмосферном воздухе носятся потерявшие свой атом свободные электроны в поисках хоть какого-нибудь прибежища. А тут рядом – провод с электротоком, и электрон с приличным ускорением несется к нему, сломя голову. Встретится ему на пути нейтральный атом – этот «спортсмен» ионизирует и его, увлекая в свое движение дополнительные электроны, в результате возле острия – провода – образуется целая лавина заряженных частиц. Существовать коронный разряд после своего образования может достаточно долго, и все то время, которое он длится, ВЛ будет терять огромное количество переносимой ею электроэнергии.

Способы борьбы с коронным разрядом известны, их условно можно разделить на «активные» и «пассивные», в первом случае требуется непосредственное участие человека, во втором этого не требуется – это защита, профилактика, действующая всегда, причем сама по себе.  Толстый проводник расщепляют на два-три идущих параллельно тонких, чтобы уменьшить локальные напряжения и не дать «короне» образоваться в принципе. Толщина таких расщепленных проводов всегда подобрана с особой тщательностью: сечение проводов ВЛ-110 равно минимум 95 квадратным мм, для ВЛ-220 – 240 квадратных миллиметров. Если, несмотря на эти предосторожности, «корона» все же умудрилась образоваться, в дело вступает «предохранитель №2» — анти-коронные кольца, металлические тороиды. Его задача – аккуратно распределить градиент электрического поля, чтобы его максимальные значения были ниже порога «короны». Если «корона» обойдет и эту защиту, то ее разрушительный эффект придется именно на это кольцо, а не приведет к тому, что из строя начнет выходить дорогостоящее оборудование на подстанциях. Сгорит кольцо – да и ладно, электрики новое повесят.

Анти-коронные кольца

Из прочих подробностей — номинальные (то есть максимально допустимые) значения напряжения в высоковольтных ВЛ, «бегущих» по России, имеют фиксированный ряд: 6, 10, 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ. Данное требование определяется соответствующим ГОСТом для унификации оборудования и упрощения проектных решений, разброд и шатания недопустимы. Такие номиналы напряжения в линиях используются на данный момент в России повсеместно. Ещё одна важная деталь: имеется в виду переменный трехфазный ток.

При всем богатстве выбора фаз у электротока всегда три

Надеемся, что об отличии переменного и постоянного тока рассказывать нет необходимости, это не только изложено в школьном курсе физики, но и неоднократно повторено на страницах нашего журнала. Почему же используется именно переменный ток? Дело в том, что его очень легко изменять – увеличивать или уменьшать напряжение, сохраняя при этом заданную величину мощности. И устройства, обеспечивающее возможность таких изменений – трансформаторы – для подобных изменений крайне просты. Для изменения параметров постоянного тока требуются особые ухищрения, а любое особое ухищрение стоит особых денег, которых, как известно нет, но нам и без них велено держаться. Стало быть, всё решает та самая пресловутая экономика.

С трехфазным током немного сложнее. Для передачи однофазного тока требуется как минимум два провода – «фаза» и «нуль». Трехфазный ток передается по трём проводам, все они являются фазными. То есть в схеме появляется ещё один, «лишний» провод, и нулевой провод отсутствует вообще. Напряжение передается по всем трём проводам со стандартной для России частотой 50 Гц, только его колебания сдвинуты в каждой фазе относительно соседних на 120 градусов. Саркастическая фраза «сдвиг по фазе» растёт именно отсюда, а без юмора, зато с чувством, толком и расстановкой об этом уже подробно рассказывал на страницах Геоэнергетики Дмитрий Таланов.

Что даёт такая схема? Во-первых, более полно используется материал проводов: нагрузка передаётся по всем трём проводникам одновременно, а не по одному, как в однофазных системах. Во-вторых, тот самый сдвиг по фазе позволяет получить так называемое вращающееся магнитное поле, что очень упрощает конструкцию и генераторов, и электродвигателей. Например, типовой асинхронный двигатель на трёхфазный переменный ток не имеет никаких дополнительных устройств (коллектора и щёток) для передачи напряжения на вращающийся ротор, которые изнашиваются. А ещё у асинхронного мотора очень просто изменить направление вращения ротора, просто поменяв порядок подключения фаз в его обмотках, для любого электропривода это крайне важное свойство. Учение Михаила Осиповича Доливо-Добровольского всесильно, потому что оно верно: везде и повсюду в мире используется система передачи электроэнергии в виде трёхфазного переменного тока, меняются только номиналы напряжения и основные частоты. Например, в США у конечных потребителей (в квартирах и домах) используется напряжение 110 В частотой 60 Гц, в России – 220 В и 50 Гц, но в целом такие детали на общую картину влияют мало.

Поскольку в генерации и передачи энергии используется переменный ток фиксированной частоты, то в энергосистеме остро проявляется одна интересная проблема: все генерирующие мощности должны работать синфазно, то есть выдавать напряжение в ЛЭП строго в одной фазе, синхронно, не раньше и не позже. Другими словами, синусоида напряжения на электростанции Дальнего Востока должна полностью совпадать с синусоидой напряжения, выдаваемого электростанцией Подмосковья. Если появится даже малейший рассинхрон, в энергосистеме возникнут серьезные проблемы, вплоть до коротких замыканий. Пытливый читатель на этом месте уже может вспомнить, сколько в России электрогенераторов на электростанциях, и какого масштаба задача должна решаться. И она успешно решается — с помощью самых разнообразных технических и организационных ухищрений. Например, генераторы электростанций должны включаться в нагрузку строго на определенной частоте вращения роторов и строго в определенный момент. Самое занимательное – эта проблема решалась в годы создания ЕЭС СССР, когда в обиходе слова «компьютер» и в помине не было, да и до появления аббревиатуры «ЭВМ» оставался десяток-другой лет. Попытайтесь совместить в голове сразу два этих факта: масштабы России, сложность ее энергосистемы и логарифмическая линейка с механическим арифмометром в качестве самых продвинутых вычислительных устройств. Попробовали? Тогда мы еще раз   напоминаем – эта задача была решена Энергетическим институтом под руководством Глеба Кржижановского, чье имя ЭНИН носит в наше время.

Итак, подытожим сказанное. Сгенерированный на электростанции переменный трёхфазный ток повышается трансформаторами и выдаётся в объединенную энергосистему. С помощью высоковольтных линий ток подводится к потребителям, где понижается опять же трансформаторами до нужного значения и подается непосредственно на нагрузку – для освещения квартир или для выплавки стали. Наличие единой системы даёт массу преимуществ: это огромный централизованно управляемый организм, снабжающий страну энергией, притом достаточно отказоустойчивый, имеющий достаточное количество резервных мощностей на случай ЧП любых масштабов.

Перспективы постоянного тока

А теперь, «на закуску», немного интересных подробностей. Как это ни странно, постоянный ток также имеет перспективы в смысле передачи энергии на большие расстояния. Данный род тока обладает в несколько раз большей плотностью энергии в единице сечения проводника. Другими словами, по проводнику фиксированного сечения, скажем, 240 квадратных мм, постоянным током можно передать раза примерно в четыре большую мощность, чем переменным, без нагрева проводника. Связано это с так называемым поверхностным эффектом: если переменный ток электромагнитными силами вытесняется к поверхности проводника, а внутри провода напряжение может отсутствовать вообще, то постоянный ток занимает всю площадь сечения проводника. Поэтому такой ток вполне может применяться в энергосистеме.

Тут, правда, есть проблема: постоянный ток нужно передавать с высоким напряжением, точно так же, как это делается в случае тока переменного, поскольку формула мощности действует и в этом случае. Разумеется, способы преобразования переменного тока в постоянный (выпрямления) и наоборот (инвертирования) существуют, но в нашем случае придётся выпрямлять, а потом инвертировать переменный ток очень высокого напряжения. Соответственно, имеет место чисто технологическая трудность: придётся создавать выпрямитель или инвертор прямо-таки циклопических размеров. Тем не менее, работы в этом направлении велись и ведутся, в последнее время особенно активно в Европе.

О том, как это связано со все более настойчивыми попытками развивать ВИЭ-сектор электрогенерации, мы еще обязательно расскажем. Кроме этого, нового направления, постоянный ток очень широко используется на транспорте. Именно постоянным током «питаются» трамваи, троллейбусы и метро, а также достаточно большие участки железных дорог РФ. Но и об этом – не в этот раз.

 

Подготовлено в соавторстве с Борисом Марцинкевичем

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

comments powered by HyperComments

Спасибо!

Теперь редакторы в курсе.