§ 165. Централизованное производство и распределение электрической энергии.

В 70-х годах прошлого века были в основном разработаны конструкции генераторов электрического тока, с которыми мы познакомимся в гл. XVIII. Это дало возможность преобразовывать тепловую энергию паровых машин или энергию падающей воды в электрическую энергию в масштабах, ранее неслыханных.

Однако возможность получения электрической энергии в больших количествах сразу же поставила перед техникой другую очень важную и принципиально совершенно новую задачу, именно задачу транспортирования энергии, передачи ее из одного места в другое. До изобретения электрических генераторов эта задача не возникала, потому что она была совершенно неразрешимой. В самом деле, если мы имеем водяной или ветряной двигатель или паровую машину, то мы можем передать его механическую энергию только станку, находящемуся в непосредственной близости от двигателя. Эта передача с помощью валов, зубчатых колес, ременных трансмиссий и т. п. сравнительно легко осуществляется на расстояние до нескольких десятков или, в крайнем случае, сотен метров, но нельзя представить себе, чтобы с помощью таких устройств можно было передавать энергию на расстояние нескольких километров или десятков километров.

Энергию же электрического тока можно передавать по проводам на расстояние до нескольких тысяч километров. Поэтому, как только были созданы первые удовлетворительные модели электрических генераторов, перед техникой возникла проблема централизованного производства энергии и ее передачи по проводам на большое расстояние. Такая постановка задачи – производство энергии в одном месте и потребление ее в другом – является одной из важнейших принципиальных особенностей энергетики, основанной на использовании электрической энергии.

Подавляющая часть получаемой в СССР электрической энергии, являющейся энергетической базой всей промышленности, производится на электростанциях, мощность которых измеряется сотнями тысяч и миллионами киловатт. Станции эти располагаются либо там, где имеются большие запасы водной энергии (на Днепре, Волге, Ангаре и других полноводных реках), либо там, где есть большие запасы дешевого топлива. Дешевая энергия этих станций распределяется по проводным сетям на огромные расстояния и потребляется часто в местах, отстоящих от станции на сотни и тысячи километров. При этом большое число мощных станций объединяются в одну энергетическую систему, например Мосэнерго, Ленинградэнерго, Укрэнерго и т. д., и совместно снабжают энергией потребителей огромного района. Завершаются работы по объединению в единую систему всех крупных электростанций СССР.

При таких условиях совершенно исключительное значение приобретает задача возможного уменьшения потерь в проводах (§ 52). Важнейшим шагом в решении этой фундаментальной электротехнической задачи явилось выяснение вопроса о возможности значительного уменьшения потерь путем повышения напряжения, под которым передается ток. К этому выводу впервые пришел русский электротехник Д. А. Лачинов, опубликовавший соответствующее исследование в 1880 г. С таким же заключением выступил французский исследователь Ж. Депре, который в 1882 г. осуществил первую передачу электроэнергии значительной мощности по телеграфным проводам на расстояние 57 км.

Для лучшего уяснения идеи Лачинова и Депре рассмотрим числовой пример.

Положим, что мы имеем в одном месте генератор с мощностью 1000 кВт и передаем его энергию в другое место. Сравним потери, связанные с ее передачей в двух случаях: когда напряжение, даваемое генератором, равно 5 и 50 кВ. В первом случае ток, даваемый генератором, должен равняться 200 А (так как ), во втором – 20 А (так как ).

Пусть для передачи служит линия проводов, сопротивление которой равно 20 Ом. Какая энергия будет истрачена в этих проводах на нагревание? Потери мощности на нагревание равны [Вт]. Следовательно, в первом случае эти потери составляют , а во втором . Итак, бесполезные потери энергии составляют в первом случае 800 из 1000 кВт, т. е. достигают 80 %, а во втором – только 0,8 %. Увеличив напряжение в 10 раз, мы уменьшим бесполезные потери в 100 раз. В этом и заключается причина того, что в современной электротехнике энергию, получаемую на электростанциях, стремятся передавать в отдаленные места под возможно более высоким напряжением.

Конечно, снизить бесполезные потери можно было бы, уменьшая , т. е. сопротивление проводов. Но для этого пришлось бы их делать более толстыми, ибо длина проводов задана расстоянием до места потребления. Понятно, что значительное увеличение сечения проводов связано с их удорожанием и, следовательно, нежелательно. Наоборот, применение высоких напряжений позволяет пользоваться тонкими проводами, т. е. проводами с большим сопротивлением, но зато гораздо более дешевыми.

Однако строить генераторы с напряжением сотни тысяч вольт крайне затруднительно хотя бы потому, что изоляция машин не выдерживает таких напряжений. Кроме того, нельзя столь высокие напряжения непосредственно подавать потребителю.

Единственный возможный выход заключается в том, чтобы на электрической станции повышать напряжение, даваемое генератором, передавать энергию под этим высоким напряжением в место потребления и здесь снова понижать напряжение до нужных пределов. Осуществить такое преобразование напряжений для постоянного тока чрезвычайно трудно. Напротив, для переменного тока такое преобразование осуществляется с помощью трансформатора легко и с очень малыми потерями энергии.

Мощные электрические станции вырабатывают электрическую энергию при переменном напряжении 6-20 кВ и частоте 50 Гц. Эта энергия подается в повышающие трансформаторы и попадает в линии передачи под напряжением сотни киловольт. По линиям передачи энергия распределяется к местам потребления. Здесь ток принимается прежде всего на главную подстанцию, где с помощью трансформаторов напряжение его снижается обычно до 35 кВ. Под этим напряжением ток попадает в провода районной распределительной сети, соединяющей главную понижающую подстанцию со сравнительно близко расположенными местами потребления. В каждом таком месте устанавливаются вторичные понижающие подстанции, т. е. трансформаторы, снижающие напряжение до 3, 6 или 10 кВ. Отсюда по проводам местной распределительной сети ток попадает в многочисленные трансформаторные пункты, находящиеся на отдельных заводах или обслуживающие небольшую группу домов, а иногда и один большой дом. Тут напряжение снижается до 127, 220 или 380 В и под этим низким напряжением энергия подводится в отдельные квартиры, к станкам и т. п. по так называемой внутренней сети. Схема такого распределения тока показана на рис. 314.

Рис. 314. Схема передачи тока от электростанции до потребителя и распределения его между потребителями

В настоящее время электрическая энергия передается почти исключительно в виде переменного тока высокого напряжения. Расчет показывает, однако, что передача ее в виде постоянного тока высокого напряжения была бы гораздо выгоднее, так как требовала бы проводов с сечением, а следовательно, и массой, в 1,5 раза меньшими; при дальних передачах (на тысячи километров) это весьма существенно. Использование постоянного тока вместо переменного тормозится тем, что до сих пор не найден способ получения мощных постоянных токов высокого напряжения и не существует простых приемов трансформации напряжения постоянного тока. Это одна из важнейших задач, стоящих перед техникой.

165.1. Электростанция мощности 5000 кВт передает энергию по двум медным проводам заводу, находящемуся на расстоянии 25 км. Потеря в проводах должна составить 2 % от передаваемой мощности. Рассчитайте сечение проводов для случаев, когда энергия передается: а) под напряжением 50 кВ; б) под напряжением 100 кВ. Какова будет масса проводов в том и другом случае? Плотность меди равна .