Передача электроэнергии

Линии электропередач в Германии

Возможность передачи электроэнергии на расстояние впервые обнаружил Стивен Грей в 1720-е годы. В опытах Грея заряд передавался по шёлковому проводу на расстояние до 800 футов[1]

До конца XIX века электричество использовалось только поблизости от мест генерации. Это, в свою очередь, ограничивало степень использования доступных ресурсов, так как большие мощности для местного производства не требовались. С изобретением электрического освещения необходимость передачи электричества на большие расстояния стало актуальной проблемой, так как освещение требовалось в первую очередь в крупных городах, удалённых от источников энергии[2].

В 1873 году Фонтен впервые продемонстрировал генератор и двигатель постоянного тока, связанные проводом длиной 2 км. В 1874 году Ф. А. Пироцкий осуществил передачу электроэнергии мощностью 6 л. с. на расстояние 1 км, а в 1876 году повторил опыт, используя в качестве проводника рельсы Сестрорецкой железной дороги длиной 3,5 км. В конце 1870-х — начале 1880-х Д. А. Лачинов показал, что потери энергии при передаче имеют обратную зависимость от напряжения, а П. Н. Яблочков и И. Ф. Усагин создали первые трансформаторы, что позволило Усагину на Всероссийской выставке в Москве в 1882 году продемонстрировать первую высоковольтную систему передачи электроэнергии, включавшую повышающий и понижающий трансформаторы и линию электропередачи. В том же году на Мюнхенской выставке опыт передачи постоянного электрического тока напряжением до 2000 В на расстояние 60 км продемонстрировал Марсель Депре, при этом потери составили 78 %[2].

Прорывом в передаче электроэнергии на большие расстояния стал опыт М. О. Доливо-Добровольского на международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 году. В ходе опыта энергия от установки на реке Неккар в городе Лауффен была передана во Франкфурт по трёхфазной линии на 175 км. Энергия передавалась при напряжении 15200 В, преобразование осуществлялось с помощью трёхфазных трансформаторов. КПД линии достигал 80,9 %, а передаваемая мощность — более 100 л. с., использованных для работы электрического двигателя и освещения. Опыт способствовал внедрению трёхфазного переменного тока и высоковольтных систем передачи. К 1910 году в США появились первые линии 110 кВ, в 1923 — 220 кВ, в то же время началось внедрение высоковольтных линий в Европе[2].

Передача энергии на постоянном токе, в первую очередь, по системе Тюри, имела некоторое распространение в начале XX века, в частности, функционировали линия в Батуми протяжённостью 10 км и линия Мутье-Лион протяжённостью 180 км, но в конце концов они были демонтированы и заменены линиями переменного тока[2].

В настоящее время применяются схемы передачи, в которые входят[3]:

• электрический генератор;
• повышающий трансформатор;
• линия электропередачи;
• понижающий трансформатор.

Схемы делятся на блочные, связанные и полусвязанные[4]

По типу линии электропередач[5]:

• магистральные;
• межсистемные.

По промежуточному отбору мощности[5]:

• прямые;
• с промежуточным отбором;
• с промежуточной генерацией.

В линиях с промежуточным отбором и генерацией обычно предусматриваются дополнительные понижающие и повышающие трансформаторы для обеспечения нужд промежуточных потребителей электроэнергии и генерации.

По числу линий: одно-, двух- и трёхцепные[6].

Основным параметрами системы передачи энергии является пропускная способность ${\displaystyle P}$[7]:

${\displaystyle P={\frac {U^{2}}{Z_{0}}}}$

где ${\displaystyle U}$ — напряжение, В;
${\displaystyle Z_{0}}$ — волновое сопротивление, Ом.

Например, для линии 110 кВ пропускная способность составляет 30 МВт.

Пропускную способность снижают потери энергии[8], другим ограничением является устойчивость параллельной работы синхронных машин, находящихся на концах линии[9].

• Крачковский Н. Н. Передача электрической энергии на дальние расстояния / Отв. ред. академик А. В. Винтер. — М.: Издательство Академии наук СССР, 1953.
• Герасименко А. А., Федин В. Т. Передача и распределение электрической энергии: Учебное пособие. — 2-е. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2008. — 715 с. — (Высшее образование).

• Распределение электроэнергии