Важность электроэнергии в современном мире невозможно переоценить, поскольку она является ключевым источником энергии для промышленной, коммерческой и бытовой деятельности. Её наличие в нужном количестве имеет ключевое значение для развития цивилизации.
За последние несколько десятилетий во всем мире наблюдается быстрый рост электросетей, а надёжное производство опор ЛЭП, в конечном итоге, привело к установке огромного количества новых линий передач и распределения. Потребность в надежном и бесперебойном снабжении электроэнергией конечных потребителей, которые очень чувствительны к перебоям в подаче электроэнергии удовлетворяется.
Назначение сети линий электропередач
Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях, которые обычно расположены далеко от центров нагрузки. Таким образом, требуется разветвленная сеть линий электропередач между электростанциями и потребителями.
Сеть проводников может быть разделена на два основных компонента, называемых системой передачи и системой распределения. Система передачи предназначена для доставки электроэнергии от электростанций к центрам нагрузки и крупным промышленным потребителям, в то время как система распределения предназначена для доставки электроэнергии от подстанций различным потребителям.
Известно, что повышению эффективности передающего компонента электроэнергетической системы препятствует ряд проблем. Основные проблемы включают применение ненадлежащих технологий, нехватку материалов, оборудования и рабочей силы.
Системы передачи электроэнергии
Системы передачи электроэнергии — это системы для доставки электроэнергии группам потребителей в виде электрических подстанций. Системы передачи электроэнергии подключены к электростанциям через трансформаторы для передачи электрической энергии от электростанций к подстанциям по всей стране.
Системы передачи электроэнергии могут осуществляться с помощью воздушных линий или подземных кабелей. Подземные системы редко используются в обычных ситуациях по двум причинам:
- мощность передается на большие расстояния к нагрузкам$
- стоимость установки подземной системы очень высока.
Для передачи мощности на большие расстояния обычно используется высоковольтная система напряжением выше 110 кВ. В настоящее время, с увеличением спроса на электроэнергию, системы передачи электроэнергии эксплуатируются на сверхвысоком уровне напряжения, 230 кВ и выше. Хотя существует много типов опор или столбов, используемых для передачи электроэнергии, стальные опоры неизменно используются для передачи на большие расстояния при более высоких уровнях напряжения.
Передача и распределение
В большинстве линий низкого напряжения на опорах ЛЭП используются трехфазные проводники, образующие единую трехфазную цепь. Многие линии более высокого напряжения состоят из одной трехфазной цепи или двух трехфазных цепей, натянутых или подвешенных к одной и той же опоре и обычно называемых двухконтурными линиями. Две цепи могут быть соединены в различных конфигурациях, таких как вертикальные, горизонтальные или треугольные конфигурации.
Линия также может состоять из двух цепей, физически работающих параллельно, но на разных опорах ЛЭП. Кроме того, спроектировано несколько линий с тремя, четырьмя или даже шестью трехфазными цепями, нанизанными на одну и ту же башенную конструкцию в различных горизонтальных и /или треугольных образованиях. В дополнение к фазным проводникам, провода заземления могут быть прикреплены к верхней части опоры и обычно соединены с верхней частью заземленной опоры.
Провода заземления выполняют две важные функции: экранируют фазные проводники от прямых ударов молнии и обеспечивают низкоомный путь для тока короткого замыкания в случае пробоя от фазных проводников к конструкции опоры ЛЭП. Сама земля, по которой проходит линия, является важным дополнительным проводником с потерями, имеющим сложные и распределенные электрические характеристики. В случае высокого удельного сопротивления или заземления с потерями обычно используется противовес, то есть провод, закопанный под землей под основанием башни и подсоединенный к опорам. Это служит для снижения эффективного сопротивления опоре. Там, где металлический отвод проходит в непосредственной близости от воздушной линии, противовес также может использоваться параллельно, чтобы уменьшить наведенное напряжение на линии электропередачи.
Таким образом, практическая воздушная линия электропередачи представляет собой сложную систему опор ЛЭП и проводников, все из которых взаимно соединены не только друг с другом, но и с землей. Взаимная связь является как электромагнитной (т.е. индуктивной), так и электростатической (т.е. емкостной). Асимметричное расположение фазных проводников относительно друг друга, провода заземления и/или поверхности земли вызывает некоторый дисбаланс в фазовых сопротивлениях и, следовательно, токах и напряжениях. Это нежелательно и для того, чтобы свести к минимуму влияние дисбаланса линии. Также можно менять позиции проводников через равные промежутки времени вдоль маршрута линии, практика, известная как транспозиция. Целью этого является достижение некоторого усреднения параметров линии и, следовательно, баланса для каждой фазы. Однако на практике, чтобы избежать неудобств, затрат и задержек, большинство линий не переносятся по своим маршрутам, а перенос осуществляется там, где это физически удобно, на терминалах линий, то есть на подстанциях.
Связанные фазные проводники обычно используются на линиях электропередачи напряжением 220 кВ и выше. Они сконструированы с более чем одним проводником на фазу, разделенным через равные промежутки времени по длине пролета между двумя опорами.
Используются жгуты или пучки проводов из двух, трех, четырех, шести и восьми жил. Цель пучковых проводников состоит в том, чтобы уменьшить градиенты напряжения на поверхности проводников, поскольку пучок выглядит как эквивалентный проводник гораздо большего диаметра, чем у составных проводников. Это сводит к минимуму активные потери
благодаря коронному разряду. Применение пучков проводов помогает уменьшить генерацию шума, например, радиопомех, уменьшается при этом и индуктивное реактивное сопротивление и увеличивается емкостная восприимчивость или емкость линии. Последние два эффекта улучшают способность линии передавать энергию в устойчивом режиме
Потери в линиях передач
Из физики передачи электроэнергии, когда проводник подвергается воздействию электрической энергии (или напряжения) электрический ток в среде ослабевает.
Сопротивление производит тепло (тепловую энергию), которое рассеивается в окружающую среду. Эта потеря мощности называется омической потерей.
Кроме того, если приложенное напряжение превышает критический уровень, возникает другой тип потери мощности, называемый эффектом короны. Потери мощности накапливаются по мере уменьшения индуцированного тока и распространения коронного эффекта вдоль линий передачи.
Потери мощности могут занять значительную часть передаваемой мощности, поскольку линии электропередачи обычно простираются на большое расстояние, иногда на несколько сотен километров.
Общий эффект потерь мощности в системе заключается в уменьшении количества энергии, доступной потребителям. Точное знание потерь электроэнергии на линиях электропередачи будет полезно при планировании подачи достаточного количества электроэнергии, необходимой в электрической сети.
Одним из способов снижения потерь в процессе передачи электроэнергии по опорам ЛЭП является применение некоторых стратегий для снижения потерь. Существует минимизация потерь мощности в распределительных сетях с помощью реструктуризации фидера, внедрения распределенной генерации и метода размещения конденсаторов. Существует также алгоритм минимизации потерь с использованием оптимального энергопотребления на основе интеллекта роя. В последнее время классическая методика оптимизации применяется для выработки оптимальной стратегии, что снижает потери энергии до минимума.
Есть стратегия по передаче электрической энергии на очень низком токе с высоким рабочим напряжением, близком к критическому пробивному напряжению и существенным расстоянием между опорами ЛЭП.
