§ 62. Передача электрической энергии

ПРОБЛЕМА ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ

Крупные электрические станции всегда строят там, где есть доступ к мощным источникам первичной энергии:

• мощные ГЭС возводят на полноводных сибирских и волжских реках;
• крупные ТЭС сооружают непосредственно возле угольных разрезов или магистральных газопроводов;
• АЭС размещают возле обширных водоёмов для охлаждения контуров.

В то же время основные потребители энергии — промышленные мегаполисы, заводы и фабрики — удалены от мест генерации на сотни и тысячи километров. Линии, связывающие электростанции с потребителями, называют линиями электропередачи (ЛЭП).

При движении электрического тока по металлическим проводам ЛЭП часть передаваемой энергии неизбежно превращается во внутреннюю энергию проводников (нагревание проводов) и безвозвратно рассеивается в окружающей атмосфере:

Чем дальше потребитель находится от электростанции, тем больше тепла $Q$ теряется в проводах и тем меньшая доля выработанной энергии доходит до городов. Снижение этих потерь — важнейшая научно-техническая и экономическая задача.

ФИЗИКА ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ: ЗАКОН ДЖОУЛЯ — ЛЕНЦА

Количество теплоты $Q$, выделяющееся в проводах линии передачи за время $t$, подчиняется фундаментальному закону Джоуля — Ленца:

Анализ формулы показывает, что снизить бесполезные потери энергии можно только двумя путями:

1. Уменьшением электрического сопротивления проводов $R$:

Сопротивление линии рассчитывается как $R = \rho \cdot \frac{l}{S}$. Провода ЛЭП изготавливают из алюминия и меди — металлов с наименьшим удельным сопротивлением $\rho$. Однако бесконечно увеличивать площадь сечения проводов $S$ (делать их толще) невозможно: это вызовет колоссальный перерасход дорогостоящих цветных металлов, а тяжёлые многотонные провода просто оборвут опоры ЛЭП.

1. Уменьшением силы тока $I$ в проводах ЛЭП:

Это решающий физический фактор! Обратите внимание: потери тепла зависят от силы тока квадратично ($Q \sim I^2$). Это означает, что если мы уменьшим силу тока в линии всего в 10 раз, тепловые потери сократятся в $10^2 = 100$ раз! А если снизить ток в 100 раз, потери тепла упадут в $100^2 = 10\ 000$ раз!

КАК СНИЗИТЬ ТОК, НЕ ТЕРЯЯ МОЩНОСТЬ: ПОВЫШЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Передаваемая потребителям электрическая мощность постоянного и переменного тока выражается формулой:

Чтобы передавать гигантскую полезную мощность электростанции $P$ при минимальной силе тока $I$, необходимо во столько же раз повысить напряжение $U$!

Передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно исключительно под колоссальным напряжением в сотни тысяч вольт. Однако генераторы электростанций технически не могут вырабатывать сотни тысяч вольт (из-за пробоя изоляции обмоток), а бытовые приборы в квартирах требуют безопасных 220 В.

Для решения этой проблемы требовалось устройство, способное легко и с минимальными потерями повышать и понижать переменное напряжение. Таким устройством стал трансформатор.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Трансформатор был изобретён в 1876 году выдающимся русским учёным и изобретателем Павлом Николаевичем Яблочковым (1847–1894) (автором знаменитой электрической дуговой «свечи Яблочкова»), а в 1882 году детально исследован и усовершенствован русским физиком И. Ф. Усагиным.

Трансформатор состоит из двух основных элементов (рис. 176):

1. Замкнутый стальной сердечник:

Набран из тонких пластин магнитомягкой электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком (для предотвращения вихревых токов Фуко и устранения нагрева).

1. Две изолированные обмотки:
   • Первичная обмотка с числом витков $N_1$, подключаемая к источнику переменного напряжения $U_1$.
   • Вторичная обмотка с числом витков $N_2$, к которой подключается нагрузка (потребители) с напряжением $U_2$.

Физический принцип работы:

При протекании по первичной обмотке переменного тока в стальном сердечнике возникает непрерывно меняющийся замкнутый магнитный поток. Пронизывая витки вторичной обмотки, этот переменный поток возбуждает в ней явление электромагнитной индукции, создавая переменное напряжение $U_2$.

Связь между напряжениями и числом витков описывается формулой:

• Повышающий трансформатор ($N_2 > N_1$): вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, поэтому выходное напряжение выше входного ($U_2 > U_1$).
• Понижающий трансформатор ($N_2 < N_1$): вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная, поэтому выходное напряжение ниже входного ($U_2 < U_1$).

КПД современных мощных силовых трансформаторов чрезвычайно высок и достигает 98–99%.

СХЕМА СОВРЕМЕННОЙ ЕДИНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ

Передача электрической энергии в масштабах страны осуществляется по строгой ступенчатой схеме (рис. 177):

1. Генераторы электростанции: вырабатывают переменный ток напряжением обычно 12–25 кВ.
2. Повышающая трансформаторная подстанция: расположена непосредственно на территории электростанции. Мощные повышающие трансформаторы поднимают напряжение до 110, 220, 400 или 750 кВ (сотни тысяч вольт!).
3. Высоковольтная ЛЭП: ток сверхвысокого напряжения передаётся по проводам на сотни и тысячи километров с ничтожно малыми потерями на нагревание.
4. Городская понижающая подстанция: на въезде в промышленный район понижает напряжение до 10–35 кВ для заводских распределительных сетей.
5. Районные трансформаторные будки: понижают напряжение до стандартных трёхфазных 380 В и однофазных бытовых 220 В, которые безопасно подаются в жилые дома.
6. Бытовые трансформаторы: миниатюрные трансформаторные блоки внутри блоков питания заряжают телефоны (понижая 220 В до 5–9 В) и питают электронику.

ИСТОРИЧЕСКИЙ ВКЛАД РОССИЙСКИХ УЧЁНЫХ

Отечественная физическая школа внесла решающий вклад в создание мировой электроэнергетики:

• Ф. А. Пироцкий (1874 г.): впервые в мире осуществил передачу электроэнергии мощностью 6 кВт на расстояние около 1 км на Волковом поле в Санкт-Петербурге, используя рельсы железнодорожного полотна.
• Д. А. Лачинов (1880 г.): профессор Лесного института в Петербурге в статье «Электромеханическая работа» впервые в мире теоретически доказал, что для передачи энергии на большие расстояния без чудовищных потерь необходимо повышать напряжение до многих тысяч вольт.
• М. О. Доливо-Добровольский (1889–1891 гг.): разработал комплексную трёхфазную систему переменного тока, изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель и трёхфазный трансформатор. В 1891 году на электротехнической выставке во Франкфурте Доливо-Добровольский продемонстрировал передачу 300 кВт трёхфазного тока на рекордное расстояние 175 км с фантастическим для того времени КПД 75%, окончательно решив проблему передачи энергии в мировом масштабе.