Классы
Предметы

Передача электроэнергии на расстояние

Этот видеоурок доступен по абонементу
Подробнее об абонементе, платных и бесплатных уроках

У вас уже есть абонемент? Войти

Оплатить абонементот 75 руб. в месяц
У вас уже есть абонемент? Войти
Передача электроэнергии на расстояние

На прошлом уроке мы выяснили, как производится переменный электрический ток. Основным элементом генератора является катушка индуктивности, которая вращается в магнитном поле. Приводить катушку в движение можно любым способом (при помощи паровой машины, двигателя внутреннего сгорания или за счет потоков падающей воды). Далее возникает задача передачи энергии конечному пользователю. Как правило, конечные пользователи находятся далеко от электростанций. Таким образом, энергию необходимо передавать на большие расстояния. Для этого существуют линии электропередач. Однако если длина проводов большая, то и сопротивление будет высоким. В свою очередь это приведет к большим потерям передаваемой мощности. На данном уроке мы рассмотрим, от чего зависят потери мощности и как их можно уменьшить.

Схема электропередачи

В общем случае схему электропередачи (рис. 1) можно представить в виде простой замкнутой цепи. Источник ЭДС () обладает внутренним сопротивлением . Всех потребителей тока можно представить как общую нагрузку сопротивлением . Соединительные провода линий передач обладают электрическим сопротивлением .  

                     

Рис. 1. Схема электропередачи

Согласование сопротивлений

Значение тока в цепи будет определяться законом Ома для полной цепи:

Обычно внутренним сопротивлением источника можно пренебречь, поскольку оно намного меньше сопротивлений проводов и нагрузки:

Так, ЭДС источника можно определить по соотношению:

Умножим полученное выражение на величину тока:

Каждое из слагаемых в полученном выражении имеет определенный смысл. Так, в левой части равенства стоит мощность сторонних сил или мощность источника. Первое слагаемое в правой части равенства представляет собой мощность, передаваемую потребителям, – полезную мощность. Второе слагаемое – потеря мощности.

При передаче электроэнергии важно максимально увеличить полезную мощность, сведя к минимуму при этом потери. Попытаемся этого достичь. Зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки  (рис. 2) имеет вид:

Рис. 2. График зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки

Можно показать, что полезная мощность как функция сопротивления нагрузки будет иметь максимум при условии равенства сопротивления нагрузки и сопротивления подводящих проводов – согласование сопротивлений.

Если сопротивление источника сопоставимо с сопротивлением проводов, то условие максимума полезной мощности будет представлять собой равенство сопротивления нагрузки и суммы сопротивлений проводов и источника. Таким образом, потребителю доставляется максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно сумме сопротивлений подводящих проводов и источника.

Причины потерь мощности

Рассмотрим причины, от которых зависят потери мощности. При заданной мощности источника ток в цепи будет равен отношению мощности источника к ЭДС:

Если внутренним сопротивлением источника пренебречь, то напряжение на полюсах источника будет равно ЭДС источника:

Тогда мощность потерь в проводах будет пропорциональна квадрату мощности источника и обратно пропорциональна квадрату напряжения на источнике.

Из этого выражения видим, что для уменьшения мощности потерь необходимо либо уменьшать сопротивление подводящих проводов, либо увеличивать напряжение на электростанции.

Экономические расчеты потерь мощности

Рассмотрим, почему так важно уменьшать потери. Крупный город потребляет мощность порядка  МВт. Из-за потерь мощности станция должна вырабатывать существенно больше, чем  МВт. Сопротивление  проводов линий электропередач равно примерно .

При передаче электроэнергии при напряжении  потери мощности в проводах составят около .

Мощность на нагрузке равна: .

Ток через нагрузку равен: .

Ток в проводниках будет такой же, как и ток через нагрузку, поэтому мощность потерь в проводах будет иметь вид:

При передаче на  потери мощности составят за один час . При стоимости  потери мощности составят .

Чтобы избежать таких колоссальных потерь, целесообразно существенно повысить предаваемое напряжение. Например, если повысить передаваемое напряжение с до , то указанные потери уменьшатся в . Поэтому передача электроэнергии на расстояние требует повышения напряжения до 400 или 500 кВ, а затем его снижения до потребительского уровня 220 В. Однако сконструировать электростанции, вырабатывающие сразу высокое напряжение, затруднительно. Электростанции вырабатывают, как правило, невысокое напряжение порядка . Поэтому сначала необходимо повысить напряжение до , а затем снизить до . Подобные модификации представляют собой технически крайне сложную задачу при использовании постоянного тока. В случае же переменного тока эта задача решается гораздо проще. Именно этим объясняется то, что все электростанции и линии передач работают на переменном токе.

 

Список литературы

  1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416 с.: ил., 8 л. цв. вкл.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. – М.: Мнемозина.
  3. Тихомирова С.А., Яровский Б.М., Физика 11. – М.: Мнемозина.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал «Allbest.ru» (Источник).
  2. Интернет-портал «Хижина» (Источник).
  3. Интернет-портал «Radiobank.ru» (Источник).

 

Домашнее задание

  1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416 с.: ил., 8 л. цв. вкл., §37, ст. 136, в.1-5.
  2. Почему при передаче электроэнергии на большие расстояния прежде всего уделяют внимание повышению напряжения, а не уменьшению сопротивления проводов?
  3. *Потребителю передается полезная мощность 200 кВт. Сопротивление линии электропередачи – 5 Ом, напряжение на шинах станции – 2000 В. На сколько изменится КПД электропередачи, если напряжение на шинах электростанции увеличить в 2,5 раза, а передаваемую потребителю мощность оставить прежней?