Jaké způsoby přenosu elektrické energie existují?

Přenos a rozvod elektrické energie se uskutečňuje pomocí elektrických sítí – vnitřní (prodejna) a vnější. Externí sítě se často nazývají meziobchodní sítě (napájení 3UR, 2UR a jednotlivé RP-10 kV) nebo páteřní (napájení tunely a bloky od 6UR, 5UR do 4UR). Externí sítě do 1 kV u průmyslových podniků mají omezený rozvod (hlavně sítě venkovního osvětlení).

Pokládka se provádí izolovanými a neizolovanými (holými) vodiči (hlavně nadzemní elektrické vedení). Izolované drátyse provádějí chráněné – na elektrickou izolaci je umístěn kovový nebo jiný plášť, který chrání izolaci před mechanickým poškozením. Izolované vodiče: dráty, kabely a šňůry. Holé dráty: hliníkové, měděné, ocelové přípojnice, vodiče, troleje a holé dráty.

Pro sítě se používá tvrdě tažená měď potažená tenkým oxidovým filmem, který poskytuje dobrou odolnost proti vlivu atmosférických podmínek a účinkům chemických sloučenin obsažených v průmyslových emisích. Tvrdě tažený hliník používaný pro tyto účely je také pokryt filmem, ale podléhá korozi v blízkosti moře a řady průmyslových odvětví spojených s výrobou nebo používáním kyselin. Větší elektrický odpor, horší instalační a provozní vlastnosti, ale nižší cena ve srovnání s mědí určují její rozsah použití. Ocelové vodiče musí být pozinkované (přísady do 0,4 % mědi), používají se pro nízkou cenu, pro malé zatížení (ve venkovských sítích). Přednostně se používají bimetalové, u kterých jsou ocelové dráty nesoucí mechanické zatížení na vnější straně potaženy vrstvou elektrolytické mědi nebo hliníku.

Přeprava elektřiny v napájecích systémech se provádí:

1) nadzemní vedení – zařízení pro přenos a distribuci elektřiny prostřednictvím drátů umístěných pod širým nebem a připevněných pomocí izolátorů a armatur k podpěrám nebo konzolám, stojanům na budovách a inženýrských konstrukcích (mosty, nadjezdy, nadjezdy atd.);

2) kabelová vedení – zařízení pro přenos elektřiny, sestávající z jednoho nebo více paralelních kabelů se spojovacími, zajišťovacími a koncovými spojkami (svorkami) a upevňovacími prvky;

3) vodiče – zařízení pro přenos a rozvod elektřiny, sestávající z holých nebo izolovaných vodičů a souvisejících izolátorů, ochranných plášťů, osvětlovacích zařízení, nosných nebo nosných konstrukcí;

4) elektrické vedení – soubor vodičů a kabelů s přidruženými upevněními, nosnými ochrannými konstrukcemi a díly.

Průřezy vodičů elektrických kanalizačních zařízení se volí: a) ohřevem (s přihlédnutím k normálnímu, pohavarijnímu, opravnému režimu) maximálním proudem po dobu půl hodiny; b) podle ekonomické proudové hustoty; c) podle podmínek dynamického působení a ohřevu při zkratu.

j. normalizovaná hodnota pro vytápění a ekonomickou proudovou hustotu_ekvurčuje PUE. Nevybírejte na základě ekonomické hustoty proudu: sítě průmyslových podniků a struktur do 1 kV at Т_maxaž 4000-5000; odbočky k jednotlivým elektrickým přijímačům a předřadníkům s napětím do 1 kV; osvětlovací sítě průmyslových podniků, obytných a veřejných budov; přípojnice a přípojnice pro venkovní rozváděče a 3. distribuční rozváděče všech napětí; sítě dočasných staveb, stejně jako zařízení s životností 3-5 let.

V elektrických instalacích nad 1 kV ve zkratovém režimu je třeba zkontrolovat: a) kabely a jiné vodiče, vodiče, jakož i jejich nosné a nosné konstrukce; b) nadzemní vedení se zkratovým rázovým proudem rovným 50 kA nebo větším, aby se zabránilo šlehání vodičů při dynamickém působení zkratových proudů, v elektrických instalacích pod 1 kV – pouze vodiče, rozvodnice a rozvodné skříně. Odolné vůči zkratovým proudům jsou takové prvky přenosu elektřiny, které za konstrukčních podmínek odolávají účinkům těchto proudů, aniž by podléhaly elektrickému a mechanickému poškození nebo deformaci.

Podle režimu zkratu při napětí nad 1 kV se nekontrolují následující prvky:

chráněné pojistkami s vložkami (z hlediska elektrodynamického odporu – pro jmenovitý proud vložek do 60 A a bez ohledu na to – z hlediska tepelného odporu),

v obvodech k jednotlivým přijímačům včetně dílenských transformátorů o celkovém výkonu do 2,5 MVA a s vyšším napětím do 20 kV [při současném splnění následujících podmínek: a) je zajištěn požadovaný stupeň redundance v elektrickém popř. technologická část, navržená tak, aby odstavením stanovených přijímačů nedošlo k narušení technologického procesu, b) poškození vodiče při zkratu nemůže způsobit výbuch nebo požár, c) výměnu vodiče je možná bez podstatných obtíží];

vodiči nezodpovědných jednotlivých přijímačů,

transformátory proudu a napětí za určitých podmínek

Teplota ohřevu vodičů při zkratu by neměla překročit následující maximální přípustné hodnoty °C

Elektřina není skladovací zdroj. Dosud neexistují účinné technologie, které by umožnily akumulaci energie generované generátory, takže přenos elektřiny ke spotřebitelům je naléhavým úkolem. Náklady na zdroj zahrnují náklady na jeho výrobu, ztráty během přepravy a náklady na instalaci a údržbu elektrického vedení. Současně účinnost systému napájení přímo závisí na schématu přenosu.

Vysoké napětí jako způsob snížení ztrát

Navzdory skutečnosti, že ve vnitřních sítích většiny spotřebitelů, zpravidla 220/380 V, je k nim elektřina přenášena prostřednictvím vysokonapěťových sítí a v transformátorových rozvodnách je redukována. Existují dobré důvody pro takové schéma práce, faktem je, že největší podíl na ztrátách je způsoben zahříváním vodičů.

Ztráta výkonu je popsána následujícím vzorcem: Q = I 2 * R_л ,

kde I je síla proudu procházejícího vedením, R_Л její odpor.

Na základě výše uvedeného vzorce můžeme dojít k závěru, že je možné snížit náklady snížením odporu v elektrickém vedení nebo snížením síly proudu. V prvním případě bude nutné zvětšit průřez drátu, což je nepřijatelné, protože to povede k výraznému zvýšení nákladů na vedení pro přenos energie. Při výběru druhé možnosti budete muset zvýšit napětí, to znamená, že zavedení vysokonapěťového elektrického vedení vede ke snížení ztrát výkonu.

Klasifikace elektrického vedení

V energetickém sektoru je obvyklé rozdělit elektrické vedení na typy v závislosti na následujících ukazatelích:

1. Konstrukční vlastnosti vedení provádějících přenos elektřiny. V závislosti na provedení mohou být dvou typů:

• vzduch. Přenos elektřiny se provádí pomocí drátů, které jsou zavěšeny na podpěrách. Nadzemní elektrické vedení
• Kabel. Tento způsob instalace zahrnuje pokládání kabelových vedení přímo do země nebo do inženýrských systémů speciálně navržených pro tento účel. Uspořádání blokového kabelovodu

1. Napětí. V závislosti na velikosti napětí se elektrické vedení obvykle dělí do následujících typů:

• Nízkonapěťová, sem patří všechna venkovní vedení s napětím do 1 kV.
• Střední – od 1 do 35 kV.
• Vysoké napětí – 110,0-220,0 kV.
• Ultravysoké napětí – 330,0-750,0 kV.
• Velmi vysoké napětí – více než 750 kV. Přenosové vedení velmi vysokého napětí Ekibastuz-Kokchetav 1150 kV

1. Oddělení podle druhu proudu při přenosu elektřiny, může být proměnná nebo konstantní. První možnost je běžnější, protože elektrárny jsou obvykle vybaveny alternátory. Ale pro snížení energetických ztrát zátěže, zejména při dlouhé přenosové vzdálenosti, je efektivnější druhá možnost. Jak jsou schémata přenosu elektřiny organizována v obou případech, stejně jako výhody každého z nich, budou diskutovány níže.
2. Klasifikace v závislosti na účelu. Za tímto účelem byly přijaty následující kategorie:

• Vedení od 500,0 kV pro extra dlouhé vzdálenosti. Tato nadzemní vedení propojují samostatné energetické systémy.
• Přenosová vedení pro hlavní účely (220,0-330,0 kV). Pomocí těchto vedení je přenášena elektřina vyrobená ve výkonných vodních elektrárnách, tepelných a jaderných elektrárnách a také jejich kombinace do jednoho energetického systému.
• Přenosová vedení 35-150 kV jsou rozdělovací. Slouží k zásobování elektřinou velkých průmyslových areálů, připojení okresních distribučních míst atp.
• Elektrické vedení s napětím do 20,0 kV slouží k připojení skupin spotřebitelů k elektrické síti.

Způsoby přenosu elektřiny

Existují dva způsoby přenosu elektřiny:

• způsob přímého přenosu.
• Přeměna elektřiny na jinou formu energie.

V prvním případě je elektřina přenášena vodiči, kterými jsou drát nebo vodivé médium. Tento způsob přenosu se používá v nadzemních a kabelových elektrických vedeních. Přeměna elektřiny na jinou formu energie otevírá vyhlídky na bezdrátové dodávky spotřebitelům. To umožní opustit elektrické vedení a tím i náklady spojené s jejich instalací a údržbou. Níže jsou slibné bezdrátové technologie, které se vylepšují.

Technologie bezdrátového přenosu

Bohužel v tuto chvíli jsou možnosti bezdrátového přenosu elektřiny velmi omezené, takže je předčasné hovořit o efektivní alternativě k přímému způsobu přenosu. Výzkumné práce v tomto směru nám umožňují doufat, že v blízké budoucnosti bude nalezeno řešení.

Schéma přenosu elektřiny z elektrárny ke spotřebiteli

Níže uvedený obrázek ukazuje typické obvody, z nichž první dva jsou otevřené, ostatní jsou uzavřené. Rozdíl mezi nimi je v tom, že otevřené konfigurace nejsou redundantní, to znamená, že nemají redundantní linky, které lze aktivovat, když se kriticky zvýší elektrická zátěž.

Příklad nejběžnějších konfigurací přenosových linek

Označení:

1. Radiální schéma, na jednom konci linky je elektrárna vyrábějící energii, na druhém konci – spotřebitel nebo rozvaděč.
2. Hlavní verze radiálního schématu, rozdíl od předchozí verze je přítomnost odboček mezi počátečním a konečným bodem přenosu.
3. Hlavní obvod s napájecím zdrojem na obou koncích elektrického vedení.
4. Typ konfigurace prstenu.
5. Kmen s redundantním vedením (dvojitý kmen).
6. Složitá možnost konfigurace. Podobná schémata se používají při připojování odpovědných spotřebitelů.

Nyní se podívejme podrobněji na radiální schéma pro přenos vyrobené elektřiny prostřednictvím střídavého a stejnosměrného elektrického vedení.

Rýže. 6. Schémata pro přenos elektřiny spotřebitelům při použití elektrického vedení se střídavým (A) a stejnosměrným (B) proudem

Označení:

1. Generátor, který vyrábí elektřinu se sinusovou charakteristikou.
2. Rozvodna s náběhovým třífázovým transformátorem.
3. Rozvodna s transformátorem, který snižuje napětí třífázového střídavého proudu.
4. Odbočka pro přenos elektřiny do rozváděče.
5. Usměrňovač, tedy zařízení, které přeměňuje třífázový střídavý proud na stejnosměrný proud.
6. Invertorová jednotka, jejím úkolem je vytvořit sinusové napětí z konstantního napětí.

Jak je patrné z diagramu (A), elektřina je dodávána ze zdroje energie do zvyšovacího transformátoru, poté je elektřina transportována na značné vzdálenosti pomocí nadzemního elektrického vedení. V koncovém bodě je vedení napojeno na snižovací transformátor a z něj jde do rozdělovače.

Způsob přenosu elektřiny ve formě stejnosměrného proudu (V na obr. 6) se od předchozího schématu liší přítomností dvou měničových jednotek (5 a 6).

Na závěr tématu sekce pro přehlednost uvádíme zjednodušenou verzi schématu městské sítě.

Dobrý příklad blokového schématu napájení

Označení:

1. Elektrárna, kde se vyrábí elektřina.
2. Rozvodna, která zvyšuje napětí, aby zajistila vysoce účinný přenos elektřiny na velké vzdálenosti.
3. Vedení vysokého napětí (35,0-750,0 kV).
4. Rozvodna s funkcemi snižování (výkon 6,0-10,0 kV).
5. Distribuční místo elektřiny.
6. Napájecí kabelové vedení.
7. Centrální rozvodna průmyslového objektu slouží ke snížení napětí na 0,40 kV.
8. Radiální nebo kmenové kabelové vedení.
9. Úvodní štít v dílně.
10. Okresní distribuční rozvodna.
11. Kabelové radiální nebo kmenové vedení.
12. Rozvodna, která snižuje napětí na 0,40 kV.
13. Úvodní štít obytného domu, pro připojení vnitřní elektrické sítě.

Přenos elektřiny na velké vzdálenosti

Hlavním problémem spojeným s takovým úkolem je růst ztrát s rostoucí délkou vedení pro přenos energie. Jak již bylo zmíněno výše, za účelem snížení energetických nákladů na přenos elektrické energie se síla proudu snižuje zvýšením napětí. Bohužel toto řešení přináší nové problémy, jedním z nich jsou korónové výboje.

Z hlediska ekonomické proveditelnosti by ztráty na venkovním vedení neměly přesáhnout 10 %. Níže je tabulka, která ukazuje maximální délku linek, které splňují podmínky ziskovosti.

Tabulka 1. Maximální délka vedení pro přenos energie s přihlédnutím k ziskovosti (ne více než 10 % ztrát)

Napětí VL (kV)	Délka (km)
0,40	1,0
10,0	25,0
35,0	100,0
110,0	300,0
220,0	700,0
500,0	2300,0
1150,0 *	4500,0 *

* – v současné době je venkovní vedení ultravysokého napětí přepnuto na provoz s napětím poloviny jmenovitého napětí (500,0 kV).

DC alternativa

Jako alternativu k přenosu střídavého proudu na velkou vzdálenost lze uvažovat o nadzemním vedení se stejnosměrným napětím. Takové elektrické vedení má následující výhody:

• Délka venkovního vedení nemá vliv na výkon, přičemž jeho maximální hodnota je výrazně vyšší než u elektrického vedení se střídavým napětím. To znamená, že s nárůstem spotřeby elektřiny (do určité hranice) se obejdete bez modernizace.
• Statická stabilita může být ignorována.
• Není potřeba synchronizovat přidružené napájecí systémy frekvenčně.
• Je možné organizovat přenos elektřiny prostřednictvím dvouvodičového nebo jednovodičového vedení, což značně zjednodušuje návrh.
• Menší vliv elektromagnetických vln na komunikační prostředky.
• Prakticky nedochází k výrobě jalového výkonu.

Navzdory uvedeným schopnostem stejnosměrných elektrických vedení nejsou taková vedení široce používána. To je způsobeno především vysokými náklady na zařízení potřebné k převodu sinusového napětí na stejnosměrné. Stejnosměrné generátory se s výjimkou solárních elektráren prakticky nepoužívají.

S inverzí (proces je zcela opačný k rektifikaci) také není vše jednoduché, je nutné pít vysoce kvalitní sinusové charakteristiky, což výrazně zvyšuje náklady na zařízení. Kromě toho je třeba vzít v úvahu problémy s organizací odběru výkonu a nízkou ziskovostí s délkou nadzemního vedení menší než 1000-1500 km.

Stručně o supravodivosti.

Odolnost vodičů lze výrazně snížit jejich ochlazením na ultra nízké teploty. Tím by se účinnost přenosu elektřiny dostala na kvalitativně novou úroveň a prodloužila by se délka vedení pro využití elektřiny ve velké vzdálenosti od místa její výroby. Bohužel dnes dostupné technologie neumožňují použití supravodivosti pro tyto účely z důvodu ekonomické neúčelnosti.