Параметры
Главными конструктивными параметрами воздушной линии является длина пролета со стрелой проводного провеса, расстоянием от проводника до поверхности земли, покрытием пересекаемых дорожных линий и другим инженерным сооружением.
Передача электроэнергии на расстояние
Длина в промежуточном пролете — промежуток вдоль токовой линии, образующийся между несколькими смежными опорами. Длина пролета зависит от того, какой тип опор с маркой, проводным сечением и климатическим районным условием используется.
Стрела проводного провеса — промежуток по вертикальной линии между линией, который соединяет крепежные проводные точки на несколько опор смежного типа и низшую провесную точку в пролете. Провес зависит от длины пролета.
Габарит воздушной линии электропередач — наименьший промежуток расстояния по вертикали от проводника до земли, озера, связи, шоссейной или железной дороги. Его регламентируют правила установки электропередач. Он зависит от того, какое имеется напряжение в сети.
Обратите внимание! Чтобы обеспечить нормальную работу и безопасное обслуживание воздушной линии, нужно при установке соответствовать установленным нормам. Так проводное расстояние должно быть не меньше шести метров в поселке до земли по вертикали
Расстояние от верха до низа может быть меньше на 3,5 метров или же на 1 метр. Промежуток по горизонтали от проводника до балкона, террасы, здания и глухих окон не меньше метра. Стоит указать, что электропередачи не проводятся над сооружениями.
Параметры электропередачи
Реальные проекты в наши дни
За все последние годы, согласно вышеприведенным технологиям, ученые пытались и пытаются реализовать всего два проекта.
Первый из них начинался очень обнадеживающе. В 2000-х годах на о.Реюньон, возникла потребность в постоянной передаче 10кВт мощности на расстояние в 1км.
Горный рельеф и местная растительность, не позволяли проложить там ни воздушные линии электропередач, ни кабельные.
Все перемещения на острове в эту точку осуществлялось исключительно на вертолетах.
Для решения проблемы в одну команду были собраны лучшие умы из разных стран. В том числе и ранее упоминавшиеся в статье, наши ученые из МГУ В.Ванке и В.Савин.
Однако в момент, когда должны были приступать к практической реализации и строительству передатчиков и приемников энергии, проект заморозили и остановили. А с началом кризиса в 2008 году и вовсе забросили.
На самом деле это очень обидно, так как теоретическая работа там была проделана колоссальная и достойная реализации.
Второй проект, выглядит более безумным чем первый. Однако на него выделяются реальные средства. Сама идея была высказана еще в 1968г физиком из США П.Глэйзером.
Он предложил на тот момент не совсем нормальную идею — вывести на геостационарную орбиту в 36000 км над землей огромный спутник. На нем расположить солнечные панели, которые будут собирать бесплатную энергию солнца.
Затем все это должно преобразовываться в пучок СВЧ волн и передаваться на землю.
Этакая «звезда смерти» в наших земных реалиях.
На земле пучок нужно поймать гигантскими антеннами и преобразовать в электричество.
Насколько огромны должны быть эти антенны? Представьте, что если спутник будет в диаметре 1км, то на земле приемник должен быть в 5 раз больше — 5км (размер Садового кольца).
Но размеры это всего лишь малая часть проблем. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы электричество мощностью в 5ГВт. При достижении земли оставалось бы всего 2ГВт. К примеру Красноярская ГЭС дает 6ГВт.
Поэтому его идею рассмотрели, посчитали и отложили в сторонку, так как все изначально упиралось в цену. Стоимость космического проекта в те времена вылезла за 1трлн.$.
Но наука к счастью не стоит на месте. Технологии совершенствуются и дешевеют. Сейчас разработку такой солнечной космической станции уже ведут несколько стран. Хотя в начале двадцатого века для беспроводной передачи электроэнергии хватало всего одного гениального человека.
Советуем изучить Группа по электробезопасности 3 группа
Общая цена проекта упала от изначальной до 25млрд.$. Остается вопрос — увидим ли мы в ближайшее время его реализацию?
К сожалению никто вам четкого ответа не даст. Ставки делают только на вторую половину нынешнего столетия. Поэтому пока давайте довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов и надеяться что ученым удастся повысить их КПД. Ну или в конце концов на Земле родится второй Никола Тесла.
Примеры транспортировки энергии по воздуху
Рассмотренная выше проблема может быть решена путем выбора альтернативного варианта распределения энергии, который мог бы обеспечить гораздо более высокую эффективность, низкую стоимость передачи и избежать хищения энергии. Передача энергии микроволновым излучением является одной из перспективных технологий и может стать достойной альтернативой.
Беспроводной передачей энергии занимался еще Никола Тесла, который показал, что он действительно “отец беспроводной связи”. Никола Тесла первым задумал идею беспроводной передачи энергии и еще в 1891 году продемонстрировал “передачу электрической энергии без проводов», которая зависела от электропроводности.
В 1893 году Тесла продемонстрировал освещение вакуумных ламп без использования проводов для передачи электроэнергии на Всемирной Колумбийской экспозиции в Чикаго. Башня Уорденклиффа была спроектирована и построена Теслой главным образом для беспроводной передачи электроэнергии, а не телеграфии.
- В 1904 году дирижабль с двигателем 0,1 лошадиной силы приводился в движение путем передачи мощности через пространство с расстояния не менее 30 метров.
- В 1961 году была опубликована первая статья, предлагающая микроволновую энергию для передачи энергии, а в 1964 году продемонстрирована модель вертолета с микроволновым питанием, которая получала всю мощность, необходимую для полета от микроволнового луча на частоте 2,45 ГГц из диапазона частот 2,4-2,5 ГГц, который зарезервирован для промышленных, научных и медицинских приложений.
- Эксперименты по передаче энергии микроволновым излучением без проводов в диапазоне десятков киловатт были проведены в Калифорнии в 1975 году и на острове Реюньон (Индийский океан) в 1997 году.
- Аналогичным образом, первый в мире самолет без топлива, работающий на микроволновой энергии с земли, был зарегистрирован в 1987 году в Канаде.
- В 2003 году Центр летных исследований НАСА продемонстрировал модель самолета с лазерным питанием в помещении.
- В 2004 году Япония предложила беспроводную зарядку электромобилей с помощью микроволновой передачи энергии. Новая компания представила технологию беспроводной передачи энергии на выставке потребительской электроники 2007 года.
- Исследовательская группа физиков также продемонстрировала беспроводное питание лампочки мощностью 60 Вт с эффективностью 40% на расстоянии 2 м с использованием двух катушек диаметром 60 см.
- Сейчас уже серийно выпускается беспроводная зарядка для смартфонов и других устройств.
- Электромобиль Тесла и другие современные авто уже имеет встроенную беспроводную зарядку для смартфонов и не горами зарядка самого электромобиля.
Концепция беспроводной передачи энергии микроволновым излучением поясняется функциональной блок-схемой. На передающей стороне источник питания преобразует энергию в микроволны которые контролируются электронными управляемыми схемами. Передающая антенна излучает мощность равномерно через свободное пространство к антенне. На приемной стороне антенна принимает передаваемую мощность и преобразует микроволновую мощность в мощность постоянного тока. Передача осуществляется на частоте 2,45 ГГц или 5,8 ГГц. Другие варианты частот — 8,5 ГГц, 10 ГГц и 35 ГГц.
Самая высокая эффективность около 90% достигнута на частоте 2.45 ГГц.
Постоянный ток в качестве альтернативы
В качестве альтернативы электропередачи переменного тока на большое расстояние можно рассматривать ВЛ с постоянным напряжением. Такие ЛЭП обладают следующими преимуществами:
Протяженность ВЛ не влияет на мощность, при этом ее максимальное значение существенно выше, чем у ЛЭП с переменным напряжением
То есть при увеличении потребления электроэнергии (до определенного предела) можно обойтись без модернизации.
Статическую устойчивость можно не принимать во внимание.
Нет необходимости синхронизировать по частоте связанные энергосистемы.
Можно организовать передачу электроэнергии по двухпроводной или однопроводной линии, что существенно упрощает конструкцию.
Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи.
Практически отсутствует генерация реактивной мощности.. Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения
В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях
Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях.
С инверсией (процесс полностью противоположный выпрямлению) также не все просто, необходимо допиться качественных синусоидальных характеристик, что существенно увеличивает стоимость оборудования. Помимо этого следует учитывать проблемы с организацией отбора мощности и низкую рентабельность при протяженности ВЛ менее 1000-1500 км.
Откуда берется электроэнергия?
На первом этапе общего процесса энергообеспечения происходит генерация, то есть выработка электричества. Для этого используются специальные станции, которые производят энергию из других ее источников. В качестве последних может использоваться тепло, вода, солнечный свет, ветер и даже земля. В каждом случае применяются станции-генераторы, преобразующие природную или искусственно выработанную энергию в электричество. Это могут быть и традиционные атомные или тепловые электростанции, и ветряные мельницы с солнечными батареями. Для передачи электроэнергии большей части потребителей применяются всего три вида станций: АЭС, ТЭС и ГЭС. Соответственно, атомные, тепловые и гидрологические установки. На них генерируется порядка 75–85% энергии во всем мире, хотя в силу экономических и особенно экологических факторов нарастает тенденция к сокращению данного показателя. Так или иначе, именно эти основные электростанции производят энергию для дальнейшей ее передачи потребителю.
Схемы распределения
ЛЭП бывают воздушными, кабельными и кабельно-воздушными. Для увеличения надежности электрическая мощность в большинстве случаев передается несколькими путями. То есть на шины подстанции подводятся две и более линий.
Существует две схемы распределения электроэнергии 6-10 кВ:
- Магистральная, когда линия 6-10 кВ является общей для питания нескольких ТП, которые могут быть расположены на всем ее протяжении. Если при этом магистральная ЛЭП получает питание от двух разных фидеров с обеих сторон, такая схема называется кольцевой. При этом в нормальном режиме работы она питается от одного фидера и отключена от другого коммутационными аппаратами (выключателями, разъединителями);
Магистральная схема с двухсторонним питанием
- Радиальная. В этой схеме вся мощность сосредоточена в конце ЛЭП, которая предназначена для электроснабжения единственного потребителя.
Для линий напряжением 35 кВ и выше используют схемы:
- Радиальная. Мощность на ПС приходит по одноцепной или двухцепной питающей линии от одной узловой подстанции. Самая экономически выгодная схема – с одной линией, но очень ненадежная. Благодаря двухцепным ЛЭП, создается резервное питание;
- Кольцевая. Шины ПС запитываются не менее, чем двумя ЛЭП от независимых источников. При этом на питающих линиях могут существовать ответвления (отпайки), отходящие на другие ПС. Общее число отпаечных ПС должно быть не больше трех для одной ЛЭП.
Важно! Кольцевую сеть питают не меньше двух узловых подстанций, размещенных, как правило, на значительном расстоянии друг от друга
История
Первые генераторы строили рядом с потребителями энергии. Они были маломощными и предназначались только для электроснабжения отдельного здания или городского квартала. Но затем пришли к выводу, что гораздо выгоднее возводить крупные станции в районах концентрации ресурсов. Это мощные ГЭС – на реках, крупные ТЭС – рядом с угольными бассейнами. Для этого нужна передача электроэнергии на расстояние.
Начальные попытки построить передающие линии столкнулись с тем, что при соединении генератора с приемниками электроэнергии длинным кабелем мощность к концу передающей линии сильно снижалась из-за огромных потерь на нагрев. Необходимо было использовать кабели с большей площадью сечения, что делало их значительно более дорогими, или повышать напряжение, чтобы уменьшить силу тока.
После опытов с передачей постоянного и однофазного переменного тока с помощью линий повышенного напряжения потери оставались слишком высокими – на уровне 75%. И только когда Доливо-Добровольский разработал систему трехфазного тока, был сделан прорыв в передаче электроэнергии: добились снижения потерь до 20%.
Важно! Сейчас подавляющее большинство линий электропередачи использует трехфазный переменный ток, хотя идет развитие и ЛЭП на постоянном токе
Трансформатор. Передача Электроэнергии
Трансформатор
— это устройство для повышения или понижения переменного напряжения. Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, одна из которых называетсяпервичной , а другая —вторичной . Обмотки трансформатора расположены на общем сердечнике из электротехнической стали; обычно он изготовляется наборным из листов для уменьшения потерь на вихревые токи.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Когда на первичную обмотку подается переменное напряжение, возникающий в результате этого переменный магнитный поток возбуждает во вторичной обмотке (катушке) переменное напряжение той же частоты. Однако напряжение на обмотках будет различным в зависимости от числа витков в каждой из них.
Согласно закону Фарадея, ЭДС индукции на вторичной обмотке равна
1;
11
Разделив эти выражения одно на другое, получим:
Это уравнение трансформатора, показывающее, как напряжение на вторичной обмотке связано с напряжением на первичной обмотке. Если n2>n1; то трансформатор повышающий, если n2l, то — понижающий.
Из закона сохранения энергии следует, что выходная мощность трансформатора не может превышать его входную мощность.
Грамотно сконструированный трансформатор может иметь КПД порядка 99%; столь низки потери энергии в нем. Таким образом, выходная мощность трансформатора практически равна входной, и, поскольку мощность равна р = IU, имеем:
Трансформатор может работать только на переменном токе.
Трансформаторы играют важную роль в передаче энергии на расстояние. Электростанции часто располагаются далеко от промышленных городов, гидроэлектростанции строятся на больших реках, для атомных электростанций требуется большое количество охлаждающей воды, тепловые электростанции тоже часто строят вдали от городов, чтобы уменьшить загрязнение воздуха.
В любом случае электроэнергию часто приходится передавать на большие расстояния, и в линиях электропередачи всегда неизбежны потери энергии.
Потери энергии можно уменьшить, если использовать в линиях электропередачи высокое напряжение.
Чем выше напряжение, тем меньше сила тока, и тем меньшая доля мощности теряется в линии электропередачи.
Рассмотрим следующую задачу: поселок потребляет электрическую мощность в среднем 120 кВт от электростанции, расположенной в 10 км. Полное сопротивление линии электропередачи равно 0,40 Ом. Следует определить потери мощности при напряжении на линии: а) 240 В; б) 24 000 В.
Решение
а) Если передать мощность 120 кВт при напряжении 240 В, то сила тока в линии составит
Потери мощности в линии достигнут
Свыше 80% общей мощности будет теряться в линии выделяться в виде тепла. то] б) При U = 24 000 В,
Потери мощности составят:
Меньше 1% общей мощности будет теряться в линии, если энергию передавать высоким напряжением.
История развития
Развитие дистанционной беспроводной передачи электроэнергии связано с достижениями радиотехники, поскольку оба процесса имеют одинаковую природу. Изобретения в обеих областях связаны с исследованием метода электромагнитной индукции и ее влияния на генерацию электрического тока.
Утром 1820 года Ампер открыл закон взаимодействия токов, который заключался в том, что если ток течет в одном направлении по двум близко расположенным проводникам, то они притягиваются друг к другу, а если в разных — отталкиваются.
М. Фарадей в 1831 году установил в процессе проведения экспериментов, что переменное магнитное поле (которое со временем меняет размер и направление), создаваемое протеканием электрического тока, индуцирует (индуцирует) токи в соседних проводниках. У тех есть беспроводная передача электроэнергии. Мы подробно рассмотрели закон Фарадея в предыдущей статье.
Итак, Дж. К. Максвелл через 33 года, в 1864 году, перевел экспериментальные данные Фарадея в математическую форму, те же уравнения Максвелла являются фундаментальными в электродинамике. Они описывают, как связаны электрический ток и электромагнитное поле.
Существование электромагнитных волн было подтверждено в 1888 г. Г. Герцем в ходе его экспериментов с искровым излучателем с переключателем на катушке Румкорфа. Таким образом создавались электромагнитные волны с частотой до половины гигагерца. Стоит отметить, что эти волны могли быть приняты несколькими приемниками, но они должны быть настроены в резонанс с передатчиком. Дальность действия завода была порядка 3 метров. Когда в передатчике возникла искра, такая же искра возникла в приемниках. Фактически, это первые эксперименты по беспроводной передаче электроэнергии.
Известный ученый Никола Тесла провел обширные исследования. Он изучал переменный ток высокого напряжения и частоты в 1891 году. В результате были сделаны следующие выводы:
Для каждой конкретной цели установка должна быть настроена на соответствующую частоту и напряжение. В этом случае высокая частота не является обязательным условием. Наилучшие результаты были получены при частоте 15-20 кГц и напряжении передатчика 20 кВ. Колебательный разряд конденсатора использовался для получения тока высокой частоты и напряжения. Таким образом, можно передавать как электричество, так и производить свет.
Во время своих выступлений и лекций ученый демонстрировал свечение ламп (электронных ламп) под действием высокочастотного электростатического поля. Фактически, основные выводы Теслы заключались в том, что даже в случае использования резонансных систем невозможно передать много энергии с помощью электромагнитной волны.
Параллельно подобными исследованиями до 1897 года занимались ряд ученых: Джагдиш Боче в Индии, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии.
Каждый из них внес свой вклад в развитие беспроводной передачи энергии:
- Дж. Бош в 1894 году зажег порох, передавая электричество на расстояние без проводов. Он сделал это во время демонстрации в Калькутте.
- А. Попов 25 апреля (7 мая) 1895 г с помощью азбуки Морзе передал первое сообщение. В России сегодня, 7 мая, по-прежнему День радио.
- В 1896 г. Г. Маркони в Великобритании также передал радиосигнал (азбука Морзе) на расстояние 1,5 км, а затем и 3 км над равниной Солсбери.
Стоит отметить, что работы Теслы, недооцененные в свое время и утерянные на века, по параметрам и мощности превзошли работы его современников. В то же время, именно в 1896 году его устройства передавали сигнал на большие расстояния (48 км), но, к сожалению, это было небольшое количество электричества.
И в 1899 году Тесла пришел к выводу:
Несостоятельность индукционного метода кажется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха.
Этот вывод приведет к другим исследованиям: в 1900 году ему удалось запитать лампу от катушки, проведенной в полевых условиях, а в 1903 году была запущена башня Вандерклифф на Лонг-Айленде. Он состоял из трансформатора с заземленной вторичной обмоткой и сферического медного купола наверху. С его помощью оказалось, что зажгли 200 ламп по 50 ватт. При этом передатчик находился в 40 км от него. К сожалению, эти исследования были остановлены, финансирование приостановлено, а бесплатная беспроводная передача электроэнергии оказалась экономически невыгодной для деловых людей. Башня была разрушена в 1917 году.
Беспроводная передача электроэнергии, первые опыты
В 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Его искровой передатчик с прерывателем на основе катушки Румкорфа мог производить электромагнитные волны частотой до 0,5 гигагерц. Которые могли быть приняты несколькими приемниками, настроенными в резонанс с передатчиком.
Генрих Герц и его творение
Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках. Так были проведены первые опыты по беспроводной передаче электрической энергии с помощью электромагнитных волн.
В 1891 году Никола Тесла, занимаясь исследованием переменных токов высокого напряжения и высокой частоты, приходит к выводу, что крайне важно для конкретных целей подбирать как длину волны, так и рабочее напряжение передатчика, и совсем не обязательно делать частоту слишком высокой. Ученый отмечает, что нижняя граница частот и напряжений, при которых ему на тот момент удалось добиться наилучших результатов, — от 15000 до 20000 колебаний в секунду при потенциале от 20000 вольт. Советуем изучить Удельное сопротивление меди
Советуем изучить Удельное сопротивление меди
Никола Тесла
Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора. Он заметил, что данный вид электрического передатчика пригоден как для производства света, так и для передачи электроэнергии для производства света.
В период с 1891 по 1894 годы ученый многократно демонстрирует беспроводную передачу, и свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле. При этом отмечая, что энергия электростатического поля поглощается лампой, преобразуясь в свет. А энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет. Даже применяя резонанс при передаче с помощью электромагнитной волны, значительного количества электрической энергии передать не удастся, утверждал ученый. Его целью в этот период работы была передача именно большого количества электрической энергии беспроводным способом.
Вплоть до 1897 года, параллельно с работой Тесла, исследования электромагнитных волн ведут: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России, и Гульельмо Маркони в Италии.
Вслед за публичными лекциями Тесла, Джагдиш Боше выступает в ноябре 1894 года в Калькутте с демонстрацией беспроводной передачи электричества, там он зажигает порох, передав электрическую энергию на расстояние.
После Боше, а именно 25 апреля 1895 года, Александр Попов, используя азбуку Морзе, передал первое радиосообщение, и эта дата (7 мая по новому стилю) отмечается теперь ежегодно в России как «День Радио».
В 1896 году Маркони, приехав в Великобританию, продемонстрировал свой аппарат, передав с помощью азбуки Морзе сигнал на расстояние 1,5 километра с крыши здания почтамта в Лондоне на другое здание. После этого он усовершенствовал свое изобретение и сумел передать сигнал по Солсберийской равнине уже на расстояние 3 километра.
