Лекция __. Тема 4. Передача энергии на расстояние.

4.1. Варианты передачи энергии.

Обычно (в силу географических и геологических условий) энергия производится не там, где потребляется. Поэтому возникает комплексная проблема выбора способа передачи энергии на расстояние в виде топлива или конечных энергоносителей. Энергия может передаваться: 1) непрерывно, например, по трубопроводам или линиям электропередачи, либо 2) дискретно, например, при перевозке нефти танкерами или угля железнодорожными вагонами. Существует несколько критериев, которые учитывают при выборе системы передачи энергии:

• Удельная стоимость доставляемой энергии (рубль/Дж),

• Географические условия,

• Желаемая пропускная способность,

• Технические характеристики,

• Влияние на окружающую среду,

• Общественное мнение.

Некоторым из приведенных критериев трудно дать высокоточную количественную оценку. Например, полоса отчуждения земли на 1 км традиционной воздушной линии электропередачи составляет около 3 га (1 га =10⁴ м²), а для линий сверхвысокого напряжения (500 кВ и выше) площадь отчуждения в два-три раза больше. При разливе нефти из танкеров образование нефтяных пятен на больших площадях океанской поверхности оказывает трудно прогнозируемое неблагоприятное воздействие на мировой энергобаланс в целом. Примерно 40 % всех грузовых перевозок по железным дорогам в России приходится на перевозки топлива с доставкой его на тысячи километров при острейшем дефиците вагонов, из-за которого даже урожай не всегда удается вывести вовремя.

Ниже приводятся некоторые примеры взаимосвязей физико-технических и экономических параметров транспорта энергии разными способами.

4.2. Линии электропередачи.

Весь цивилизованный мир опутан плотной сетью линий электропередачи (ЛЭП). В России протяженность ЛЭП с напряжением 35 кВ и выше составляет около 1 млн.км. Оценим приближенно затраты на сооружение и эксплуатацию ЛЭП. Если по ЛЭП течет ток силой I Ампер при напряжении U Вольт, то передаваемая мощность равна их произведению P=IU Вт. Течение тока по проводам всегда сопровождается потерями энергии на преодоление электрического сопротивления проводов R Ом. Теряемая электроэнергия превращается в тепло, именуемое Джоулевым тепловыделением. Мощность Джоулева тепловыделения Q Вт пропорциональна сопротивлению провода и квадрату тока:

Q = I²R = P²R/U². (4.1)

Из последнего равенства следует, что при заданной передаваемой электрической мощности P и сопротивлении провода R Джоулевы потери обратно пропорциональны квадрату напряжения в ЛЭП. То есть, для снижения потерь энергии в проводах необходимо увеличивать напряжение и тем больше, чем больше передаваемая мощность и расстояние l, на которое передается электроэнергия в силу пропорциональности сопротивления проводов их длине: R = l/S, где S = d²/4 – площадь поперечного сечения провода (м²) диаметром d,  - электропроводность материала провода, Ом^-1.м^-1 (физическое свойство материала).

Какой ток лучше использовать в ЛЭП – переменный или постоянный? Ответ не прост. При передаче постоянным током отсутствует поверхностный эффект и реактивное сопротивление, но стоимость получения постоянного тока высокого напряжения велика. Линии переменного тока легче переводить на различные уровни напряжения (повышать или понижать напряжение), ими проще управлять при коммутациях под нагрузкой. Расчеты показывают, что стоимость передачи постоянного тока становится сопоставимой со стоимостью передачи переменного тока только при длине линий, превышающей 1000 км, и мощности нагрузок более 1 ГВт.

В США уровни напряжения ЛЭП поднимались с первоначальных 69 кВ до 135 кВ, 220 и 550 кВ. В России сооружены мощные магистральные ЛЭП напряжением 500, 750 и 1150 кВ переменного тока и 1500 кВ постоянного тока. Для линий 1500 кВ требуются опоры высотой около 50 м и размахом около 60 м (рис.4.1).

60 м

50 м

30 м

Рис.4.1. Габариты опор линий электропередачи напряжением 1500 кВ.

Большие габариты опор ЛЭП связаны с рядом физических эффектов, первоисточником которых является коронный разряд. Коронный разряд происходит, когда напряженность электрического поля вблизи проводов (где она максимальна) превышает электрическую прочность воздуха. Коронный разряд характеризуется пульсирующими электрическими разрядами, имеющими микросекундный временной диапазон и частоту, измеряемую в мегагерцах (10⁶ 1/с). Корона (область существования коронного разряда) является причиной не только потерь энергии, но и электромагнитных помех, акустического шума (треска), образования озона и окислов азота. Для ЛЭП напряжением 750 кВ напряженность электрического поля в воздухе вблизи проводов превышает 10 кВ/м. Порог чувствительности человека к току составляет около 1 мА (10^-3 А), а электрическое сопротивление человека в среднем близко к 10 МОм (10⁷ Ом). Протекание такого тока вдоль тела создает разность потенциалов U = IR = 10^-310⁷ = 10⁴ В. При росте человека h=2м разность потенциалов 10000 В соответствует напряженности электрического поля E = U/h = 5000 В/м. В зоне ЛЭП с напряженностью электрического поля более 5 кВ/м человек будет ощущать его воздействие.