Что является носителем электрической энергии

Электрический разряд: понятие, виды, энергия и единицы измерения

Век, в котором мы живем, можно назвать временем электричества. Работа компьютеров, телевизоров, автомобилей, спутников, приборов искусственного освещения – это лишь малая часть примеров, где оно используется. Одним из интересных и важных для человека процессов является электрический разряд. Рассмотрим подробнее, что он собой представляет.

Краткая история изучения электричества

Когда человек познакомился с электричеством? Ответить на этот вопрос сложно, поскольку поставлен он некорректным образом, ведь наиболее яркое природное явление – молния, известная с незапамятных времен.

Осмысленное изучение электрических процессов началось лишь с конца первой половины XVIII века.

Здесь следует отметить серьезный вклад в представления человека об электричестве Чарльза Кулона, исследовавшего силу взаимодействия заряженных частиц, Георга Ома, математически описавшего параметры тока в замкнутой цепи, и Бенджамина Франклина, который провел множество экспериментов, изучая природу вышеназванной молнии. Помимо них, большую роль в развитии физики электричества сыграли такие ученые, как Луиджи Гальвани (изучение нервных импульсов, изобретение первой «батарейки») и Майкл Фарадей (исследование тока в электролитах).

Разряд электрического тока – это физический процесс, который характеризуется наличием потока заряженных частиц между двумя пространственными областями, имеющими разный потенциал в газовой среде. Разберем это определение.

Во-первых, когда говорят о разряде, то всегда имеют в виду газ. Разряды в жидкостях и твердых телах тоже могут возникать (пробой твердого конденсатора), однако процесс изучения этого явления проще рассмотреть в менее плотной среде. Более того, именно разряды в газах часто наблюдаются и имеют большое значение для жизнедеятельности человека.

Во-вторых, как сказано в определении электрического разряда, он возникает только при соблюдении двух важных условий:

• при существования разности потенциалов (напряженности электрического поля);
• наличии носителей заряда (свободных ионов и электронов).

Разность потенциалов обеспечивает направленное движение заряда. Если она превышает некоторое пороговое значение, то несамостоятельный разряд переходит в самоподдерживающийся или самостоятельный.

Что касается свободных носителей заряда, то в любом газе они всегда присутствуют.

Их концентрация, естественно, зависит от ряда внешних факторов и свойств самого газа, но сам факт их наличия является бесспорным.

Связано это с существованием таких источников ионизации нейтральных атомов и молекул, как ультрафиолетовые лучи от Солнца, космическое излучение и естественная радиация нашей планеты.

Соотношение между разностью потенциалов и концентрацией носителей определяет характер разряда.

Приведем список этих видов, а затем подробнее охарактеризуем каждый из них. Итак, все разряды в газовых средах принято разделять на следующие:

• тлеющий;
• искровой;
• дуговой;
• коронный.

Физически они отличаются друг от друга лишь мощностью (плотностью тока) и, как следствие, температурой, а также характером их проявления во времени. Во всех случаях речь идет о переносе положительного заряда (катионы) к катоду (область низкого потенциала) и отрицательного заряда (анионы, электроны) к аноду (зона высокого потенциала).

Тлеющий разряд

Для его существования необходимо создать низкие давления газа (в сотни и тысячи раз меньше атмосферного). Тлеющий разряд наблюдается в катодных трубках, которые заполняются каким-либо газом (например, Ne, Ar, Kr и другие).

Приложение напряжения к электродам трубки приводит к активации следующего процесса: имеющиеся в газе катионы начинают ускоренно двигаться, достигнув катода, они ударяют по нему, передавая импульс и выбивая электроны. Последние при наличии достаточной кинетической энергии могут приводить к ионизации нейтральных молекул газа.

Описанный процесс будет самоподдерживающимся только в случае достаточной энергии катионов, бомбардирующих катод, и их определенного количества, что зависит от разности потенциалов на электродах и давления газа в трубке.

Тлеющий разряд светится. Излучение электромагнитных волн обусловлено двумя идущими параллельно процессами:

• рекомбинация пар электрон-катион, сопровождаемая выделением энергии;
• переход нейтральных молекул (атомов) газа из возбужденного состояния в основное.

Типичными характеристиками этого вида разряда являются небольшие токи (несколько миллиампер) и небольшие стационарные напряжения (100–400 В), однако пороговое напряжение равно нескольким тысячам вольт, что зависит от давления газа.

Примерами тлеющего разряда являются люминесцентные и неоновые лампы. В природе к этому типу можно отнести северное сияние (движение потоков ионов в магнитном поле Земли).

Искровой разряд

Это типичный вид атмосферного электрического разряда, который проявляется в виде молнии. Для его существования необходимо не только наличие больших давлений газа (1 атм и больше), но и огромных напряжений.

Воздух представляет собой достаточно хороший диэлектрик (изолятор). Его проницаемость лежит в пределах от 4 до 30 кВ/см, что зависит от наличия в нем влажности и твердых частиц.

Эти цифры говорят о том, что для получения пробоя (искры) необходимо приложить минимум 4 000 000 вольт на каждый метр воздуха!

Разность потенциалов постепенно накапливается, когда ее значение начинает превышать изоляционные возможности воздуха (несколько млн вольт на метр), то возникает молния – электрический разряд, который длится в течение долей секунды.

Сила тока в нем достигает 10–40 тысяч ампер, а температура плазмы в канале поднимается до 20 000 К.

Минимальную энергию, которая выделяется в процессе молнии, можно вычислить, если принять во внимание следующие данные: процесс развивается в течение t=1*10-6 с, I = 10 000 А, U = 109 В, тогда получим:

E = I*U*t = 10 млн Дж

Полученная цифра эквивалентна энергии, которая освобождается при взрыве 250 кг динамита.

Дуговой разряд

Так же как и искровой, он возникает при наличии достаточного давления в газе. Его характеристики практически полностью аналогичны искровому, но имеются и отличия:

• во-первых, токи достигают десяти тысяч ампер, но напряжение при этом составляет несколько сотен вольт, что связано с высокой проводимостью среды;
• во-вторых, дуговой разряд существует стабильно во времени, в отличие от искрового.

Переход в этот вид разряда осуществляется постепенным повышением напряжения. Поддерживается разряд за счет термоэлектронной эмиссии с катода. Ярким его примером является сварочная дуга.

Коронный разряд

Этот тип электрического разряда в газах часто наблюдали моряки, которые путешествовали в Новый Мир, открытый Колумбом. Они называли синеватое свечение на концах мачт «огнями Святого Эльма».

Возникает коронный разряд вокруг объектов, имеющих очень сильную напряженность электрического поля. Такие условия создаются вблизи острых предметов (мачт кораблей, зданий с остроконечными крышами).

Когда тело имеет некоторый статический заряд, то напряженность поля на его концах приводит к ионизации окружающего воздуха. Возникшие ионы начинают свой дрейф к источнику поля.

Эти слабые токи, вызывающие аналогичные процессы, что и в случае тлеющего разряда, приводят к появлению свечения.

Опасность разрядов для здоровья человека

Коронный и тлеющий разряды особой опасности не представляют для человека, поскольку они характеризуются низкими токами (миллиамперы). Два других из вышеназванных разрядов являются смертельно опасными в случае прямого контакта с ними.

Если человек наблюдает приближение молнии, то он должен отключить все электроприборы (включая мобильные телефоны), а также расположиться так, чтобы не выделяться среди окружающей местности в плане высоты.

Производство, передача и использование электроэнергии – Класс!ная физика

Производится электроэнергия на электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов. Существует два основных типа электростанций: тепловые и гидроэлектрические.

Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов.

На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.

Тепловые паротурбинные электростанции – ТЭС наиболее экономичны.

В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора.

Паровые турбогенераторы весьма быстроходны: число оборотов ротора составляет несколько тысяч в минуту.

КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением начальной температуры рабочего тела (пара, газа). Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа.

Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

Тепловые электростанции — ТЭЦ позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд. В результате КПД ТЭЦ достигает 60—70%.

В России ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и снабжают электроэнергией сотни городов.

На гидроэлектростанциях – ГЭС для вращения роторов генераторов используется потенциальная энергия воды.

Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.

Атомные электростанции – АЭС в России дают около 10% электроэнергии.

Использование электроэнергии

Главным потребителем электроэнергии является промышленность – 70% производимой электроэнергии.
Крупным потребителем является также транспорт.

Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию, т.к. почти все механизмы в промышленности приводятся в движение электрическими двигателями.

Передача электроэнергии

Электроэнергию не удается консервировать в болыпих масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения.

Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.

Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля — Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

где
R — сопротивление линии,
U — передаваемое напряжение,
Р — мощность источника тока.

При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной.
Значительно снизить сопротивление линии R практически весьма трудно, поэтому приходится уменьшать силу тока I.

Так как мощность источника тока Р равна произведению силы тока I на напряжение U, то для уменьшения передаваемой мощности нужно повысить передаваемое напряжение в линии передачи.

Для этого на крупных электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы.
Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько раз уменьшает силу тока.

Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Генераторы переменного тока настраивают на напряжения, не превышающие 16—20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Далее для непосредственного использования электроэнергии потребителем необходимо понижать напряжение.

Это достигается с помощью понижающих трансформаторов.

Понижение напряжения (и соответственно увеличение силы тока) осуществляются поэтапно.

При очень высоком напряжении между проводами может начаться разряд, приводящий к потерям энергии.
Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными.

Такое объединение, называемое энергосистемой, дает возможность распределять нагрузки потребления энергии. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям.

Сейчас в нашей стране действует Единая энергетическая система европейской части страны.

Использование электроэнергии

Потребность в электроэнергии постоянно увеличивается как в промышленности, на транспорте, в научных учреждениях, так и в быту. Удовлетворить эту потребность можно двумя основными способами.

Первый — строительство новых мощных электростанций: тепловых, гидравлических и атомных. Однако строительство крупной электростанции требует нескольких лет и больших затрат.

Кроме того, тепловые электростанции потребляют невозобновляемые природные ресурсы: уголь, нефть и газ. Одновременно они наносят большой ущерб равновесию на нашей планете.

Передовые технологии позволяют удовлетворить потребности в электроэнергии другим способом.

Второй – эффективное использование электроэнергии: современные люминесцентные лампы, экономия освещения.

Большие надежды возлагаются на получение энергии с помощью управляемых термоядерных реакций.

Приоритет должен быть отдан увеличению эффективности использования электроэнергии, а не повышению мощности электростанций.

Источник: «Физика – 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Волновые явления»
Назад в раздел «Физика – 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Производство, передача и использование электрической энергии. Физика, учебник для 11 класса – Класс!ная физика

Генерирование электрической энергии — Трансформаторы — Производство, передача и использование электрической энергии

Виды электростанций

В каждом развитом государстве существует собственная энергетика. Данная область включает в себя разные виды электростанций. Они могут использовать традиционные и нетрадиционные источники энергии.

В первом случае – это природные ресурсы в виде угля, газа, продуктов переработки нефти, ядерное топливо и т.д. Второй вариант предполагает использование энергии природных явлений – солнца, ветра, приливов-отливов, подземных источников тепла.

Независимо от формы использования, каждая электростанция требует много дополнительного оборудования для передачи потребителям полученной энергии.

Что такое электростанция

Любая электростанция представляет собой целый энергетический комплекс, включающий в себя различные установки, аппаратуру и оборудование, необходимые для получения, преобразования и транспортировки электроэнергии.

Все эти компоненты размещаются в специальных зданиях и сооружениях, расположенных компактно на общей территории.

Принцип работы электростанций и их сопутствующих объектов основан на вращении вала генератора, который является основным элементом системы. Его основные функции заключаются в следующем:

• Обеспечение стабильной продолжительной работы параллельно с другими энергетическими системами, снабжение энергией собственных автономных нагрузок.
• Возможность мгновенного реагирование на наличие или отсутствие нагрузки, соответствующей его номиналу.
• Выполняет запуск двигателя, обеспечивающего работу всей станции.
• Вместе со специальными устройствами осуществляет функцию защиты.

Отличительными чертами каждого генератора являются формы и размеры, а также источник энергии, используемый для вращения вала. Кроме генератора, электростанция состоит из турбин и котлов, трансформаторов и распределительных устройств, средств коммутации, автоматики и релейной защиты.

В настоящее время получило развитие направления в области компактных установок. Они позволяют обеспечить энергией не только отдельные объекты, но и целые поселки, находящиеся на значительном удалении от стационарных линий электропередачи. В основном, это полярные станции и предприятия по добыче полезных ископаемых. Теперь рассмотрим какие типы установок используются в российской энергетике.

Основные типы электростанций

Все электрические станции таблица ниже классифицирует в первую очередь по источникам используемой энергии.

Среди них можно выделить следующие:

• Тепловые (ТЭС). Работают на природном топливе, а основные типы электростанций могут быть конденсационными (КЭС) и теплофикационными (ТЭЦ). Первые вырабатывают только электричество, а вторые – электроэнергию и теплоту.
• Гидравлические – ГЭС и гидроаккумулирующие – ГАЭС, функционирующие за счет энергии воды, падающей высоты.
• Атомные – АЭС, работающие на ядерном топливе.
• Дизельные – ДЭС. Бывают стационарными или мобильными. Существуют мини-электростанции малой мощности, используемые в частном секторе.
• Солнечные, ветровые, приливные и геотермальные электростанции известны как альтернативные источники электроэнергии, работающим с естественными силами природы. Они имеют ряд недостатков, связанных с климатическими условиями и другими факторами.

Каждая перечисленная электростанция представляет собой традиционные или альтернативные виды энергетики. В первом случае электричество вырабатывается на тепловых, гидро- и атомных установках. На ТЭС вырабатывается примерно 70-75% всей электроэнергии, поэтому они размещаются в местах с высоким энергопотреблением и большим количеством природных ресурсов.

ГЭС привязаны к полноводным рекам, протекающим в равнинной или горной местности. АЭС строятся в местах с большим потреблением электроэнергии, при недостатке других видов энергоресурсов. Для того чтобы понять их роль и место в общей энергетической системе, следует рассмотреть более подробно типы электростанций, используемых в России.

Тепловые электрические станции – ТЭС

На тепловых электростанциях России производится примерно 70% всей электрической энергии. Они работают на мазуте, газе, угле, а в определенных местностях используется торф и сланцы.

Все ТЭС можно условно разделить на два основных вида. Первый вариант является так называемым паротурбинным, где первичным двигателем служит паровая турбина.

Эти устройства могут быть конденсационными (КЭС), вырабатывающими только электроэнергию, и теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), производящими не только электричество, но и тепло.

Коэффициент полезного действия ТЭЦ составляет 60-70%, а у КЭС этот показатель равен 30-40%. Основным недостатком тепловых станций считается их обязательная привязка к потребителям тепла.

Положительных качеств у тепловых электростанций значительно больше. Они свободно размещаются на всех территориях, где имеются природные ресурсы и не подвержены сезонным колебаниям погодных условий.

Однако, используемое топливо является не возобновляемым, а сами установки негативно влияют на экологическую обстановку. Российские ТЭС не имеют достаточно эффективных систем очистки выходящих газов от вредных и токсичных веществ.

Электростанции, расположенные в европейской части Российской Федерации, работают в основном на мазуте и природном газе, а в восточных районах они располагаются возле месторождений угля, добываемого открытым способом. Большинство установок относится к государственным районным электростанциям – ГРЭС, входящим в Единую энергосистему страны.

Преимущества и недостатки гидроэлектростанций

По своей значимости, ГЭС находятся на втором месте после тепловых электростанций. В своей работе они используют энергию воды, преобразующейся в электрический ток, и относящейся к возобновляемым ресурсам. Простое управление такими станциями не требует большого количества персонала. Коэффициент полезного действия доходит до 85%.

Электричество, производимое на ГЭС считается самым дешевым, его цена примерно в 5-6 раз меньше, чем на тепловых электроустановках. Гидроэлектростанции отличаются высокой маневренностью и могут быть запущены в работу в течение 3-5 минут, тогда как на ТЭС для этого требуется несколько часов. Это качество особенно важно при перекрытии пиковых нагрузок в суточном графике электроснабжения.

Основными недостатками подобных сооружений являются:

• Значительные капиталовложения на их возведение.
• Привязка к определенной территории или местности с гидроресурсами.
• В процессе строительства затапливаются огромные территории, большие сельскохозяйственные площади выводятся из пользования, наносится ущерб рыбному хозяйству, нарушается экологическое равновесие.
• Полная мощность электростанции реализуется лишь в определенное время года, в период максимального подъема воды.

На российских реках сооружаются целые каскады гидроэлектростанций. Наиболее крупными считаются Ангаро-Енисейский каскад, включающий Братскую, Красноярскую, Саяно-Шушенскую, Усть-Илимскую ГЭС, а также Волжский каскад с Рыбинской, Угличской, Иваньковской, Саратовской, Волжской и другими ГЭС.

Достаточно перспективным направлением считается гидроаккумулирующая электростанция – ГАЭС. В основе их работы заложен принцип действия, связанный с цикличным перемещением одинакового объема воды между верхним и нижним бассейнами.

Ночью за счет излишков электроэнергии вода подается снизу-вверх, а в дневное время при резком росте энергопотребления она сбрасывается вниз и вращает турбины, производя электричество.

Эти станции совершенно не зависят от естественных колебаний речного стока, а под водохранилища требуется гораздо меньше затапливаемых площадей.

Атомные электростанции

На третьем месте по количеству производимой электроэнергии находятся атомные электростанции. В России их доля в энергетике составляет чуть выше 10%. В США этот показатель равен 20%, в Германии – более 30%, во Франции – свыше 75%. Сокращение программ в области атомной энергетики произошло вследствие аварии на Чернобыльской АЭС.

Рассматривая виды электростанций в России, следует отметить, что наиболее известными АЭС считаются Ленинградская, Курская, Смоленская, Нововоронежская, Белоярская и другие.

Новым направлением является создание АТЭЦ – атомных теплоэлектроцентралей, вырабатывающих электрическую и тепловую энергию. Подобный объект построен на Чукотке в поселке Билибино.

Еще одно направление – строительство АСТ – атомных станций теплоснабжения, предназначенных для производства тепла. Такие установки успешно функционируют в Нижнем Новгороде и Воронеже.

Основные плюсы АЭС заключаются в следующем:

• Возможность строительства в любых районах, без привязки к энергетическим ресурсам. Транспортировка атомного топлива не отнимает много средств, поскольку 1 кг урана эквивалентен 2500 т угля.
• При отсутствии нарушений эксплуатации, АЭС являются самыми экологичными установками. Выбросы в атмосферу минимальны, кислород не поглощается, отсутствует парниковый эффект.

Рассматривая вопрос как работает АЭС, нужно в первую очередь остановиться на тяжелых последствиях в случае аварий. Кроме того, серьезные проблемы возникают с радиоактивными отходами в процессе их захоронения. Водоемы, используемые для технических целей АЭС, подвержены тепловому загрязнению.

Дизельные электростанции

Для работы дизельных электростанций, которые называют ДЭС, используются различные виды жидкого топлива. Основой системы является дизель-генератор, включающий в себя дизельный двигатель, электрический генератор, системы смазки и охлаждения, пульт управления.

Данные установки применяются как альтернативные в отдаленных районах, где являются основными источниками электроэнергии. Как правило, подведение стационарных ЛЭП в такие места экономически не выгодно. Кроме того, дизельные электростанции служат аварийными или резервными источниками питания, когда потребители не должны отключаться от электроснабжения.

Виды дизельных электростанций могут быть стационарными (4-5 тысяч кВт) и мобильными (12-1000 кВт). Благодаря небольшим размерам, они могут размещаться в небольших зданиях и помещениях.

Основным недостатком дизельных станций является привозное горючее и все мероприятия, связанные с его доставкой и хранением.

Нетрадиционные источники электроэнергии

Нетрадиционные источники представлены геотермальными электростанциями (рис. 1), работающими на тепловой энергии, поступающей из земных недр. Чем глубже от поверхности земли, тем выше температура данного слоя. В России такие установки построены на Камчатке и на Курильских островах.

Существуют конструкции приливных электростанций (рис. 2), которые функционируют от энергии, создаваемой приливами и отливами в самом узком месте искусственного залива, отсеченного от моря. В качестве примера можно привести опытную Кислогубскую ПЭС, возведенную на Кольском полуострове.

Классификация электростанций включает в себя солнечные и ветровые альтернативные установки (рис. 3). Все виды таких систем обеспечивают электроэнергией небольшие предприятия и производства, используются в частном секторе для удовлетворения бытовых потребностей. В основном, это районы и места, где отсутствует централизованное электроснабжение и нет возможности подключиться к обычным ЛЭП.

Как соединить несколько источников электрической энергии

Электрическая энергия, вырабатываемая источниками электрической энергии — самый распространенный вид энергии в наше время.

Процессы, связанные с данным видом электрической энергии, включают в себя под процессы, такие как — выработка (генерация), передача и потребление.

Из этого можно выделить три группы устройств, которые принимают участие в этом процессе — источники электрической энергии, передаточные устройства и потребители.

Давайте подробно рассмотрим первую группы.

Источники электрической энергии.

Из самого названия можно догадаться, какую роль играют в электроэнергетике эти устройства, но все же я объясню.
Источник электрической энергии — устройство, механизм от которого потребители получают электрическую энергию по средству передаточных устройств.

Не имеет значения какого рода тока является этот источник, а также электрическая энергия является генерируемой или запасенной.

Источниками электрической энергии могут быть: все виды и типы генераторов, вторичные обмотки трансформаторов и автотрансформаторов, различные гальванические элементы, аккумуляторные батареи, солнечные батареи, различные пьезо элементы и даже грозовой разряд (молния) является источником электрической энергии. 

Как видите существует множество видов источников электрической энергии, что способствует широкому распространению электрической энергии.

Соединение источников электрической энергии

В электроэнергетике встречаются такие случаи, когда источников электрической энергии несколько, которые включены и питают одну электрическую цепь.

В зависимости от способа соединения источников, электрическая энергия ведет себя по-разному.

Перед тем как углубляться в подробности следует сказать, что источники электрической энергии соединяют двумя способами — последовательно и параллельно.

Эти виды соединений я уже рассматривал при соединении конденсаторов и резисторов.

Давайте рассмотрим эти способы соединения на примере.
В качестве источника электрической энергии возьмем три обычных батарейки напряжением в 1.5 вольт каждая. Также нам понадобится вольтметр и соединительные провода.

последовательное соединение источников электрической энергии

Соединив батарейка последовательно, как показано на схеме, можно будит увидеть, что вольтметр покажет напряжение гораздо большее чем у одной батарейки, а именно 4.5 вольт.

Так при последовательном соединении источников электрической энергии, напряжение всех источников, входящих в цепь складывается.

Стоит отметить, что суммарная емкость и мощность батареек равняется показателям одной батарейки.

параллельное соединение источников электрической энергии

Если же соединять эти же батарейки параллельно, как на схеме выше, мы увидим, что напряжение цепи с тремя параллельно соединенными батарейками равняется напряжению одной батарейки. Но мощность и емкость этой цепи источников увеличилось в несколько раз, а именно в количество соединенных источников, в данном случаи в три раза, при условии, что мощность и ёмкости батареек одинаковы.

В электроэнергетике кроме батареек последовательно или параллельно могут соединять все источники электроэнергии.

Но для каждого вида источника существуют определенные условия, такие как: напряжение всех соединяемых источников должно быть одинаково, как и мощность, во избежание возникновения уравнительных токов, для соединения трансформаторов необходимо также, чтобы коэффициенты трансформации были также равны.

Цели соединения источников электрической энергии.

Стоит отметить, что последовательное соединение источников электроэнергии нашло широкое применение лишь для источников постоянного тока, а именно гальванические элементов.
В современной электроэнергетике широко распространено параллельное соединение источников электрической энергии.

Это объясняется тем, что в современной системе электроснабжения отпадает необходимость в увеличении напряжения таким способом, эту функцию отлично выполняют повышающие трансформаторы.

Тем более, что при последовательном соединении, при выходе из строя одного из источников, вся цепь обрывается и потребители обесточиваются.
А вот параллельное соединение может похвастаться своими плюсами. Оно позволяет повысить мощность всей сети.

Является очень удобным, так как при выходе из строя или необходимости в ремонте одного из источников электрической энергии нет необходимость лишать потребителей электрической энергии.

Параллельное соединение источников электрической энергии на столько удобно, что во времена советского союза, да и сейчас, но не так масштабно соединяли все электрические станции в одну энергосистему, что повышало качество снабжения электрической энергией, так как не было дефицита мощности, а также позволяли выводить целые станции и подстанции в ремонт без перебоев в электроснабжении и конечно же все они соединялись параллельно.

Передача электроэнергии на расстояние

Весь быт современного человека тесно связан с электроэнергией. От неё работает всё: начиная от зарядных устройств телефонов и заканчивая аппаратами искусственной вентиляции лёгких. Поэтому электроэнергия должна быть легкодоступна в каждом уголке планеты.

Высокое напряжение как способ уменьшения потерь

Реальность такова, что передача электроэнергии на большие расстояния неизбежно сопровождается её потерями.

Существенная часть электричества, проходя путь от генератора на электростанции до розетки бытового потребителя, превращается в тепло и расходуется на обогрев атмосферы.

Однако это не снижает затрат за производство электроэнергии, поэтому конечному пользователю всё же приходится оплачивать и эти нецелевые расходы.

Уменьшить ненужные потери, соответственно, траты, позволяют следующие способы:

1. применение высокотемпературных сверхпроводников;
2. увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
3. повышение напряжения в линиях передачи.

За первым способом будущее. Однако сегодня он технически неосуществим. От второго отказались на первых парах развития электроэнергетики, ведь он экономически нецелесообразен из-за лишних расходов на утолщение проводников. Применение высокого напряжения оказалось наиболее удачным методом, поэтому он используется по всему миру уже порядка ста лет.

Классификация линий электропередач

Беспроводная передача электроэнергии

Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.

По классу напряжению ЛЭП бывают:

• низковольтные, до 1 кВ;
• высоковольтные, свыше 1 кВ.

По назначению:

• Межсистемные линии с напряжением от 500 кВ и выше;
• Магистральные, 220-500 кВ;
• Распределительные, 110-220 кВ;
• Линии 35 кВ для питания сельхоз потребителей;
• ЛЭП 1-20 кВ, используемые в пределах одного населённого пункта.

Род электрического тока в ЛЭП подразделяются на:

• переменный (практически все линии);
• постоянный ток (встречается редко, в основном 3,3 кВ контактной сети железной дороги).

Способы передачи электроэнергии

Знакомство с пиковыми и другими зонами тарификации электроэнергии

Наиболее распространены два способа передачи электроэнергии: с помощью воздушных и кабельных линий. Они отличаются между собой по дальности и среде, в которой находится проводник.

Воздушные линии – это, упрощённо, медные или алюминиевые проводники, подвешенные через изоляторы на металлические или железобетонные опоры. При таком методе возможна передача электричества на большие расстояния и между разными государствами.

Кабельная линия – прокладка проводов под землёй. Отдельные токоведущие жилы расположены, как правило, в резиновой или ПВХ изоляции. Если напряжение высокое, то имеется и броня из металлической ленты. Также она служит в качестве экрана для защиты от помех. Встречается преимущественно в пределах города или предприятия.

Дополнительная информация. Применяя кабельные линии, возможно транспортировать электроэнергию по дну водоёмов и даже морей. Это позволяет поставлять электричество на острова. Применение ЛЭП таких возможностей не подразумевает.

Схема передачи энергии от электростанции до потребителя

Что такое коммерческий учет электроэнергии

электростанция (1) вырабатывает напряжение порядка 10-12 кВ. Затем оно повышается с помощью трансформатора (2) до более высокого уровня: 35, 110, 220, 400, 500 или 1150 кВ.

После по кабельной или воздушной линии (3) энергия передаётся на расстояния от единиц до тысяч километров и попадает на понижающую подстанцию. На ней также установлен трансформатор (4), который преобразует сотни киловольт снова в 10-12 тысяч вольт. Далее следует ещё один каскад понижения до 380/220 В (5).

Это напряжение является конечным и раздаётся по потребителям (6), т.е. жилым домам, больницам и т.д.

Транспортировка электрической энергии

Трансформаторные подстанции

Для преобразования напряжения одной величины в другую служат трансформаторные подстанции. Они представляют собой огороженный забором объект, имеющий на своей территории трансформатор.

Внутри него располагаются первичная и вторичная обмотки (катушки). Их электромагнитное взаимодействие позволяет с большим КПД преобразовывать энергию.

На подстанцию заходят воздушные линии или кабеля с одним напряжением, а выходят с другим, как правило, более низким.

Там же располагаются всевозможные системы контроля и учёта электроэнергии и распределительное устройство (РУ). Оно предназначено для связи с другими объектами энергосистемы и является неотъемлемой частью трансформаторной подстанции. РУ позволяет отключить отдельного потребителя по стороне низкого напряжения, не обесточивая при этом всех остальных.

Пропускная способность линий электропередач

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП.

Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия.

Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.

Потери электроэнергии

Причины потерь при передаче электрической энергии на расстояние кроются в строении вещества. Электрический ток – это направленное движение по проводнику свободных носителей зарядов. В случае с ЛЭП и кабелями их роль играют электроны.

Эти частицы, проходя по сечению провода, неизбежно сталкиваются с окружающими их атомами меди или алюминия и сообщают им часть своей кинетической энергии.

Микрочастицы металла за счёт этого удара становятся подвижнее, что и воспринимается органами чувств человека как повышение температуры.

Количество теплоты Q, выделенной в проводнике за время t и потерянной впустую, вычисляется по закону Джоуля – Ленца. Оно пропорционально квадрату протекающего в проводе тока I и его сопротивлению R:

Q = I2Rt.

Дополнительная информация. Потери электричества имеются и в трансформаторе. К самым большим из них относятся затраты энергии на создание вихревых токов в сердечнике и нагрев обмоток.

Передача электричества на дальние расстояния

Если передача электрической энергии осуществляется на дистанции в сотни километров, то используют воздушные линии. Их строительство обходится существенно дешевле, в сравнении с кабельными, укладываемыми под землю.

ЛЭП способны объединять в общую сеть соседние страны. Помимо этого, они проще в эксплуатации, ведь провода находятся под открытым небом.

Этот фактор упрощает осмотр технического состояния линии и позволяет заблаговременно спрогнозировать её неисправности.

Возведение ЛЭП 750 000 вольт

Постоянный ток в качестве альтернативы

Большинство из используемых сегодня в мире линий электропередач работает на переменном токе. Однако имеются исключения. В некоторых случаях применение постоянного тока оказывается более эффективным:

• отпадает необходимость в синхронизации генераторов, работающих в разных энергосистемах;
• сводятся к нулю потери на ёмкостное и индуктивное сопротивления кабеля;
• снижается стоимость линии, т.к. для передачи постоянного тока достаточно всего 2 проводников;
• возможность использования на уже построенных ЛЭП переменного тока, т.е. не нужно возводить новые магистрали;
• снижение электромагнитного излучения, возникающего при смене направления тока.

Дополнительная информация. Большинство домашних электроприборов может работать от постоянного тока. К ним относятся лампочки, интернет роутеры, дрели, обогреватели и многое другое. Переменный ток необходим только для некоторых видов двигателей, которые в быту встречаются крайне редко.

Умение передавать электрический ток на огромные расстояния послужило решающим фактором для развития всего человечества. Однако индустрия не стоит на месте, поэтому сейчас учёные работают над тем, чтобы сделать транспортировку энергии ещё эффективнее и дешевле.