Электрическая энергия обладает уникальным преимуществом — её мощные потоки можно передавать на огромные расстояния практически мгновенно. Ключевую роль в этом процессе играют линии электропередачи (ЛЭП), которые являются основными элементами любой энергосистемы, связывая источники генерации с потребителями.
Основные типы линий электропередачи
В современной энергетике сооружаются ЛЭП двух основных видов. Воздушные линии передают ток по проводам, подвешенным над землёй на специальных опорах. Подземные (кабельные) линии используют силовые кабели, которые, как правило, прокладывают в траншеях под землёй, что делает их менее заметными и в некоторых случаях более защищёнными.
Устройство воздушных ЛЭП
Конструкция воздушных линий включает в себя опоры (бетонные или металлические), к которым крепятся гирлянды изоляторов из фарфора или стекла. Между опорами протягиваются провода, изготовленные из меди, алюминия или их комбинации (сталеалюминиевые). Эти линии, словно гигантские шаги, пересекают разнообразные ландшафты — от пустынь и тайги до горных хребтов и речных долин.
В воздушных ЛЭП роль изолятора между проводами выполняет сам атмосферный воздух. Чем выше напряжение в линии, тем больше должно быть расстояние между проводами для обеспечения безопасности и надёжности. Поскольку трассы часто проходят вблизи населённых пунктов и сельскохозяйственных угодий, провода подвешивают на строго регламентированной высоте. Свойства воздуха как изолятора непостоянны и зависят от климатических условий: силы ветра, влажности, перепадов температур. Поэтому проектирование и строительство каждой новой ЛЭП — это сложный инженерный процесс, требующий тщательных изысканий, научного моделирования и точных расчётов.
Повышение напряжения для снижения потерь
Ещё в плане ГОЭЛРО (1920 г.) было заложено одновременное развитие мощных электростанций и разветвлённых сетей. При передаче электроэнергии на расстояние часть её неизбежно теряется на нагрев проводов. Передавать бытовое напряжение (127, 220 В) на расстояния более 2 км экономически нецелесообразно. Для минимизации потерь напряжение тока перед подачей в линию значительно повышают на специальных подстанциях. По мере роста мощностей электростанций и масштабов электрификации рабочее напряжение на магистральных ЛЭП последовательно увеличивалось: от 220 до 330, 500, 750 кВ. Для объединения энергосистем Сибири, Казахстана и Урала была построена уникальная линия напряжением 1150 кВ с опорами высотой до 45 метров и расстоянием между проводами в 23 метра.
Однако ток такого высокого напряжения опасен для непосредственного использования. Поэтому перед подачей к конечным потребителям (в дома, на предприятия) его напряжение понижают на распределительных подстанциях.
Схема передачи электроэнергии переменного тока
Типичная цепочка передачи выглядит следующим образом: генератор электростанции вырабатывает ток низкого напряжения → на повышающей подстанции трансформатор преобразует его в ток высокого напряжения → по магистральной ЛЭП энергия передаётся к региону потребления → на понижающей подстанции другой трансформатор снова понижает напряжение → электроэнергия распределяется между потребителями.
Линии постоянного тока и будущее ЛЭП
В энергетике также применяются линии постоянного тока. Их использование становится экономически выгодным на сверхдальних расстояниях (свыше 1500–2000 км), где потери энергии меньше, чем на линиях переменного тока. Перед подачей потребителям постоянный ток снова преобразуется в переменный.
Для ввода высокого напряжения в плотную городскую застройку используют подземные кабельные линии. Специалисты полагают, что в перспективе они могут вытеснить воздушные ЛЭП. Это связано с существенным недостатком последних: вокруг высоковольтных проводов образуется мощное электромагнитное поле, которое может негативно влиять на здоровье человека и окружающую среду. Уже сегодня вокруг воздушных ЛЭП создают охранные зоны («полосы отчуждения»), где запрещено строительство.
Инновационные технологии: сверхпроводники и газонаполненные кабели
Ведутся разработки принципиально новых видов линий. Например, испытываются сверхпроводящие кабели, где медная жила покрыта слоем ниобия и помещена в криогенную среду с температурой около -269°C (4,2 К). При такой температуре материал переходит в состояние сверхпроводимости, и потери на сопротивление практически исчезают.
Другое перспективное направление — газонаполненные кабели. Пустоты в их изоляции заполняются газом (например, азотом) под высоким давлением, что позволяет эффективно передавать ток напряжением до 500 кВ. Широкое внедрение подземных кабельных ЛЭП в будущем позволит сэкономить огромные земельные площади, особенно в мегаполисах, и повысить экологическую безопасность энергоснабжения.