Передача энергии на большие расстояния

 
 
Первым важность наметившейся проблемы оценил М.О. Доливо-Добровольский, и  в ноябре 1918 г., за год до смерти, выступил с докладом на тему «О границах применения переменных токов для передачи энергии на большие расстояния». На основании технико-экономических расчетов он показал, что возможности переменного тока для целей электропередачи ограниченны и будущее в этом вопросе принадлежит постоянному току. В качестве примерной границы он указал напряжение ~ 200 кВ и расстояние порядка несколько сотен км. С современной точки зрения они являются конечно заниженными, но это ни в коей мере не умаляет важности принципиальной постановки задачи. 
 
Замечательным является то, что еще в 1918 г. Доливо-Добровольский указывал, что одной из вероятных схем передачи энергии может быть линия постоянного тока, присоединенная на своих концах к преобразовательным подстанциям. Таким образом, он указывал на вероятность того, что генерирование и распределение энергии в будущем будут производиться переменным током, а ее передача - выпрямленным током высокого напряжения. В качестве одного из вариантов решения проблемы преобразования переменного тока в постоянный Доливо-Добровольский назвал применение ртутных выпрямителей.

 
 
Рост мощностей электростанций и  дальности электропередачи, укрупнение энергосистем были столь быстрыми, что уже в 1920 - 1922 гг. в США, а  затем и в других странах серьезно изучался вопрос об устойчивости параллельной работы синхронных генераторов. Крупнейшая авария в 1965 г. в Нью-Йорке показала, что нарушение устойчивости линий электропередачи переменного тока может привести к "распаду" даже очень крупную энергетическую систему. Глубокое изучение этого вопроса привело к тому, что наряду с другими методами повышения устойчивости параллельной работы стала рассматриваться и такая радикальная мера, как осуществление межсистемных связей линиями постоянного тока. В этом случае две связанные такой линией системы могут работать и не синхронно друг с другом. 
 
При всех своих преимуществах электропередача постоянным током обладает крупными недостатками: 
 
- она требует применения сложных и дорогих выпрямителей и инверторов; 
- затрудняется решение задачи об отборе энергии в промежуточных пунктах линии, так     как современная техника пока практически не располагает выключателями постоянного тока высокого напряжения. 
 
В конце 30-х начале 40-х годов в разных странах было построено несколько опытных линий передачи постоянного тока напряжением 30-90 кВ.

Передача энергии переменным током

 
 
Многолетняя борьба за выбор рода тока закончилась в свое время полной победой переменного тока, причем решающую роль в этой победе сыграла 3-х фазная система. 
В настоящее время передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется, за редким исключением, только переменным током. 
 
Уже отмечалось, что вся история электропередачи сопровождалась увеличением передаваемых мощностей, напряжений и протяженностью линий. 
На первом этапе преобладающей по важности проблемой было уменьшение потерь в линии, что требовало повышение напряжения. 
 
В течение первого десятилетия XX века на первый план выдвинулась проблема изоляции линий. Применявшиеся штаревые изоляторы не позволяли поднять напряжение выше 60 - 70 кВ. Это ограничивало пропускную способность линий: для увеличения мощности передачи приходилось сооружать несколько параллельных цепей, что было весьма дорого. Только изобретение в конце 1906 г. подвесных изоляторов (Хьюлетт, США) позволило увеличить применявшееся напряжение. 
 
В 1908 - 1912 гг. в Америке и Германии были построены первые линии 110 кВ, а следующее десятилетие дало увеличение напряжения еще в два раза. 
Новое затруднение на пути роста напряжения возникло в связи с увеличением потерь на корону. Многочисленные теоретические исследования, проводившиеся в 1910 - 1914 годах (В.Ф. Миткевич в России, Пик в Америке, Г. Капп в Англии и другие) показали, что уменьшение потерь на корону (повысить критическое коронное напряжение) можно путем увеличения действительного или "электрического" диаметра провода.

Первое направление привело  к применению алюминиевых, сталеалюминиевых и полых проводов большого диаметра. Второе направление (В.Ф. Миткевич) расширило  указанные возможности применения расщепленных проводов, когда каждая фаза линии состоит, например, из трех проводов. При этом увеличивается "электрический" диаметр провода и к тому же снижается индуктивность проводов. Последнее обстоятельство оказалось очень важным в дальнейшем развитии техники электропередачи. 
 
Первая линия 220 кВ с расщеплением фазы на 2 провода была построена в 1956 г. на Урале, а затем с расщеплением на 3 провода стали строить все линии 400 и 500 кВ. 
 
Следующим этапом борьбы за освоение высоких напряжений явилась разработка методов компенсации индуктивного падения напряжения в линии. При напряжении больше 110 кВ и дальности больше 150-200 км индуктивное падение напряжения принимает такие размеры, что становится невозможным поддерживать постоянным напряжение в конце линий. Эта проблема была решена путем применения статических конденсаторов и синхронных компенсаторов. Впервые синхронный компенсатор был использован по предложению Доливо-Добровольского еще в 1892 г. на линии Бюлах-Эрликон (Швейцария). 
 

 

 

 

 

Развитие кабельных и воздушных линий 
 
На заре развития электроэнергетики многие конструкции и схемы заимствовались из области неэнергетических применений электричества. Особенно много дала в этом отношении телеграфная техника. В связи с развитием телеграфа родилась и получила начальное развитие кабельная техника. 
 
В первые годы строительства силовых электросетей наиболее естественной казалась подземная проводка, которая лучше защищена от механических повреждений и не портит внешнего вида улиц. 
 
Решающую роль в развитии кабельной техники сыграло применение пропитанной бумажной изоляции. 
 
Недостатки кабелей с поясной изоляцией привели к созданию кабеля с экранированными жилами (1913 г.). Такие 3-х жильные кабели на напряжение, равное 60 кВ, начали изготовляться в 1918 - 1919 гг. 
 
Другим вариантом 3-х жильного кабеля высокого напряжения является изобретенный в 1924 г. (СССР) кабель с отдельно освинцованными жилами. Он был более гибок и надежен в эксплуатации. Такой кабель на напряжение 33 кВ был проложен в 1924 г. в Ленинграде (Ленинградское кабельное кольцо). 
Борьба за повышение напряжения на кабельных линиях привела к созданию маслонаполненных кабелей, изобретенных в 1919 г. и выпускавшихся с 1923 г. В СССР маслонаполненный кабель на напряжение в ПО кВ был проложен в 1931 г. вблизи г.Ленинграда. 
 
В 1926 - 28 гг. стали появляться газонаполненные кабели, а затем с 1930 г. - маслостатические: три экранированные жилы находятся в стальной трубе, которая заполняется маслом под давлением 15 атмосфер. 
 
Прогрессивным направлением в развитии кабельной техники явилось постепенное расширение перехода от свинцовых оболочек к более дешевым алюминиевым. В настоящее время уже более 80% силовых кабелей выпускается с алюминиевыми оболочками. Резко расширен выпуск кабелей с пластмассовой оболочкой. 
 
В настоящее время кабельные линии прокладываются главным образом в городах и поселках городского типа и на территории промышленных предприятий, т.е. там, где это необходимо по технико-экономическим соображениям (высокая концентрация мощных нагрузок), а также по соображениям безопасности и эстетики.

 
Кабель высокого давления (на напряжение ПО - 500 кВ) широко применяется для  устройства переходов через водные пространства, а также на мощных ГЭС для передачи энергии от повышающих трансформаторов к открытым распределительным устройствам, размещенным на берегах рек. 
 
Одной из важнейших задач, решаемых в настоящее время, являются разработка конструкций и освоение производства кабелей на напряжение 750 кВ (переменного тока) и 1500 кВ (постоянного тока). 
 
Для электропередачи большой протяженности преимущественное применение получили воздушные линии. 
 
Исторически сложилась основная схема передачи и распределения электрической энергии: от районной электростанции идут одна или несколько цепей линии электропередачи, от приемной подстанции - питающие провода, от трансформаторных пунктов снабжается энергией разветвленная местная сеть. Со временем появились различные модификации основной схемы электроснабжения: замыкании линий в кольцо; перенесение подстанций внутрь цехов промышленных предприятий и т.п. 
 
Особенно удачным оказалось сооружение колец линий высокого напряжения вокруг крупных промышленных городов. Эти кольца играют роль сборных шин, на которые по рабочим линиям вливается энергия от районных электростанций. Такое кольцо воздушных линий, в частности, создано вокруг Москвы. По его примеру строились кольца для некоторых зарубежных городов. 
 
Известно, что основными элементами воздушных линий являются провода, изоляторы и опоры. Это так называемая механическая часть линий передачи вначале целиком была заимствована у телеграфных линий. Опоры выполнялись в виде деревянных столбов, провода были сначала стальными, а изоляторы - штыревыми (стеклянными, а затем фарфоровыми). 
 
Постепенно в 80 - 90-х гг. прошлого столетия стальные провода стали вытесняться медными. Начавшееся в конце прошлого века производство электролитической меди позволило в несколько раз снизить ее стоимость, хотя и до сегодняшнего дня медь считается дефицитным и дорогостоящим материалом. В течение первых десятилетий XX века медь заняла место основного проводникового материала в электротехнике. 
 
Уже на рубеже 80 - 90 гг. XIX века применение простых штыревых колоколообразных изоляторов оказалось недостаточным. Для усиления изоляции на штыревых изоляторах стали делать кольцеобразный желоб, заполнявшийся маслом. Так возникли фарфоровые изоляторы. В 1898 г. в Германии получили распространение изоляторы с длинными и тонкими фарфоровыми юбками, названный штыревым изолятором типа "дельта". Он применяется для напряжения до 70 кВ. Позднее на основе теоретических исследований был разработан изолятор типа "фарадоид", поверхность которого очерчивалась по силовым линиям электрического поля. 

Много внимания уделялось способам подвески проводов. Для уменьшения нагрузки на промежуточные опоры при обрыве провода были разработаны выпускающие зажимы (до войны). Для линий напряжением 330 - 500 кВ были использованы зажимы с ограниченной прочностью заделки, которые позволяют проводу при обрыве проскальзывать, но не выпускают его на землю. 
 
Большое многообразие конструкций характерно для развития опор линий передач. До начала текущего столетия строились исключительно деревянные опоры с горизонтальными траверсами. В СССР с первых лет электрификации широко применялись деревянные опоры. Были выполнены всесторонние исследования их механической прочности и разработаны весьма удачные конструкции деревянных опор. Основным типом опоры линий 110 и 35 кВ стала деревянная П-образная опора. 
Прогрессивным направлением в развитии конструкций опор явилось их изготовление из железобетона. В СССР первые железобетонные опоры были разработаны еще в 1933 г., но только в 50-х годах, когда получила большое развитие индустрия железобетонных изделий, этот тип опор стал весьма распространен.

 

Энергосберегающая и ресурсосберегающая технология передачи электрической энергии на большие  расстояния

 

Предлагаемая технология, базируется на идеях Н.Теслы,  доработана с учетом современного развития науки и техники  и основана на  использовании двух резонансных контуров с частотой 0,5-50 кГц и однопроводной линии между контурами  с напряжением линии 1-100 кВ при работе в  режиме резонанса напряжений.

 

Провод линии является направляющим каналом, вдоль которого движется электромагнитная энергия.

При таком способе передачи электрической  энергии,  омические потери в проводах крайне незначительны, что в конечном итоге позволяет обеспечить снижение себестоимости киловатт/часа.

 

Описание предлагаемой технологии (метода) повышения энергоэффективности, его новизна и информированность о нем. Одной из наиболее  актуальных проблем современной  энергетики является  обеспечение энергосбережения  и снижение экономических затрат при решении задачи передачи электрической энергии на большие расстояния.

 

На практике для передачи электрической  энергии на большие расстояния, как  правило,  используют трехфазные системы, для реализации которых требуется применение не менее 4 проводов, которой присуще следующие существенные недостатки:

 

• большие потери электрической энергии в проводах, так называемые джоулевые потери;
• необходимость использования промежуточных трансформаторных подстанций, компенсирующие потери энергии в проводах;
• возникновение аварий вследствие короткого замыкания проводов, в том числе из-за опасных погодных явлений (сильный ветер, наледь на проводах и др.);
• большой расход цветных металлов;
• большие экономические затраты на прокладку трехфазных электрических сетей (несколько миллионов рублей на 1 км).

 

Отмеченные выше недостатки  могут быть устранены за счет применения резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии, основанной на идеях Н.Теслы, доработанной с учетом современного развития науки и техники.

 

В настоящее время технология резонансной  однопроводной системы передачи электрической энергии получили свое развитие.

Предлагаемая технология основана на использовании двух резонансных  контуров с частотой 0,5-50 кГц и  однопроводной линии между контурами (рис.1) с напряжением линии 1-100 кВ при работе в  режиме резонанса напряжений.

Провод линии является направляющим каналом, вдоль которого движется электромагнитная энергия. Энергия электромагнитного  поля распределена вокруг проводника линии.

Рис. 1. Электрическая схема однопроводной  системы передачи электроэнергии

 

Как показывают расчеты и проведенные  эксперименты при таком способе  передачи электрической энергии, потери в проводах практически отсутствуют (в сотни раз меньше, чем при  традиционном способе передачи электрической энергии) и  данная технология безопасна для окружающей природной среды и человека.

 

Рис.2 наглядно иллюстрирует преимущества однопроводной резонансной системы  по сравнению с традиционной трехфазной системой передачи электроэнергии. На рис.2 представлены две светодиодные линии освещения. Слева 7 метровая двухпроводная. Справа 30 метровая однопроводная. Как видно из рис.2 при применении 7 метровой двухпроводной линии имеются существенные потери в проводах - последний светодиод светит значительно тусклее, чем первый.

 

В однопроводной резонансной 30 метровой линии передачи электрической энергии  такого эффекта не наблюдается - первый и последний светодиоды светят практически  с одинаковой яркостью.

Рис. 2. Преимущества однопроводной  резонансной системы по сравнению  с традиционной трехфазной системой передачи электроэнергии

 

Другим важным преимуществом однопроводной резонансной системы передачи электрической энергии является существенная экономия цветных металлов.

На рис. 3 представлены два образца  линий электропередач мощностью 50 кВт. Левый образец предназначен для  применения в традиционной трехфазной системе передачи электрической энергии. Правый образец для применения в однопроводной резонансной системе передачи электрической энергии. Расход цветного металла (меди) в правом образце в 20 раз меньше, чем в левом образце.

 

Рис. 3.  Образцы проводов линий электропередач (слева для применеия в трехфазной системе предачи электроэнергии, справа - в однопроводной резонансной)

 

При прокладке кабельных линий  электропередач преимущества однопроводной резонансной системы заключаются, прежде всего, в том, что сечение кабеля в 3-5 раз меньше сечений традиционной трехфазной системы передачи электроэнергии, а это в свою очередь позволяет: