§ 62. Передача электрической энергии

инженерное сооружение, состоящее из высоковольтных проводов, изоляторов и металлических или железобетонных опор, предназначенное для передачи электрической энергии от электростанций к центрам ее потребления на большие расстояния:

• 1. Проблема тепловых потерь — протекание электрического тока через омическое сопротивление проводов неизбежно сопровождается выделением тепла по закону Джоуля—Ленца ($Q = I^2 R t$), из-за чего полезная энергия уменьшается: $E_{\text{потребляемая}} = E_{\text{генерируемая}} - Q$.
• 2. Материал проводов — для минимизации удельного электрического сопротивления $\rho$ провода изготавливают из меди или алюминия (часто со стальным несущим сердечником для высокой механической прочности на разрыв).
• 3. Способ минимизации потерь — многократное повышение напряжения при пропорциональном снижении силы тока перед подачей энергии в магистральную линию.

статическое электромагнитное устройство, не имеющее подвижных частей, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при сохранении неизменной частоты:

• 1. История создания — изобретен в 1876 году выдающимся русским электротехником Павлом Николаевичем Яблочковым (в дальнейшем усовершенствован лаборантом Московского университета И. Ф. Усагиным).
• 2. Конструктивное устройство — замкнутый магнитопровод (сердечник) из тонких изолированных пластин электротехнической стали (для подавления паразитных вихревых токов Фуко) и две индуктивно связанные обмотки (первичная и вторичная) из изолированного медного провода.
• 3. Принцип действия — фундаментальное явление взаимной электромагнитной индукции: переменный ток в первичной обмотке создает в сердечнике переменный магнитный поток, который без рассеяния пронизывает витки вторичной обмотки и наводит в них ЭДС индукции.
• 4. Формула трансформации — отношение напряжений на обмотках прямо пропорционально отношению чисел их витков: $\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}$, откуда $U_2 = \frac{N_2}{N_1} U_1$.

трансформатор, у которого число витков во вторичной обмотке больше числа витков в первичной обмотке ($N_2 > N_1$):

• 1. Соотношение напряжений — переменное напряжение на выходе превышает входное напряжение ($U_2 > U_1$).
• 2. Назначение в энергосистемах — устанавливается непосредственно на электростанциях для повышения напряжения, вырабатываемого генератором (обычно 12–24 кВ), до сотен киловольт (110–750 кВ) перед вводом в магистральные ЛЭП.
• 3. Трансформация силы тока — в соответствии с законом сохранения энергии при росте напряжения сила тока во вторичной цепи пропорционально уменьшается во столько же раз ($I_2 \approx I_1 \frac{N_1}{N_2}$).

трансформатор, у которого число витков во вторичной обмотке меньше числа витков в первичной обмотке ($N_2 < N_1$):

• 1. Соотношение напряжений — переменное напряжение на выходе меньше входного напряжения ($U_2 < U_1$).
• 2. Назначение в энергосистемах — устанавливается на сетевых и городских распределительных подстанциях для ступенчатого понижения высокого напряжения ЛЭП до безопасных уровней промышленного (380 В) и бытового (220 В) потребления.
• 3. Применение в электронике — входит в состав импульсных и сетевых блоков питания, адаптеров для зарядки смартфонов (понижение 220 В до 5–12 В) и радиотехнических устройств.

эффективные физические характеристики переменного тока, численно равные напряжению и силе такого постоянного тока, который в том же проводнике ежесекундно выделяет в виде тепла точно такое же количество энергии, что и рассматриваемый переменный ток:

• 1. Энергетический смысл — позволяют применять законы постоянного тока (формулу мощности $P = U I$, закон Джоуля—Ленца) к расчету цепей переменного тока.
• 2. Градуировка приборов — стандартные измерительные приборы переменного тока (вольтметры и амперметры) всегда показывают именно действующие значения.

Выдающийся русский электротехник, военный инженер и изобретатель, создатель первого в мире практически применимого индукционного трансформатора переменного тока и пионер электрического освещения.

• В 1876 году сконструировал и запатентовал первый индукционный трансформатор с разомкнутым сердечником, решив проблему дробления и раздельного регулирования электрического напряжения.
• Использовал трансформаторы переменного тока для раздельного и стабильного питания электрических дуговых ламп («свечей Яблочкова»), доказав ключевые преимущества переменного тока перед постоянным.
• Его изобретение легло в основу современных повышающих и понижающих силовых трансформаторов, без которых невозможна экономичная передача электроэнергии по высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП).

Русский физик, электротехник и метеоролог, профессор Санкт-Петербургского лесного института, впервые в мире научно и математически обосновавший возможность передачи электроэнергии на дальние расстояния без колоссальных потерь.

• В 1880 году в статье «Электромеханическая работа» в журнале «Электричество» первым в мире доказал, что тепловые потери энергии в проводах резко уменьшаются при пропорциональном повышении напряжения.
• Физически обосновал, что квадратичную зависимость тепловых потерь Джоуля — Ленца от силы тока можно преодолеть передачей требуемой мощности высокими напряжениями в десятки и сотни тысяч вольт.
• Теоретические расчёты учёного заложили фундаментальную основу для перехода мировой энергетики на высоковольтные линии электропередачи переменного тока с повышающими и понижающими трансформаторными подстанциями.

Выдающийся русский электротехник, инженер и изобретатель, создатель законченной трёхфазной системы переменного тока, трёхфазного трансформатора и асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

• В 1889 году разработал трёхфазный асинхронный электродвигатель с вращающимся магнитным полем, а также сконструировал трёхфазные синхронные генераторы и трансформаторы переменного тока.
• В 1891 году осуществил триумфальную передачу электроэнергии трёхфазным током напряжением 15 кВ и мощностью 300 кВт на рекордное расстояние 175 км от Лауфена до Франкфурта с фантастическим КПД 75%.
• Созданная им трёхфазная система напряжений и трансформации стала всемирным стандартом современной промышленной электроэнергетики и основой единых энергосетей.

1. Закон, определяющий потери электроэнергии:

Потери электрической энергии на тепловое нагревание проводов линии электропередачи (ЛЭП) строго определяются законом Джоуля—Ленца:

$$Q = I^2 R t$$

где $I$ — действующая сила переменного тока в линии, $R$ — электрическое сопротивление проводов ЛЭП, $t$ — время прохождения тока.

2. Пути снижения тепловых потерь:

Потери тепла $Q$ пропорциональны сопротивлению проводов $R$ и квадрату силы тока $I^2$. Соответственно, уменьшить потери можно двумя путями:

• Уменьшением сопротивления проводов $R = \rho \frac{l}{S}$:
• Выбором проводников с наименьшим удельным электрическим сопротивлением $\rho$ (для ЛЭП используют медь и преимущественно легкий, коррозионностойкий и экономически доступный алюминий);
• Увеличением площади поперечного сечения проводов $S$. Однако значительное утолщение проводов экономически невыгодно (колоссальный перерасход цветного металла) и технически нецелесообразно (провода становятся тяжелыми, провисают, требуют установки мощных массивных опор и могут оборваться при ветре или обледенении).
• Уменьшением силы тока $I$ в линии:

Так как потери зависят от силы тока квадратично ($Q \sim I^2$), уменьшение силы тока является самым мощным и экономически эффективным инженерным решением. Снижение силы тока в $k$ раз уменьшает бесполезные тепловые потери в $k^2$ раз!

Ответ:

Передаваемая по высоковольтной линии электропередачи полезная электрическая мощность выражается формулой:

$$P = U I$$

где $U$ и $I$ — действующие значения напряжения и силы переменного тока.

Чтобы доставить потребителю заданную огромную мощность $P$ (мегаватты и гигаватты электроэнергии) и одновременно свести тепловые потери к минимуму:

• Необходимо уменьшить силу тока $I$, так как потери тепла в проводах зависят от силы тока квадратично ($Q \sim I^2$).
• Чтобы при уменьшении силы тока $I$ в $k$ раз полезная передаваемая мощность $P = U I$ осталась неизменной, напряжение $U$ перед подачей в ЛЭП необходимо повысить ровно во столько же ($k$) раз ($I = \frac{P}{U}$).
• В результате по проводам ЛЭП передается ток сверхвысокого напряжения, но крайне малой силы. Это позволяет транспортировать гигантские потоки электроэнергии на тысячи километров без перегрева проводов и с минимальными потерями энергии.

1. Устройство трансформатора:

• Трансформатор был изобретен в 1876 году русским инженером-изобретателем Павлом Николаевичем Яблочковым.
• Состоит из:
• Замкнутого ферромагнитного сердечника (магнитопровода): собирается из тонких пластин электротехнической трансформаторной стали, изолированных друг от друга слоем лака (для устранения паразитных вихревых токов Фуко, вызывающих ненужный нагрев сердечника);
• Первичной обмотки: катушка с числом витков $N_1$ из изолированного медного провода, подключаемая к источнику переменного напряжения $U_1$;
• Вторичной обмотки: катушка с числом витков $N_2$, с зажимов которой снимается трансформированное переменное напряжение $U_2$ и подается в цепь нагрузки.

2. Принцип действия:

• В основе работы трансформатора лежит фундаментальное явление взаимной электромагнитной индукции.
• При подаче переменного напряжения $U_1$ по первичной обмотке начинает течь переменный ток, который возбуждает в стальном сердечнике переменный магнитный поток $\Phi(t)$.
• Магнитопровод замыкает магнитные линии внутри себя, поэтому практически весь переменный магнитный поток без рассеяния пронизывает витки вторичной обмотки.
• По закону Фарадея в каждом витке вторичной обмотки наводится переменная ЭДС индукции. Суммарная ЭДС обмотки прямо пропорциональна числу ее витков, что задает каноническое соотношение напряжений:

$$\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} \implies U_2 = \frac{N_2}{N_1} U_1$$

• При $N_2 > N_1$ напряжение повышается ($U_2 > U_1$) — трансформатор является повышающим;
• При $N_2 < N_1$ напряжение понижается ($U_2 < U_1$) — трансформатор является понижающим.

3. Применение трансформаторов:

• В электроэнергетике: на электростанциях применяются мощные трехфазные повышающие силовые трансформаторы для ввода энергии в ЛЭП (до 110–750 кВ), а на промежуточных узлах и в жилых массивах — понижающие трансформаторы для безопасного распределения электроэнергии (10 кВ, 380 В, 220 В);
• В радиоэлектронике и быту: в зарядных устройствах мобильных телефонов и ноутбуков (понижение 220 В до 5–20 В), блоках питания аудиоаппаратуры и компьютеров, телевизорах (сочетание понижающих и высоковольтных повышающих ступеней), а также в электрических сварочных аппаратах (понижение напряжения при многократном увеличении сварочного тока).

Передача электроэнергии от генерирующих станций к конечным потребителям осуществляется по строго регламентированной многоступенчатой схеме:

• Генерация тока на электростанции: синхронные генераторы ТЭС, ГЭС или АЭС вырабатывают трехфазный переменный ток напряжением порядка 12–24 кВ (производить ток более высокого напряжения непосредственно генератором технически невозможно из-за опасности пробоя изоляции обмоток статора).
• Ступень повышения напряжения: выработанный ток подается на пристанционную трансформаторную подстанцию с мощными повышающими трансформаторами, поднимающими напряжение до сотен киловольт (110 кВ, 220 кВ, 500 кВ и до 750 кВ).
• Магистральная передача: по высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП) ток высокого напряжения и малой силы транспортируется на расстояния в сотни и тысячи километров через тайгу, горы и равнины с минимальными омическими потерями.
• Ступени понижения напряжения:
• На подступах к городам и промышленным узлам районные понижающие подстанции снижают напряжение до 35–110 кВ;
• Городские распределительные подстанции снижают его до 6–10 кВ (на этом напряжении питаются крупные заводы и тяговые подстанции трамваев и троллейбусов);
• Районные и квартальные трансформаторные пункты (КТП) снижают напряжение до стандартного уровня потребления: 380 В (межфазное промышленное) и 220 В (фазное бытовое).
• Потребление: по подземным силовым кабелям и распределительным щитам ток поступает к розеткам и электроприборам в жилых домах, школах, больницах и офисах.

Ответ:

Повсеместное мировое доминирование магистральных ЛЭП переменного тока обусловлено рядом фундаментальных физических и экономических преимуществ:

• Простота и экономичность трансформации: переменное напряжение легко, чрезвычайно надежно и с высочайшим коэффициентом полезного действия (КПД современных трансформаторов достигает 99%) повышается и понижается с помощью статических электромагнитных трансформаторов без каких-либо подвижных деталей. Постоянный ток не создает переменного магнитного потока, поэтому обычные трансформаторы для постоянного тока принципиально неприменимы.
• Надежность и дешевизна электрических машин: переменный ток позволяет использовать трехфазные синхронные генераторы и бесколлекторные асинхронные электродвигатели (изобретенные русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским). Они не имеют искрящих коллекторов и трущихся щеток, предельно просты, долговечны и надежны в эксплуатации.
• Высокая стоимость преобразовательных подстанций постоянного тока: для передачи энергии по ЛЭП постоянного тока необходимо сначала преобразовать переменный ток генераторов в постоянный (выпрямить), а в конце линии преобразовать постоянный ток обратно в переменный (инвертировать) с помощью сверхдорогих полупроводниковых вентильных комплексов (тиристорных и транзисторных преобразователей). Такие затраты экономически оправдываются только при сверхдальних перетоках энергии (свыше 1000–1500 км) или при прокладке подводных высоковольтных силовых кабелей. Для общенациональной разветвленной энергосети переменный ток остается несравнимо более универсальным и экономически выгодным.