Як і будь-який вид енергії, електрична є силою, що повідомляється різними предметамиодин одному. Отримання та передача електроенергії стала основним рушійним фактором розвитку виробництва. Особливо актуальним є таке переміщення на великі відстані. Розробляється можливість перекидання енергетичного потоку без проводів, що створює великі перспективи у майбутньому.
Перш ніж розпочати процес передачі електроенергії споживачеві, необхідно її отримати. Цим питанням займаються електростанції, яких є кілька видів:
Також є можливість вироблення електрики за допомогою сонячних променів або сили вітру. У цих місцях починається генерація енергії, яка продовжує свій рух до споживача. Територія будь-якої станції закрита для сторонніх. Нею не дозволяється ходити без пропуску.
Подальша передача електричної енергії ведеться мережами. Вони є комплексом устаткування, що відповідає за розподіл і постачання електрики споживачеві. Їх існує кілька різновидів:
Актуальність передачі електроенергії на відстань обумовлюється тим, що електростанції мають потужне обладнання, що дає на виході великі показники. Споживачі її малопотужні і розкидані на великій території. Будівництво найбільшого терміналу коштує дорого, тому спостерігається тенденція до концентрації потужностей. Це суттєво знижує витрати. Крім того, значення має місце розміщення. Включається низка факторів: близькість до ресурсів, вартість транспортування та можливість роботи в єдиній енергетичній системі.
Щоб зрозуміти, як здійснюється передача електроенергії на великі відстані, слід знати, що лінії електропередач бувають постійною змінного струму. Головна характеристика – це їхня пропускна здатність. Втрати спостерігаються у процесі нагрівання проводів чи дальності відстані. Передача здійснюється за такою схемою:
В даний час більше віддається перевага передачі електроенергії постійним струмом. Це пов'язано з тим, що всі процеси, що відбуваються всередині, не носять хвильовий характер. Це значно полегшує транспортування енергії.
До переваг передачі постійного струму належить:
Серед недоліків – неможливість встановлення відгалужень від основної ЛЕП. Пов'язано це з тим, що у цих місцях потрібен монтаж перетворювачів, які коштують дуже дорого. Крім того, створення вимикачів високої напруги. Технічно це викликає великі труднощі.
До переваг транспортування змінного струму відноситься легкість його трансформації. Здійснюється це за допомогою приладів – трансформаторів, які не відрізняються складністю у виготовленні. Конструкція електродвигунів такого струму значно простіша. Технологія дозволяє формувати лінії у єдину енергосистему. Цьому сприяє можливість створення вимикачів у місці будівництва відгалужень.
Передача енергії на відстань має першорядне значення всім структур. Не завжди енергетичні комплекси знаходяться близько, а електрики потребують скрізь. Без нього не обійдеться ані промисловість, ані громадські заклади, ані приватний сектор.
Відомо, що великі теплоелектростанції будують поблизу вугільних родовищ або великих газопроводів, гідроелектростанції зводять на великих річках, а атомні електростанції - не ближче ніж 30-50 км від великих міст, де розташовані основні споживачі електроенергії. Іншими словами, електроенергія виробляється далеко від місць її споживання. Отже, вона має бути передана до місць її споживання, навіщо служать лінії електропередачі (ЛЕП).
А чи знаєте ви, що при типовій потужності генератора електростанції 500 МВт та напрузі 10 кВ сила струму у дротах становить 50 тисяч ампер? Такий струм, згідно із законом Джоуля-Ленца, при опорі лінії електропередачі всього 1 Ом щомиті виділятиме стільки ж теплоти, скільки мільйон електрочайників, включених одночасно!
За законом Джоуля-Ленца Q = I2Rt є дві можливості зниження втрат електроенергії: зменшити опір лінії електропередачі (R) чи зменшити у ній силу струму (I).
Розглянемо першу нагоду. Для зменшення опору потрібно або зменшити довжину проводів (і енергія не дійде до споживача), або збільшити їх товщину (і вони стануть важкими і можуть обломити опори). Як бачите, перша можливість нездійсненна на практиці.
Розглянемо тепер другу можливість. При вивченні трансформатора (див. § 10-з) ми відзначили, що трансформатор підвищує напругу, одночасно знижуючи силу струму в таку кількість разів. Тому, перш ніж струм від генератора потрапляє в лінію електропередачі, він трансформується (перетворюється) на струм високої напруги. Підвищивши напругу з 10 кВ до 1000 кВ, тобто в 100 разів, ми в таку кількість разів знизимо силу струму. Відповідно до закону Джоуля-Ленца, кількість теплоти, яка марно виділяється у проводах, зменшиться в 100-100 разів, тобто відразу в 10 000 разів.
На малюнку на попередній сторінці показано, що електроенергія, вироблена генератором 1, по товстих дротах 2 надходить на трансформатор 3. Після підвищення напруги струм передається споживачам по порівняно тонких дротах 4. Для цього використовують спеціальні міцні опори 5 з гірляндами ізоляторів 6. 
Коли електроенергія доходить проводам 4 до місця споживання, застосовують понижуючий трансформатор 7, від якого енергія надходить до споживачів 9. Енергія може надходити і до інших трансформаторів, що знижує напругу ще сильніше. 
Як правило, енергія, що подається в місто по високовольтній лінії, проходить через три-чотири понижуючі трансформатори. Вони знижують напругу каскадно, щоб виходили різні напруги, необхідні як промисловим, і побутовим споживачам. Це умовно показано на схемі.
Необхідність спорудження ЛЕП пояснюється виробленням електроенергії переважно великих електростанціях, віддалених від споживачів - щодо дрібних приймачів, розподілених на великих територіях.
Електростанції розміщуються з урахуванням сукупного впливу великої кількості факторів: наявності енергоресурсів, їх видів та запасів; можливості транспортування; перспектив споживання енергії у тому чи іншому районі тощо. Передача електричної енергії на відстань дає ряд переваг, дозволяючи:
Застосовувати віддалені джерела енергії;
зменшувати сумарну резервну потужність генераторів;
Використовувати розбіжність часу різних географічних широтах, у якому не збігаються максимуми розташованих у яких навантажень;
Більше повно використовувати потужності ГЕС;
Збільшувати надійність електропостачання споживачів тощо.
ЛЕП, призначені розподілу електроенергії між окремими споживачами у певному районі й у зв'язку енергосистем, можуть виконуватися як у великі, і на малі відстані і призначатися передачі потужностей різних величин. Для далеких передач велике значеннямає пропускна здатність, Т. е. та найбільша потужність, яку можна передавати по ЛЕП з урахуванням всіх обмежувальних факторів.
Для повітряних ЛЕП змінного струму можна наближено вважати, що максимальна потужність, яку вони можуть передати, приблизно пропорційна квадрату напруги і обернено пропорційна довжині передачі. Вартість споруди також дуже грубо можна прийняти пропорційною величиною напруги. Тому у розвитку передач електричної енергії на відстань спостерігається тенденція до збільшення напруги як головного засобу підвищення пропускної спроможності. З часу створення перших ЛЕП напруга підвищувалась у 1,5-2 рази приблизно кожні 10-15 років. Зростання напруги давало можливість збільшувати протяжності ЛЕП і потужності, що передаються. Так, у 20-ті роки ХХ століття електроенергія передавалася на максимальні відстані близько 100 км. До 30-х років ці відстані збільшилися до 400 км, а 60-ті роки довжина ЛЕП досягла 1000-1200 км (наприклад, електропередача Волгоград - Москва).
Підвищення пропускної здатності ЛЕП досягається в основному за рахунок збільшення напруги, проте істотне значення має також зміна конструкції ЛЕП, введення різних додаткових компенсуючих пристроїв, при яких вплив параметрів, що обмежують потужність, що передається, виявляється зменшеним. Наприклад, на ЛЕП напругою 330 кВ і вище розщеплюють дроти в кожній фазі на кілька електрично пов'язаних між собою провідників, при цьому істотно покращуються параметри ліній (зменшується її реактивний опір); застосовують так звану послідовну компенсацію - включення до лінії конденсаторів тощо.
Можливості подальшого підвищення граничних потужностей вимагають збільшення напруги та зміни конструкції ЛЕП. Вони пов'язані із загальним технічним прогресом, зокрема з успіхами у напівпровідниковій техніці, зі створенням досконалих матеріалів, з розробками нових видів передачі енергії.
При спорудженні ЛЕП постійного струму, що мають великі граничні потужності, необхідно здійснювати пряме перетворення змінного струму на постійний на початку лінії та зворотне перетворення постійного струму на змінний наприкінці лінії, що викликає певні труднощі технічного та економічного характеру.
Існує важлива можливість бездротової ЛЕП за допомогою електромагнітних хвиль або високочастотних коливань, що спрямовуються хвилеводами. Проте практична реалізація цих ЛЕП у промисловості нині неприйнятна через низьку їх ефективність.
Для передачі електричної енергії можуть використовуватися надпровідні лінії, в яких може бути значно знижена напруга. Ефект, близький до надпровідності, досягається глибоким охолодженням провідників. І тут ЛЕП називають криогенными. Це питання має історію. Ще в 1911 р. голландський фізик Г. Камерлінг-Оннес встановив, що при охолодженні ртуті до температури нижче 4 К її електричний опір зовсім зникає. Воно стрибком виникає знову у разі підвищення температури понад критичного значення. Це явище назвали надпровідністю.Зрозуміло, що якби такі матеріали отримали енергетики, вони замінили б ними звичайні провідники, ЛЕП доставляли б без втрат енергію у величезних кількостях на наддалекі відстані. Вдалося б помітно підвищити к. п. д. потужних енергоємних пристроїв (електромагнітів, трансформаторів, електромашин), уникнути багатьох труднощів, пов'язаних із перегріванням, розплавленням, руйнуванням деталей.
Усе це, проте, залишалося лише мріями, хоча у самому явищі сумніватися не доводилося. Надпровідників було виявлено чимало. У періодичній системі ними виявилося 28 елементів. Але, найвища критична температура, що належить ніобію не перевищувала 10 К. Можливості надпровідності, таким чином, різко обмежували дорожнечу і складність установок, що підтримують наднизькі температури. Сплави молібдену з технецієм просунули критичну температуру до 14 К. Далі вдалося отримати з'єднання ніобію, алюмінію та германію з критичною температурою 21 К. Для кількох сотень надпровідних речовин, відомих сьогодні, це рекордна цифра.
Практичні дослідження показали, що зі зростанням критичної температури кількість надпровідників різко зменшується. Деякі фахівці навіть вважали, що вирватися з полону низьких температур не вдасться. Десь близько 25 К лежить найвища можлива критична температура.
Після експериментального відкриття надпровідності фізики-теоретики довго намагалися осягнути суть незрозумілого явища. І лише через півстоліття, 1957 р., з'явилася перша серйозна теорія надпровідності. За нею пішли інші. Вони несли багато незвичайного. Так, наприклад, згідно з створеною теорією, електрони надпровідника всупереч відомому закону Кулона, що наказує всім однойменно зарядженим частинкам взаємно відштовхуватися, навпаки, притягуються, об'єднуються в пари. Було відзначено, що надпровідниками можуть бути не тільки метали, сплави, а й... органічні речовини. Одним із найістотніших висновків теорії був наступний. Металевий водень через свої виняткові особливості- у вузлах кристалічної решітки розташовані легкі протони-може мати надпровідність при порівняно високих, цілком прийнятних для практичних цілей температурах порядку 220К або-53 0 С. І ще: можливо, що процес переведення речовини з молекулярної фази в атомарну незворотний. При знятті зовнішнього тиску водень, можливо, ще тривалий час не втратить властивостей надпровідника. /
Тепер стало зрозуміло: щоб мати матеріал, що виявляє у звичайних умовах властивості надпровідності, потрібно освоїти область тисків порядку кількох сотень кілопаскаль. Величини ці, за нашими людськими масштабами, грандіозні. Вони можна порівняти хіба що з тисками в центрі Землі (там близько 300 кПа). Перед дослідниками відкрилася дорога, яка веде до мети, хоча навіть у лабораторному експерименті поки що не вдалося отримувати такого роду тиску і, зрозуміло, твердого водню - надпровідника за нормальної температури.
Альтернативою передачі на відстань електричної енергії змінним та постійним струмами від ТЕС до споживачів є перевезення палива. Порівняльний аналіз можливих варіантів енергопостачання споживачів показує, що вугілля високої калорійності (понад 4000 ккал/кг) зазвичай доцільно перевозити залізницею (за умови її існування). У багатьох випадках при використанні на електростанції природного газу та нафти виявляється кращою передача їх трубопроводами (рис. 1). При виборі способу передачі енергії на відстань необхідно враховувати великий комплекс питань, таких як посилення електричної системи при спорудженні електропередачі, електропостачання, споживачів, розташованих поблизу ліній, збільшення завантаження залізниць і т.д.
Аналізуючи розвиток енергосистем у низці країн, можна виділити дві основні тенденції:
1) наближення електричних станцій до центрів споживання у тих випадках, коли на території, що охоплюється об'єднаною енергосистемою, немає дешевих джерел енергії або коли джерела вже використані;
2) спорудження електростанцій поблизу дешевих джерел енергії та передача електроенергії до центрів її споживання.
Електропередачі, нафтопроводи та газопроводи утворюють Єдину систему енергопостачання країни. Системи електро-, нафто- та газопостачальні повинні конструюватися, споруджуватися та експлуатуватися у певній координації між собою, утворюючи Єдину енергетичну систему.
Рисунок 1 - Характеристики різних способів передачі енергії на відстань: З- Розрахункові витрати, l- Відстань; 1 - двоколійна Залізна дорога, 2 - газопроводи; 3 - нафтопроводи; 4 - електропередача від станцій, що працюють на дешевому вугіллі.
Вироблену електроенергію неможливо зберігати, її треба негайно передавати споживачам. Коли придумали оптимальний спосіб транспортування, почався бурхливий розвиток електроенергетики.
Перші генератори будували поряд із споживачами енергії. Вони були малопотужними та призначалися лише для електропостачання окремої будівлі чи міського кварталу. Але потім дійшли висновку, що набагато вигідніше зводити великі станції у районах концентрації ресурсів. Це потужні ГЕС – на річках, великі ТЕС – поряд із вугільними басейнами. Для цього потрібна передача електроенергії на відстань.
Початкові спроби побудувати лінії передачі зіткнулися з тим, що при з'єднанні генератора з приймачами електроенергії довгим кабелем потужність до кінця лінії передачі сильно знижувалася через величезних втрат на нагрівання. Необхідно було використовувати кабелі з більшою площею перерізу, що робило їх значно дорожчими або підвищувати напругу, щоб зменшити силу струму.
Після дослідів із передачею постійного та однофазного змінного струму за допомогою ліній підвищеної напруги втрати залишалися надто високими – на рівні 75%. І тільки коли Доливо-Добровольський розробив систему трифазного струму, було зроблено прорив у передачі електроенергії: досягли зниження втрат до 20%.
Важливо!Зараз переважна більшість ліній електропередач використовує трифазний змінний струм, хоча йде розвиток і ЛЕП на постійному струмі.
У ланцюзі від виробництва енергії до її споживачами існує кілька ланок:
ЛЕП бувають повітряними, кабельними та кабельно-повітряними. Для збільшення надійності електрична потужність здебільшого передається кількома шляхами. Тобто на шини підстанції підводяться дві та більше ліній.
Існує дві схеми розподілу електроенергії 6-10 кВ:
Для ліній напругою 35 кВ та вище використовують схеми:
Важливо!Кільцеву мережу живлять щонайменше двох вузлових підстанцій, розміщених, зазвичай, значною відстані друг від друга.
Трансформаторні підстанції поруч із ЛЕП – основна складова частина енергосистеми. Вони поділяються на:
Існують ще перетворювальні ПС, але вони не належать до трансформаторних. Служать для перетворення змінного струму на постійний, а також отримання струму іншої частоти.
Основне обладнання трансформаторних ПС:
Остання ланка знижувальних підстанцій - трансформаторні пункти (ТП, КТП-комплектні, МТП-щоглові). Це невеликі пристрої, що містять 1, 2, рідше 3 трансформатора, що знижують напругу іноді з 35, частіше з 6-10 кВ до 0,4 кВ. З боку низької напруги встановлено автомати. Від них відходять лінії, які безпосередньо розподіляють електричну енергію реальним споживачам.
При передачі електричної енергії основним показником є пропускна здатність ЛЕП. Вона характеризується значенням активної потужності, що передається лінією в нормальних робочих умовах. Пропускна здатність залежить від напруги ЛЕП, її протяжності, розмірів перерізу, виду лінії (КЛ або ПЛ). При цьому натуральна потужність, яка не залежить від довжини ЛЕП, - це активна потужність, яка передається по лінії при повній компенсації реактивної складової. Практично таких умов досягти неможливо.
Важливо!Максимальна потужність, що передається, для ЛЕП напругою від 110 кВ і нижче обмежується тільки нагріванням проводів. На лініях вищої напруги враховується статична стійкість енергосистеми.
Деякі значення пропускної спроможності ПЛ при ККД = 0,9:
Не вся електроенергія, вироблена на електростанції, сягає споживача. Втрати електроенергії можуть бути:
Технології передачі електроенергії не стоять дома. Розвивається використання надпровідних кабелів, що дозволяють звести втрати практично нанівець. Бездротова передача електроенергії – вже не фантастика для заряджання мобільних пристроїв. А в Південній Кореїпрацюють над створенням бездротової системи передачі енергії для електрифікованого транспорту.
