Многомиллионные убытки из-за потерь мощности на линиях электропередач

Представьте: электростанция — это гигантская АЗС, а провода ЛЭП — бесконечная трасса. Но в отличие от машины, где можно залить полный бак, электричество по пути «проливается» через стены проводов. Виной всему сопротивление металлов — как трение в двигателе, от которого никуда не деться.

Почему это проблема?

• Каждые 100 км ЛЭП теряют 5-10% энергии — как грузовик, растерявший часть груза по ухабам
• Государства ежегодно «доливают масла в двигатель», вкладывая миллиарды в новые линии
• Рост городов и заводов — как добавление прицепа к и без того перегруженному фуре

Физический закон: Сопротивление нельзя отменить — разве что охладить провода до -200°C, как в лабораториях с сверхпроводниками. Но это пока фантастика — примерно как заправка машины антиматерией.

Сегодня инженеры борются за каждый процент КПД: - Утолщают «дорожное полотно» — увеличивают сечение проводов - Повышают «октановое число» — растят напряжение до 750 кВ - Строят «обходные пути» — локальные подстанции ближе к потребителям

Но факт остаётся: чтобы в вашей розетке было 220В, электростанция «заливает» 230В. Разница — плата за «логистику» энергии в мире, где каждый новый смартфон или электромобиль добавляет груза в этот бесконечный энергопоезд.

Где и насколько происходят потери?

Задачей энергетиков является не только обеспечение своих потребителей электроэнергией, а и максимально возможное сокращение потерь на ЛЭП, поскольку данные потери имеют достаточно большое значение. Чем меньше величина напряжения на линии, тем больше процентов потерь. Так, для низковольтных линий (220 В – бытовая электросеть), процент потерь составляет около 6%. Потери происходят и на трансформаторах (около 3%). То есть, если от трансформатора мощностью 100 кВт подаётся ток напряжением 220 В для обеспечения жилого дома (к примеру, включающим 100 квартир) электроэнергией, на ЛЭП и внутри трансформатора ежечасно будет выделяться энергия в виде тепла (при прохождении тока проводники нагреваются), равная 9 % от потребляемой: если трансформатор работает на полную мощность (в каждой из сотни квартир электросеть нагружена на 1 кВт), то мощность потерь составит 9 кВт.
Допустим, на производство 1 кВт*час электрической энергии производитель тратит 1 рубль. Ежечасно он будет получать убытки в размере 9кВт*час*1час*1 руб. = 9 руб. Если производитель обеспечивает электроэнергией 10 таких жилых домов, то ежечасный убыток составит 90 руб. Но это лишь на ЛЭП от трансформатора к потребителю. Также стоит учитывать потери на ЛЭП от электростанции к трансформатору. Для того, чтоб максимально сократить мощность потерь, на электростанциях напряжение тока значительно повышают (чем больше напряжение, тем меньше сила тока и, соответственно, мощность потерь). К примеру, на ЛЭП с напряжением до 10 кВ теряется около 3% передаваемой энергии, до 50 кВ – 2.5%, до 500 кВ – около 1.5%.

Как снизить потери электроэнергии?

Существуют линии с напряжением около миллиона вольт, они имеют самый низкий процент потерь мощности – до 1%. Но при таком высоком напряжении один процент – это около 6-7 киловатт на 1 км ЛЭП. Если такая электромагистраль имеет протяжность 600 км (от электростанции к понижающему трансформатору), то ежечасно на ней будет теряться 4200 кВт*час электроэнергии, что приносит производителю убыток 4200 руб/час. Но по сравнению с тем, какой многомиллионный доход приносит производителю полезная мощность этой высоковольтной ЛЭП, этот убыток не так уж и велик. Тем не менее, за год на данной линии будет потеряно электроэнергии на сумму почти 36 млн. руб. Но такие высоковольтные линии не очень распространены. Да и расстояние между электростанциями и потребителями энергетики стремятся сократить до минимума. Также они стараются как можно больше увеличивать площадь поперечного сечения проводов (чем больше площадь, тем меньше электрическое сопротивление и проценты потерь).
Понятно, что для этого требуется большее количество материалов и денег на их закупку, но, как показывает практика, через некоторое время эти затраты окупаются сокращёнными потерями электроэнергии. Но эти потери и убытки были, есть и будут всегда. Единственная возможная перспектива – это использование сверхпроводников, производство которых нынче стоит огромных денег. Потери на таких сверхпроводниковых ЛЭП практически отсутствуют. Но в массовое использование их пока внедрять никто не собирается.

Стабилизаторы переменного напряжения - устройства, служащие для корректировки пониженного или повышенного напряжения в бытовой электросети.

Как известно потеря мощности в линиях электропередач, зависит от тока и сопротивления провода. С учетом этого и получило развитие линий высокого и сверхвысокого напряжения для передачи больших мощностей с минимальным током, а, следовательно, и с минимальными потерями.
Но при длинах провода 100 и более километров, начинают проявляться емкостные и индуктивные свойства переменного тока, ну и не стоит забывать о поверхностном эффекте (ток при переменном напряжении проходит исключительно по поверхности провода). Рассчитано, что передача переменного тока на расстояния свыше 1000 километров не выгодна, вследствие больших потерь мощности. Причина этих потерь в индуктивных и емкостных свойствах кабеля, ведущих к сдвигу фазы напряжения и тока между собой. Чем длиннее и ближе между собой три фазных провода, тем выше сдвиг фазы. Из-за сдвига фаз в теории, возможно, что переменное напряжение станет равным нулю. При этом и мощность тоже станет равной нулю.

Высоковольтная линия постоянного тока: энергомагистраль для гигаваттов

В 1960 году инженеры решили, что передавать электричество на тысячи километров — всё равно что гнать грузовик через горный серпантин. Нужен надёжный «дизель» вместо бензинового двигателя. Так родилась идея высоковольтных линий постоянного тока (HVDC) — энергетических автобанов, где ток движется без лишних виражей.
Такой способ передачи используется на некоторых крупных западных электростанциях. В сеть выдается ток максимально возможного напряжения, для уменьшения потерь. Отсюда и произошло название – высоковольтная линия передачи постоянного тока.

Преимущества перед «обычными» ЛЭП:

• Всего два провода вместо трёх — как фура без прицепа: меньше вес, больше грузоподъёмность
• Нет паразитных потерь — индукция и ёмкость остаются за бортом, словно ненужный багаж
• КПД на дистанциях свыше 1000 км — как у дальнобоя с турбонаддувом

Но есть нюанс: чтобы загнать переменный ток в «прямолинейное русло», нужны преобразователи — эдакие КПП для электронов. Сначала ток выпрямляется, как путь после серпантина, а перед потребителем снова становится переменным — как трёхфазный двигатель в заводском цехе.

Где развернулись HVDC:

• Мосты между странами — как подводный кабель NordLink между Норвегией и Германией (623 км под водой!)
• Ветропарки в море — стабильно передают энергию на берег, несмотря на капризы ветра
• Гидроэлектростанции в горах — доставляют мегаватты через континенты

Инженерный факт: КПД HVDC достигает 95% — выше, чем у лучших дизельных моторов. А потерять 5% на 3000 км — всё равно что пролить стакан воды из цистерны. Вот она — сила прямого тока!