Передача энергии на большие расстояния

Содержание

 

• Введение 
• Передача электроэнергии
• Опыты передачи энергии
• Развитие техники передачи электроэнергии на большие расстояния
• Передача энергии постоянным током
• Передача энергии переменным током
• Развитие кабельных и воздушных линий
• Энергосберегающая и ресурсосберегающая технология передачи электрической энергии на большие расстояния
• Современные способы передачи электроэнергии на расстояние и проблемы этого способа
• Заключение
• Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

 

Потребители электроэнергии есть повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливо и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче  электроэнергии на большие расстояния. Передача энергии связана с заметными потерями. Дело в том, что при передаче электроэнергии по проводам часть электрической энергии теряется, расходуется на нагревание проводников. Потери можно несколько уменьшить, увеличивая сечения проводов, сокращая тем самым  их сопротивление. Кроме тепловых потерь, в линии возможны потери вследствие излучения радиоволн проводами длинной линии. Эти потери проявляют тем сильней, чем больше отношение расстояния между проводами к длине волны. Для уменьшения потерь на излучение применяют металлические трубы, называемые волноводами.

 

 

Однако, идя  таким путем, нельзя разрешить  проблему экономичности передач  большой мощности.  Это сильно тормозило и продолжает тормозить  развитие промышленности, транспорта, поскольку  потребность в электроэнергии  постоянно увеличивается. Удовлетворить эту потребность можно с помощью строительства новых мощных электростанций. Однако  строительство новой электростанции требует несколько лет и больших затрат. При этом тепловые электростанции потребляют невозобновляемые природные ресурсы: уголь, нефть и газ. Одновременно они наносят ущерб экологическому равновесию на нашей планете.

 

Я хочу рассмотреть возникновение  и развитие, а так же проблемы передачи энергии на большие расстояния. 

 

 

 

 

Передача электроэнергии

 

Передача  электроэнергии от электростанции к  потребителям — одна из важнейших  задач энергетики. Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока.

 

Необходимость передачи энергии на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории. Тенденция к концентрации мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии. Размещение мощных электростанций производится с учётом целого ряда факторов, таких, например, как наличие энергоресурсов, их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия, возможность работы в составе единой энергосистемы и т.п. Часто такие электростанции оказываются существенно удалёнными от основных центров потребления электроэнергии.

 

От эффективности передачи энергии на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.

Качество электроэнергии определяется надёжной и устойчивой работой электропередачи, что обеспечивается, в частности, применением компенсирующих устройств  и систем автоматического регулирования  и управления

 

В последней трети XIX века во многих крупных промышленных центрах Европы и Америки стала очень остро ощущаться энергетическая проблема. Жилые дома, транспорт, фабрики и мастерские требовали все больше топлива, подвозить которое приходилось издалека, вследствие чего цена на него постоянно росла. В этой связи то здесь, то там стали обращаться к гидроэнергии рек, гораздо более дешевой и доступной. Вместе с тем повсеместно возрастал интерес к электрической энергии. Уже давно было отмечено, что этот вид энергии чрезвычайно удобен: электричество легко генерируется и так же легко преобразуется в другие виды энергии, без труда передается на расстояние, подводится и дробится.

 

Первые электрические станции  обычно представляли собой электрогенератор, присоединенный к паровой машине или турбине, и предназначались для снабжения электроэнергией отдельных объектов (например, цеха или дома, в крайнем случае. квартала). С середины 80-х годов стали строиться центральные городские электростанции, дававшие ток прежде всего для освещения. (Первая такая электростанция была построена в 1882 году в Нью-Йорке под руководством Эдисона.) Ток на них вырабатывался мощными паровыми машинами. Но уже к началу 90-х годов стало ясно, что таким образом энергетическую проблему не разрешить, поскольку мощность центральных станций, расположенных в центральной части города, не могла быть очень большой. Использовали они те же уголь и нефть, то есть не снимали проблемы доставки топлива.

 

Дешевле и практичнее было возводить  электростанции в местах с дешевыми топливными и гидроресурсами. Но, как правило, местности, где можно было в большом количестве получать дешевую электроэнергию, были удалены от промышленных центров и больших городов на десятки и сотни километров. Таким образом, возникла другая проблема — передачи электроэнергии на большие расстояния.

 

 

Опыты передачи энергии 

 

Первые опыты в этой области  относятся к самому началу 70-х  годов XIX века, когда пользовались в  основном постоянным током. Они показали, что как только длина соединительного  провода между генератором тока и потреблявшим этот ток двигателем превышала несколько сотен метров, ощущалось значительное снижение мощности в двигателе из-за больших потерь энергии в кабеле. Это явление легко объяснить, если вспомнить о тепловом действии тока. Проходя по кабелю, ток нагревает его. Эти потери тем больше, чем больше сопротивление провода и сила проходящего по нему тока. Имелось только два пути для снижения потерь в линии электропередачи: либо увеличить сечение передающего провода, либо повысить напряжение тока. Однако увеличение сечения провода сильно удорожало его, ведь в качестве проводника тогда использовалась достаточно дорогая медь. Гораздо более выигрыша сулил второй путь.

Создание экономичных машин  постоянного тока и начальные шаги в развитии электрического освещения и электрического привода не могли бы внести кардинальных изменений в производственную практику, если бы не была решена другая краеугольная задача электроэнергетики — передача электрической энергии на расстояние.

 

В 70—80-х годах XIX в. эта проблема стала актуальной в связи с возникновением крупных промышленных предприятий. Сама по себе потребность в способах передачи энергии к потребителям, удаленным от источников механической энергии, существовала и так или иначе разрешалась задолго до появления первых электростанций. Так, посредством проволочных канатов удавалось достигнуть дальности передачи до 120 м, а при устройстве промежуточных, блоков — до 5 км. Неоднократно предпринимались попытки использовать для передачи энергии сжатый воздух и гидравлическое давление, но ни тот ни другой принцип не мог лечь в основу обеспечения механической: энергией фабрично-заводского производства в широком масштабе.

 

Надежды изобретателей обратились к новому виду энергии — к электричеству. Первые опыты передачи электрической энергии на расстояние относятся к началу 70-х годов. В 1873 г. французский физик И. Фонтен демонстрировал на Венской международной выставке свойство обратимости электрических машин: приводил в действие двигатель (машину Грамма) от генератора (такой же машины Грамма). Двигатель и генератор соединялись между собой кабелем длиной в 1 км. Таким образом была доказана принципиальная возможность передачи механической энергии на относительно большое расстояние путем двойного преобразования энергии: механической в электрическую на генераторном конце и электрической в механическую — у потребителя. Экономическая целесообразность такого принципа еще не была тогда доказана.

 

Начиная с 1874 г. в течение нескольких лет русский военный инженер  Ф. А. Пироцкий, стремясь доказать экономичность «электрической передачи силы», провел серию опытов, используя проводники большого сечения — заброшенную ветку Сестрорецкой железной дороги.

 

Прогрессивный путь решения проблемы передачи электрической энергии  нашли в 1880 г. французский ученый М. Депре и русский физик Д. А. Лачинов. Математическим анализом существа физических процессов в системе генератор—линия—двигатель они показали, что эффективность электропередачи может быть достигнута при увеличении напряжения в линии.

 

Теоретический вывод, подытоживший эмпирические знания в области электрических  машин и электрических цепей, послужил надежной платформой для последующих  технических решений. В 1882 г. Депре  построил первую опытную электропередачу  Мисбах — Мюнхен протяженностью 57 км, напряжением постоянного тока 1,5—2 кВ; КПД не превышал 0,22 % .Первый практический шаг еще не дал благоприятных результатов, но он стал отправным пунктом для последующих работ. На новой опытной установке Вазиль — Гренобль 1883 г. энергия, переданная в Гренобль (примерно 7 л. с), использовалась для привода нескольких печатных и других машин. КПД передачи был равен 62%.

 

Ф. Энгельс с исключительной прозорливостью оценил открытие Депре, громадное значение нового технического направления, увидев в нем не только зародыш будущего освобождения промышленности «почти от всяких границ, полагаемых местными условиями», но и источник глубочайших социальных изменений.

Опыты передачи энергии большого масштаба были осуществлены в 1885 г.; напряжение линии передачи длиной в 56 км (между Крейлем и Парижем) достигло 6 кВ. Тогда это было предельным напряжением для машин постоянного тока по условиям изоляции и коммутации.

Вскоре была осуществлена передача постоянного тока на более высокое  напряжение — до 12 кВ. Однако электропередачи постоянного тока столь высокого напряжения были единичными. Трудности создания машин высокого напряжения и преобразования тока высокого напряжения в ток низкого напряжения у потребителей заставили обратиться к исследованию свойств переменных токов.

 

Вскоре была разрешена главная  энергетическая проблема конца XIX века — проблема централизации производства электроэнергии и передачи ее на большие  расстояния. Для всех стал ясен способ, каким многофазный ток мог  быть подведен от далекой электростанции к каждому отдельному цеху, а потом и отдельному станку. Ближайшим следствием возникновения техники многофазного тока явилось то, что в последующие годы во всех развитых странах началось бурное строительство электростанций и широчайшая электрификация промышленности.

 

Правда, в первые годы она еще  осложнялась ожесточенной борьбой  между конкурирующими компаниями, стремившимися  внедрить тот или иной тип тока. Так, в Америке сначала взяла  вверх компания Вестингауза, которая, скупив патенты Теслы, старалась распространить двухфазный ток. Триумфом двухфазной системы стало строительство в 1896 году мощной ГЭС на Ниагарском водопаде. Но трехфазный ток вскоре повсеместно был признан наилучшим. Действительно, двухфазная система требовала проведения четырех проводов, а трехфазная только трех. Кроме большей простоты, она сулила значительную экономию средств. Позже Тесла, по примеру Доливо-Добровольского, предложил объединять два обратных провода вместе. При этом происходило сложение токов, и в третьем проводе тек ток примерно в 1, 4 раза больший, чем в двух других. Поэтому сечение этого провода было в 1, 4 раза больше (без этого увеличения сечения в цепи возникали перегрузки).

 

В результате затраты на двухфазную проводку все равно оказывались  больше, чем на трехфазную, между тем как двухфазные двигатели по всем параметрам уступали трехфазным. В XX веке трехфазная система утвердилась повсеместно. Даже Ниагарская электростанция была со временем переоборудована на трехфазный ток.

 

 

 

 

 

Развитие техники передачи электроэнергии на большие расстояния  
 
Характерным в развитии электропередачи всегда являлись: увеличение передаваемых мощностей, протяженности линий и как следствие - увеличение напряжения. 
Повышение этих параметров на каждом новом этапе ставило новые и более сложные задачи перед учеными и инженерами, перед конструкторами электрических машин, линейных устройств и коммутационной аппаратуры. 
 
Практически возможными являлись два метода электропередачи -постоянным или переменным токами. Оба эти метода с различными успехами разрабатывались на протяжении всей истории электроэнергетики. 
 
Основными средствами передачи электрической энергии являлись воздушные и кабельные линии со всем необходимым оборудованием. 
 
 
Передача энергии постоянным током 

В развитии электропередачи постоянным током можно выделить два основных направления:

 
       -получение высокого напряжения без преобразования рода тока; 
       -использование преобразовательной техники. 
 
Наибольших достижений в развитии техники передачи электроэнергии постоянным током удалось добиться швейцарскому инженеру Рэне Тюри. 
 
Он реализовал идею Фонтена, введя небольшое усовершенствование: выходившая из строя электрическая машина специальным автоматом отсоединялась от линии, а концы последней соединялись между собой. На приемном конце линии сооружалась подстанция, на которой последовательно включались двигатели. Каждый из этих двигателей приводил в действие генератор низкого напряжения. Таким образом, «система Тюри» представляла собой линию высокого напряжения, присоединенную своими концами к двум системам последовательно включенных машин. 
 
Первая электропередача по системе Тюри была осуществлена в Генуе в 1893 г. Она работала сначала на напряжении 5-6, затем 10 и даже 14 кВ при мощности 325 кВт. Общая длина линий достигала 60 км. 
 
Опытами передачи по системе Тюри завершилось первое направление в развитии электропередачи постоянным током. 
 
Второе направление возникло в 1918 г. К этому времени уже успешно действовала мощная 3-х фазная электропередача высокого напряжения (до 150 кВ). 
 
Но уже к концу второго десятилетия текущего столетия наметились контуры новой и весьма неожиданной проблемы. Дело в том, что при значительных расстояниях передачи при высоком напряжении начинала существенно сказываться емкостная проводимость линий и значительно возрастал емкостной ток. При передачи энергии на расстояние более 300 - 500 км этот емкостной ток уже трудно было компенсировать.