Передача электроэнергии

Массовое перемещение электроэнергии

Пятьсот киловольт (500 кВ) трехфазные линии электропередачи на плотине Гранд-Кули . Показаны четыре цепи. Две дополнительные цепи скрыты деревьями справа. Вся номинальная мощность генерации плотины в 6809 МВт ^{[1] обеспечивается этими шестью цепями.}

Передача электроэнергии — это объемное перемещение электроэнергии от места ее производства , например, электростанции , к электрической подстанции . Взаимосвязанные линии, которые обеспечивают это перемещение, образуют сеть передачи . Это отличается от локальной проводки между высоковольтными подстанциями и потребителями, которая обычно называется распределением электроэнергии . Объединенная сеть передачи и распределения является частью поставки электроэнергии , известной как электрическая сеть .

Эффективная передача электроэнергии на большие расстояния требует высокого напряжения . Это снижает потери, вызванные сильными токами . Линии электропередачи используют либо переменный ток (AC), либо постоянный ток (DC). Уровень напряжения изменяется с помощью трансформаторов . Напряжение повышается для передачи, затем понижается для местного распределения.

Широкозонная синхронная сеть , известная как взаимосвязь в Северной Америке, напрямую соединяет генераторы, поставляющие переменный ток с одинаковой относительной частотой многим потребителям. В Северной Америке есть четыре основных взаимосвязи: Западная , Восточная , Квебекская и Техасская . Одна сеть соединяет большую часть континентальной Европы .

Исторически линии передачи и распределения часто принадлежали одной и той же компании, но начиная с 1990-х годов многие страны либерализовали регулирование рынка электроэнергии таким образом, что это привело к появлению отдельных компаний, занимающихся передачей и распределением. ^[2]

Система

Схема электроэнергетической системы. Система передачи показана синим цветом.

Большинство линий электропередачи в Северной Америке представляют собой высоковольтные трехфазные линии переменного тока, хотя в системах электрификации железных дорог иногда используется однофазный переменный ток . Технология постоянного тока используется для большей эффективности на больших расстояниях, как правило, сотни миль. Технология постоянного тока высокого напряжения (HVDC) также используется в подводных силовых кабелях (обычно длиннее 30 миль (50 км)) и при обмене электроэнергией между сетями, которые не синхронизированы между собой. Соединения HVDC стабилизируют распределительные сети электропитания, где внезапные новые нагрузки или отключения электроэнергии в одной части сети в противном случае могли бы привести к проблемам синхронизации и каскадным отказам .

Электроэнергия передается при высоком напряжении , чтобы уменьшить потери энергии из-за сопротивления , которое возникает на больших расстояниях. Электроэнергия обычно передается по воздушным линиям электропередач . Подземная передача электроэнергии имеет значительно более высокую стоимость установки и большие эксплуатационные ограничения, но снижает затраты на техническое обслуживание. Подземная передача чаще встречается в городских районах или экологически чувствительных местах.

Электроэнергия обычно должна вырабатываться с той же скоростью, с которой она потребляется. Требуется сложная система управления, чтобы гарантировать, что выработка электроэнергии точно соответствует спросу. Если спрос превышает предложение, дисбаланс может привести к автоматическому отключению или остановке генерирующей установки и передающего оборудования для предотвращения ущерба. В худшем случае это может привести к каскадной серии отключений и крупному региональному отключению электроэнергии .

Северо-восток США столкнулся с отключениями электроэнергии в 1965 , 1977 , 2003 годах и крупными отключениями электроэнергии в других регионах США в 1996 и 2011 годах . Сети электропередачи объединены в региональные, национальные и даже общеконтинентальные сети, чтобы снизить риск такого сбоя, предоставляя несколько резервных альтернативных маршрутов для потока электроэнергии в случае таких отключений. Компании по передаче электроэнергии определяют максимальную надежную пропускную способность каждой линии (обычно меньше ее физического или теплового предела), чтобы гарантировать наличие резервной мощности в случае сбоя в другой части сети.

Накладные расходы

Высоковольтные воздушные проводники не покрыты изоляцией. Материал проводника почти всегда представляет собой алюминиевый сплав, образованный из нескольких жил и, возможно, армированный стальными жилами. Медь иногда использовалась для воздушной передачи, но алюминий легче, снижает производительность лишь незначительно и стоит намного дешевле. Воздушные проводники поставляются несколькими компаниями. Материал и формы проводника регулярно совершенствуются для увеличения пропускной способности.

Размеры проводников варьируются от 12 мм ^{2 (} американский калибр проводов № 6 ) до 750 мм ² (площадь 1 590 000  круговых мил ) с различным сопротивлением и токопроводящей способностью . Для больших проводников (более нескольких сантиметров в диаметре) большая часть тока концентрируется вблизи поверхности из-за скин-эффекта . Центр проводника проводит небольшой ток, но вносит свой вклад в вес и стоимость. Таким образом, несколько параллельных кабелей (называемых пучками проводников ) используются для более высокой емкости. Пучки проводников используются при высоких напряжениях для снижения потерь энергии, вызванных коронным разрядом .

Сегодня напряжение уровня передачи обычно составляет 110 кВ и выше. Более низкие напряжения, такие как 66 кВ и 33 кВ, обычно считаются напряжениями субпередачи, но иногда используются на длинных линиях с небольшими нагрузками. Напряжения ниже 33 кВ обычно используются для распределения . Напряжения выше 765 кВ считаются сверхвысоким напряжением и требуют других конструкций.

Воздушные провода электропередачи зависят от воздуха для изоляции, требуя, чтобы линии поддерживали минимальные зазоры. Неблагоприятные погодные условия, такие как сильный ветер и низкие температуры, прерывают передачу. Скорость ветра до 23 узлов (43 км/ч) может позволить проводникам вторгнуться в рабочие зазоры, что приведет к перекрытию и потере питания. ^[3] Колебательное движение физической линии называется галопом или флаттером проводника в зависимости от частоты и амплитуды колебаний.

• 
  Пятьсот киловольт (500 кВ) трехфазная опора электропередачи в штате Вашингтон, линия разделена на три пути
• 
  Три электрических столба в ряд в Вебстере, Техас

Под землей

Электроэнергия может передаваться по подземным силовым кабелям . Подземные кабели не занимают полосы отвода, имеют меньшую видимость и меньше подвержены влиянию погодных условий. Однако кабели должны быть изолированы. Стоимость кабелей и земляных работ намного выше, чем стоимость строительства надземных линий электропередач. Для обнаружения и устранения неисправностей в подземных линиях электропередач требуется больше времени.

В некоторых мегаполисах кабели заключены в металлическую трубу и изолированы диэлектрической жидкостью (обычно маслом), которая либо статична, либо циркулирует через насосы. Если электрическая неисправность повреждает трубу и происходит утечка диэлектрика, жидкий азот используется для замораживания частей трубы, чтобы обеспечить слив и ремонт. Это продлевает период ремонта и увеличивает затраты. Температура трубы и окружающей среды контролируется в течение всего периода ремонта. ^{[4] [5] [6]}

Подземные линии ограничены своей тепловой емкостью, что позволяет меньше перегружать или переоценивать линии. Длинные подземные кабели переменного тока имеют значительную емкость , что снижает их способность обеспечивать полезную мощность за пределами 50 миль (80 километров). Кабели постоянного тока не ограничены по длине своей емкостью.

История

Улицы Нью-Йорка в 1890 году. Помимо телеграфных линий, для каждого класса устройств, требующих разного напряжения, требовалось несколько электрических линий.

Первоначально коммерческая электроэнергия передавалась при том же напряжении, что и освещение и механические нагрузки. Это ограничивало расстояние между генерирующей установкой и нагрузками. В 1882 году напряжение постоянного тока нельзя было легко увеличить для передачи на большие расстояния. Различные классы нагрузок (например, освещение, стационарные двигатели и тяговые/железнодорожные системы) требовали разных напряжений, поэтому использовались разные генераторы и схемы. ^{[7] [8]}

Таким образом, генераторы располагались рядом с их нагрузками, практика, которая позже стала известна как распределенная генерация с использованием большого количества небольших генераторов. ^[9]

Передача переменного тока (AC) стала возможной после того, как в 1881 году Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс построили то, что они назвали вторичным генератором, — ранний трансформатор, снабженный коэффициентом трансформации 1:1 и разомкнутой магнитной цепью.

Первая линия переменного тока большой дальности была длиной 34 километра (21 миля), построенная для Международной выставки электричества в Турине, Италия, в 1884 году . Она питалась от генератора переменного тока Siemens & Halske на 2 кВ, 130 Гц и имела несколько трансформаторов Голарда с первичными обмотками, соединенными последовательно, которые питали лампы накаливания. Система доказала возможность передачи электроэнергии переменного тока на большие расстояния. ^[8]

Первая коммерческая система распределения переменного тока была введена в эксплуатацию в 1885 году на via dei Cerchi, Рим, Италия , для общественного освещения. Она питалась от двух генераторов Siemens & Halske мощностью 30 л. с. (22 кВт), 2 кВ при 120 Гц и использовала 19 км кабелей и 200 параллельно соединенных понижающих трансформаторов 2 кВ - 20 В, снабженных замкнутой магнитной цепью, по одному на каждую лампу. Несколько месяцев спустя за ней последовала первая британская система переменного тока, обслуживающая Grosvenor Gallery . Она также включала генераторы Siemens и понижающие трансформаторы 2,4 кВ - 100 В - по одному на пользователя - с первичными обмотками, соединенными шунтирующим соединением. ^[10]

Работая над улучшением того, что он считал непрактичной конструкцией Голарда-Гиббса, инженер-электрик Уильям Стэнли-младший разработал первый практический последовательный трансформатор переменного тока в 1885 году. ^[11] Работая при поддержке Джорджа Вестингауза , в 1886 году он продемонстрировал основанную на трансформаторе систему освещения переменного тока в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс . Она питалась от парового двигателя, работающего от генератора Siemens на 500 В. Напряжение было снижено до 100 вольт с помощью трансформатора Стэнли для питания ламп накаливания в 23 предприятиях на высоте более 4000 футов (1200 м). ^[12] Эта практическая демонстрация трансформатора и системы освещения переменного тока побудила Вестингауза начать установку систем переменного тока позднее в том же году. ^[11]

В 1888 году появились первые проекты двигателей переменного тока . Это были асинхронные двигатели, работающие на многофазном токе, независимо друг от друга изобретенные Галилео Феррарисом и Николой Теслой . Westinghouse лицензировала разработку Теслы. Практические трехфазные двигатели были разработаны Михаилом Доливо-Добровольским и Чарльзом Юджином Ланселотом Брауном . ^[13] Широкое использование таких двигателей было отложено на много лет из-за проблем разработки и дефицита многофазных систем питания, необходимых для их питания. ^{[14] [15]}

Многофазные генераторы переменного тока Westinghouse, представленные на Всемирной выставке 1893 года в Чикаго , часть их многофазной системы Tesla. Такие многофазные инновации произвели революцию в трансмиссии.

В конце 1880-х и начале 1890-х годов небольшие электроэнергетические компании объединились в более крупные корпорации, такие как Ganz и AEG в Европе и General Electric и Westinghouse Electric в США. Эти компании разработали системы переменного тока, но техническая разница между системами постоянного и переменного тока потребовала гораздо более длительного технического слияния. ^[16] Экономия масштаба переменного тока с большими генерирующими установками и передачей на большие расстояния постепенно добавила возможность связывать все нагрузки. К ним относятся однофазные системы переменного тока, многофазные системы переменного тока, низковольтное освещение лампами накаливания, высоковольтное дуговое освещение и существующие двигатели постоянного тока на заводах и трамваях. В том, что стало универсальной системой, эти технологические различия были временно преодолены с помощью вращающихся преобразователей и мотор-генераторов , которые позволили устаревшим системам подключаться к сети переменного тока. ^{[16] [17]} Эти временные решения медленно заменялись по мере того, как старые системы выводились из эксплуатации или модернизировались.

Первая передача однофазного переменного тока с использованием высокого напряжения произошла в Орегоне в 1890 году, когда электроэнергия была доставлена ​​с гидроэлектростанции в Уилламетт Фоллс в город Портленд в 14 милях (23 км) вниз по реке. ^[18] Первая передача трехфазного переменного тока с использованием высокого напряжения состоялась в 1891 году во время международной выставки электричества во Франкфурте . Линия электропередачи напряжением 15 кВ, длиной около 175 км, соединила Лауффен-на-Неккаре и Франкфурт. ^{[10] [19]}

Напряжение передачи увеличивалось в течение 20-го века. К 1914 году пятьдесят пять систем передачи, работающих на более чем 70 кВ, были в эксплуатации. Самое высокое напряжение, которое тогда использовалось, было 150 кВ. ^[20] Объединение нескольких генерирующих установок на большой площади снизило затраты. Наиболее эффективные установки могли использоваться для подачи изменяющихся нагрузок в течение дня. Надежность была повышена, а капитальные затраты были снижены, поскольку резервная генерирующая мощность могла быть разделена между большим количеством клиентов и более обширной территорией. Удаленные и недорогие источники энергии, такие как гидроэлектростанции или уголь из шахт, могли использоваться для дальнейшего снижения затрат. ^{[7] [10]}

Быстрая индустриализация 20-го века сделала линии электропередач и сети критической инфраструктурой . Взаимосвязь местных электростанций и небольших распределительных сетей была стимулирована Первой мировой войной , когда правительства построили крупные электростанции для питания военных заводов. ^[21]

Массовая передача

Подстанция передачи снижает напряжение входящего электричества, позволяя ему подключаться от дальней высоковольтной передачи к местному распределению с более низким напряжением. Она также перенаправляет электроэнергию на другие линии передачи, обслуживающие местные рынки. Это подстанция PacifiCorp Hale, Орем, Юта , США.

Эти сети используют такие компоненты, как линии электропередач, кабели, автоматические выключатели , переключатели и трансформаторы . Сеть передачи обычно администрируется на региональной основе субъектом, таким как региональная организация передачи или оператор системы передачи . ^[22]

Эффективность передачи повышается при более высоком напряжении и более низком токе. Уменьшенный ток снижает потери на нагрев. Первый закон Джоуля гласит, что потери энергии пропорциональны квадрату тока. Таким образом, уменьшение тока в два раза снижает потери энергии на сопротивление проводника в четыре раза для любого заданного размера проводника.

Оптимальный размер проводника для заданного напряжения и тока можно оценить с помощью закона Кельвина для размера проводника, который гласит, что размер оптимален, когда годовая стоимость энергии, теряемой на сопротивление, равна годовым капитальным затратам на обеспечение проводника. В периоды низких процентных ставок и низких цен на сырьевые товары закон Кельвина указывает, что оптимальными являются более толстые провода. В противном случае показаны более тонкие проводники. Поскольку линии электропередач рассчитаны на долгосрочное использование, закон Кельвина используется в сочетании с долгосрочными оценками цен на медь и алюминий, а также процентных ставок.

Более высокое напряжение достигается в цепях переменного тока с помощью повышающего трансформатора . Системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC) требуют относительно дорогостоящего оборудования для преобразования, которое может быть экономически оправдано для определенных проектов, таких как подводные кабели и передача электроэнергии большой емкости на большие расстояния. HVDC необходим для передачи энергии между несинхронизированными сетями.

Сеть электропередач — это сеть электростанций , линий электропередач и подстанций . Энергия обычно передается в сети с трехфазным переменным током . Однофазный переменный ток используется только для распределения конечным пользователям, поскольку он не пригоден для больших многофазных асинхронных двигателей . В 19 веке использовалась двухфазная передача, но для нее требовалось либо четыре провода, либо три провода с неравными токами. Системы с более высоким порядком фаз требуют более трех проводов, но приносят мало пользы или вообще не приносят.

Синхронные сети Европы

В то время как стоимость генерирующих мощностей высока, спрос на энергию изменчив, что часто делает импорт необходимой энергии дешевле, чем ее локальное производство. Поскольку нагрузки часто растут и падают одновременно на больших территориях, электроэнергия часто поступает из удаленных источников. Благодаря экономическим преимуществам распределения нагрузки широкополосные сети электропередачи могут охватывать страны и даже континенты. Взаимосвязь между производителями и потребителями позволяет передавать электроэнергию, даже если некоторые связи не работают.

Медленно меняющаяся часть спроса известна как базовая нагрузка и обычно обслуживается крупными объектами с постоянными эксплуатационными расходами, называемыми фиксированной мощностью . Такие объекты являются ядерными, угольными или гидроэлектрическими, в то время как другие источники энергии, такие как концентрированная солнечная тепловая и геотермальная энергия, имеют потенциал для обеспечения фиксированной мощности. Возобновляемые источники энергии, такие как солнечные фотоэлектрические, ветровые, волновые и приливные, из-за их прерывистости не считаются фиксированными. Оставшийся или пиковый спрос на электроэнергию покрывается пиковыми электростанциями , которые, как правило, представляют собой меньшие, более быстро реагирующие и более дорогие источники, такие как электростанции с комбинированным циклом или турбинами внутреннего сгорания, обычно работающие на природном газе.

Передача электроэнергии на большие расстояния (сотни километров) дешева и эффективна, ее стоимость составляет 0,005–0,02 долл. США за кВт·ч, по сравнению со среднегодовыми затратами крупных производителей в размере 0,01–0,025 долл. США за кВт·ч, розничными тарифами свыше 0,10 долл. США за кВт·ч и многократно выше для поставщиков с мгновенным спросом в непредсказуемые моменты высокого спроса. ^[23] Нью-Йорк часто покупает более 1000 МВт дешевой гидроэлектроэнергии из Канады. ^[24] Местные источники (даже если они более дорогие и используются нечасто) могут защитить электроснабжение от погодных условий и других бедствий, которые могут отключить удаленных поставщиков.

Опора линии электропередачи большой мощности, 230 кВ, двухцепная, также двухпучковая

Гидро- и ветровые источники нельзя переместить ближе к крупным городам, а стоимость солнечной энергии самая низкая в отдаленных районах, где местные потребности в электроэнергии номинальны. Стоимость подключения может определить, является ли какая-либо конкретная возобновляемая альтернатива экономически реалистичной. Стоимость может быть непомерно высокой для линий электропередач, но затраты на сверхмощную сеть передачи на большие расстояния могут быть возмещены с помощью скромной платы за использование.

Входная сетка

На электростанциях электроэнергия вырабатывается при относительно низком напряжении, примерно от 2,3 кВ до 30 кВ, в зависимости от размера установки. Затем напряжение повышается трансформатором электростанции до более высокого напряжения (от 115 кВ до 765 кВ переменного тока) для передачи.

В Соединенных Штатах напряжение в линиях электропередачи составляет от 230 кВ до 500 кВ, исключения составляют линии менее 230 кВ и более 500 кВ.

Western Interconnection имеет два основных напряжения обмена: 500 кВ переменного тока при 60 Гц и ±500 кВ (1000 кВ чистой) постоянного тока с севера на юг ( река Колумбия в Южную Калифорнию ) и с северо-востока на юго-запад (Юта в Южную Калифорнию). 287,5 кВ ( линия Hoover Dam в Лос-Анджелес , через Victorville ) и 345 кВ ( линия Arizona Public Service (APS)) являются местными стандартами, оба из которых были реализованы до того, как 500 кВ стали практичными.

Потери

Передача электроэнергии при высоком напряжении снижает долю энергии, теряемой на джоулев нагрев , которая зависит от типа проводника, тока и расстояния передачи. Например, 100-мильный (160-километровый) пролет при 765 кВ, передающий 1000 МВт мощности, может иметь потери от 0,5% до 1,1%. Линия 345 кВ, передающая ту же нагрузку на том же расстоянии, имеет потери 4,2%. ^[25] Для заданного количества мощности более высокое напряжение уменьшает ток и, следовательно, резистивные потери . Например, повышение напряжения в 10 раз уменьшает ток в соответствующие 10 раз и, следовательно, потери в 100 раз, при условии, что в обоих случаях используются проводники того же размера. Даже если размер проводника (площадь поперечного сечения) уменьшается в десять раз, чтобы соответствовать более низкому току, потери все равно уменьшаются в десять раз при использовании более высокого напряжения. ${\displaystyle I^{2}R}$ ${\displaystyle I^{2}R}$

Хотя потери мощности также можно уменьшить, увеличив проводимость провода (увеличив площадь его поперечного сечения), более крупные проводники тяжелее и дороже. А поскольку проводимость пропорциональна площади поперечного сечения, резистивные потери мощности уменьшаются только пропорционально увеличению площади поперечного сечения, обеспечивая гораздо меньшую выгоду, чем квадратичное уменьшение, обеспечиваемое умножением напряжения.

Передача на большие расстояния обычно осуществляется по воздушным линиям при напряжении от 115 до 1200 кВ. При более высоких напряжениях, когда между проводником и землей существует более 2000 кВ, потери на коронный разряд настолько велики, что они могут компенсировать более низкие резистивные потери в линейных проводниках. Меры по снижению потерь на коронный разряд включают больший диаметр проводника, полые сердечники ^[26] или пучки проводников.

Факторы, влияющие на сопротивление и, следовательно, потери, включают температуру, спиральность и скин-эффект . Сопротивление увеличивается с температурой. Спирализация, которая относится к способу, которым многожильные проводники закручиваются вокруг центра, также способствует увеличению сопротивления проводника. Скин-эффект приводит к увеличению эффективного сопротивления на более высоких частотах переменного тока. Потери на корону и резистивные потери можно оценить с помощью математической модели. ^[27]

Потери при передаче и распределении электроэнергии в США оценивались в 6,6% в 1997 году ^[28] , 6,5% в 2007 году ^[28] и 5% с 2013 по 2019 год ^[29]. В целом потери оцениваются на основе разницы между выработанной электроэнергией (по данным электростанций) и проданной электроэнергией; разница представляет собой потери при передаче и распределении, при условии отсутствия хищений коммунальных услуг.

По состоянию на 1980 год, самая длинная экономически эффективная дистанция для передачи постоянного тока составляла 7000 километров (4300 миль). Для переменного тока она составляла 4000 километров (2500 миль), хотя линии электропередач в США существенно короче. ^[23]

В любой линии переменного тока индуктивность и емкость проводника могут быть значительными. Токи, которые текут исключительно в ответ на эти свойства (которые вместе с сопротивлением определяют импеданс ), составляют поток реактивной мощности , который не передает мощность нагрузке. Однако эти реактивные токи вызывают дополнительные потери на нагрев. Отношение реальной мощности, передаваемой нагрузке, к полной мощности (произведение напряжения и тока цепи без учета фазового угла) называется коэффициентом мощности . По мере увеличения реактивного тока реактивная мощность увеличивается, а коэффициент мощности уменьшается.

Для систем передачи с низким коэффициентом мощности потери выше, чем для систем с высоким коэффициентом мощности. Коммунальные службы добавляют конденсаторные батареи, реакторы и другие компоненты (такие как фазовращатели ; статические компенсаторы реактивной мощности ; и гибкие системы передачи переменного тока , FACTS) по всей системе, чтобы компенсировать поток реактивной мощности, уменьшить потери при передаче электроэнергии и стабилизировать напряжение в системе. Эти меры в совокупности называются «реактивной поддержкой».

Транспонирование

Ток, протекающий по линиям электропередачи, индуцирует магнитное поле , которое окружает линии каждой фазы и влияет на индуктивность окружающих проводников других фаз. Взаимная индуктивность проводников частично зависит от физической ориентации линий относительно друг друга. Трехфазные линии обычно протягиваются с фазами, разделенными вертикально. Взаимная индуктивность, наблюдаемая проводником фазы в середине двух других фаз, отличается от индуктивности, наблюдаемой сверху/снизу.

Несбалансированная индуктивность между тремя проводниками является проблематичной, поскольку она может заставить среднюю линию нести непропорционально большую часть общей передаваемой мощности. Аналогично, несбалансированная нагрузка может возникнуть, если одна линия постоянно находится ближе всего к земле и работает с более низким импедансом. Из-за этого явления проводники должны периодически транспонироваться вдоль линии так, чтобы каждая фаза видела одинаковое время в каждом относительном положении, чтобы сбалансировать взаимную индуктивность, наблюдаемую всеми тремя фазами. Для достижения этого положение линии меняется на специально спроектированных транспозиционных башнях с регулярными интервалами вдоль линии с использованием различных схем транспозиции .

Субтрансмиссия

Линия электропередачи 115 кВ на Филиппинах , а также распределительные линии 20 кВ и уличное освещение , все установлено на деревянном столбе электропередачи.

Н-образная опора ЛЭП 115 кВ

Субтрансмиссия работает при относительно более низких напряжениях. Неэкономично подключать все распределительные подстанции к высокому напряжению основной линии передачи, поскольку это оборудование больше и дороже. Обычно только более крупные подстанции подключаются к этому высокому напряжению. Напряжение понижается перед тем, как ток поступает на более мелкие подстанции. Схемы субтрансмиссии обычно организованы в петли, так что отказ одной линии не останавливает обслуживание многих клиентов более чем на короткое время.

Контуры могут быть нормально замкнутыми , когда потеря одной цепи не должна приводить к прерыванию, или нормально разомкнутыми , когда подстанции могут переключаться на резервное питание. В то время как цепи субпередачи обычно передаются по воздушным линиям , в городских районах может использоваться подземный кабель. Линии субпередачи низкого напряжения используют меньшую полосу отвода и более простые конструкции; подземная прокладка менее сложна.

Никакое фиксированное ограничение не разделяет субтрансмиссию и передачу или субтрансмиссию и распределение . Их диапазоны напряжений перекрываются. Напряжения 69 кВ, 115 кВ и 138 кВ часто используются для субтрансмиссии в Северной Америке. По мере развития энергосистем напряжения, ранее использовавшиеся для передачи, стали использоваться для субтрансмиссии, а напряжения субтрансмиссии стали напряжениями распределения. Как и передача, субтрансмиссия перемещает относительно большие объемы энергии, и как распределение, субтрансмиссия охватывает область, а не просто точку-точку. ^[30]

Выход из сети электропередачи

Трансформаторы подстанции снижают напряжение до более низкого уровня для распределения потребителям. Это распределение осуществляется с помощью комбинации субпередачи (от 33 до 138 кВ) и распределения (от 3,3 до 25 кВ). Наконец, в точке использования энергия преобразуется в напряжение конечного потребителя (от 100 до 4160 вольт).

Преимущество высоковольтной передачи

Высоковольтная передача электроэнергии позволяет снизить резистивные потери на больших расстояниях. Такая эффективность обеспечивает большую долю генерируемой мощности для нагрузок.

Электросеть без трансформатора

Электросеть с трансформатором

В упрощенной модели сеть поставляет электроэнергию от идеального источника напряжения с напряжением , поставляя мощность ) в одну точку потребления, моделируемую сопротивлением , когда провода достаточно длинные, чтобы иметь значительное сопротивление . ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle P_{V}}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle R_{C}}$

Если сопротивления соединены последовательно без промежуточного трансформатора, схема действует как делитель напряжения , поскольку через сопротивление провода и питаемое устройство протекает один и тот же ток . В результате полезная мощность (в точке потребления) составляет: ${\displaystyle I={\frac {V}{R+R_{C}}}}$

${\displaystyle P_{R}=V_{2}\times I=V{\frac {R}{R+R_{C}}}\times {\frac {V}{R+R_{C}}}={\frac {R}{R+R_{C}}}\times {\frac {V^{2}}{R+R_{C}}}={\frac {R}{R+R_{C}}}P_{V}}$

Если идеальный трансформатор преобразует высоковольтное, слаботочное электричество в низковольтное, сильноточное электричество с отношением напряжений (т. е. напряжение делится на , а ток умножается на во вторичной ветви по сравнению с первичной ветвью), то схема снова эквивалентна делителю напряжения, но провода теперь имеют кажущееся сопротивление всего . Полезная мощность тогда равна: ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle R_{C}/a^{2}}$

${\displaystyle P_{R}=V_{2}\times I_{2}={\frac {a^{2}R\times V^{2}}{(a^{2}R+R_{C})^{2}}}={\frac {a^{2}R}{a^{2}R+R_{C}}}P_{V}={\frac {R}{R+R_{C}/a^{2}}}P_{V}}$

При (т.е. преобразовании высокого напряжения в низкое напряжение вблизи точки потребления) большая часть мощности генератора передается в точку потребления, а меньшая часть теряется на джоулев нагрев . ${\displaystyle a>1}$

Моделирование

Модель «черного ящика» для линии электропередачи

Конечные характеристики линии передачи — это напряжение и ток на передающем (S) и принимающем (R) концах. Линия передачи может быть смоделирована как черный ящик , а матрица передачи 2 на 2 используется для моделирования ее поведения следующим образом:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}V_{\mathrm {S} }\\I_{\mathrm {S} }\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}A&B\\C&D\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}V_{\mathrm {R} }\\I_{\mathrm {R} }\\\end{bmatrix}}}$

Предполагается, что линия является взаимной, симметричной сетью, что означает, что принимающие и отправляющие метки могут быть переключены без каких-либо последствий. Матрица передачи T имеет следующие свойства:

• ${\displaystyle \det(T)=AD-BC=1}$
• ${\displaystyle A=D}$

Параметры A , B , C и D различаются в зависимости от того, как желаемая модель обрабатывает сопротивление линии ( R ), индуктивность ( L ), емкость ( C ) и шунтовую (параллельную, утечку) проводимость G.

Четыре основные модели — это приближение короткой линии, приближение средней линии, приближение длинной линии (с распределенными параметрами) и линия без потерь. В таких моделях заглавная буква, например R, относится к общему количеству, суммированному по линии, а строчная буква, например c, относится к количеству на единицу длины.

Линия без потерь

Приближение линии без потерь является наименее точным; оно обычно используется на коротких линиях, где индуктивность намного больше сопротивления. Для этого приближения напряжение и ток идентичны на передающем и принимающем концах.

Напряжение на передающем и приемном концах для линии без потерь

Характеристическое сопротивление является чисто действительным, что означает резистивным для этого сопротивления, и его часто называют волновым сопротивлением. Когда линия без потерь заканчивается волновым сопротивлением, напряжение не падает. Хотя фазовые углы напряжения и тока вращаются, величины напряжения и тока остаются постоянными вдоль линии. При нагрузке > SIL напряжение падает с отправляющего конца, и линия потребляет реактивную мощность. При нагрузке < SIL напряжение увеличивается с отправляющего конца, и линия генерирует реактивную мощность.

Короткая линия

Приближение короткой линии обычно используется для линий короче 80 км (50 миль). Там рассматривается только последовательное сопротивление Z , а C и G игнорируются. Окончательный результат таков: A = D = 1 на единицу, B = Z Ом и C = 0. Соответствующая матрица перехода для этого приближения, таким образом, имеет вид:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}V_{\mathrm {S} }\\I_{\mathrm {S} }\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&Z\\0&1\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}V_{\mathrm {R} }\\I_{\mathrm {R} }\\\end{bmatrix}}}$

Средняя линия

Приближение средней линии используется для линий, пролегающих между 80 и 250 км (50 и 155 миль). Последовательное сопротивление и проводимость шунта (утечка тока) рассматриваются, размещая половину проводимости шунта на каждом конце линии. Эту схему часто называют номинальной π ( пи) схемой из-за формы ( π ), которая принимается, когда проводимость утечки размещается по обе стороны схемы. Анализ средней линии дает:

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=D=1+{\frac {GZ}{2}}{\text{ per unit}}\\B&=Z\Omega \\C&=G{\Big (}1+{\frac {GZ}{4}}{\Big )}S\end{aligned}}}$

Контринтуитивное поведение линий электропередачи средней длины:

• повышение напряжения при отсутствии нагрузки или малом токе ( эффект Ферранти )
• ток на приемном конце может превышать ток на передающем конце

Длинная очередь

Модель длинной линии используется, когда требуется более высокая степень точности или когда рассматриваемая линия имеет длину более 250 км (160 миль). Последовательное сопротивление и шунтирующая проводимость считаются распределенными параметрами, так что каждая дифференциальная длина линии имеет соответствующее дифференциальное последовательное сопротивление и шунтирующую проводимость. Следующий результат может быть применен в любой точке вдоль линии передачи, где — постоянная распространения . ${\displaystyle \gamma }$

${\displaystyle {\begin{aligned}A&=D=\cosh(\gamma x){\text{ per unit}}\\[3mm]B&=Z_{c}\sinh(\gamma x)\Omega \\[2mm]C&={\frac {1}{Z_{c}}}\sinh(\gamma x)S\end{aligned}}}$

Чтобы найти напряжение и ток на конце длинной линии, следует заменить на (длину линии) во всех параметрах матрицы передачи. Эта модель применяет уравнения телеграфиста . ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle l}$

Постоянный ток высокого напряжения

Высоковольтный постоянный ток (HVDC) используется для передачи большого количества энергии на большие расстояния или для соединений между асинхронными сетями. Когда электрическая энергия передается на очень большие расстояния, потери мощности при передаче переменного тока становятся ощутимыми, и вместо этого дешевле использовать постоянный ток. Для длинной линии электропередачи эти более низкие потери (и снижение стоимости строительства линии постоянного тока) могут компенсировать стоимость необходимых преобразовательных станций на каждом конце.

HVDC используется для длинных подводных кабелей , где переменный ток не может быть использован из-за емкости кабеля. ^[31] В этих случаях используются специальные высоковольтные кабели . Подводные системы HVDC часто используются для соединения электросетей островов, например, между Великобританией и континентальной Европой , между Великобританией и Ирландией, между Тасманией и материковой частью Австралии, между Северным и Южным островами Новой Зеландии, между Нью-Джерси и Нью-Йорком , и между Нью-Джерси и Лонг-Айлендом . Были развернуты подводные соединения длиной до 600 километров (370 миль). ^[32]

Связи HVDC могут использоваться для управления проблемами в сети. Мощность, передаваемая по линии переменного тока, увеличивается по мере увеличения фазового угла между напряжением на конце источника и концами назначения, но слишком большой фазовый угол позволяет системам на обоих концах выпадать из синхронизма. Поскольку поток мощности в звене постоянного тока контролируется независимо от фаз сетей переменного тока, которые он соединяет, этого предела фазового угла не существует, и звено постоянного тока всегда способно передавать свою полную номинальную мощность. Таким образом, звено постоянного тока стабилизирует сеть переменного тока на обоих концах, поскольку поток мощности и фазовый угол затем могут контролироваться независимо.

Например, для регулировки потока переменного тока на гипотетической линии между Сиэтлом и Бостоном потребуется регулировка относительной фазы двух региональных электрических сетей. Это обычное явление в системах переменного тока, но оно может быть нарушено, когда компоненты системы переменного тока выходят из строя и создают неожиданные нагрузки на сеть. С линией HVDC вместо этого такое соединение будет:

• Преобразование переменного тока в Сиэтле в постоянный ток высокого напряжения;
• Использовать HVDC для передачи электроэнергии на расстояние 3000 миль (4800 км) по пересеченной местности; и
• Преобразование HVDC в локально синхронизированный переменный ток в Бостоне,

(и, возможно, в других сотрудничающих городах вдоль маршрута передачи). Такая система могла бы быть менее подвержена сбоям, если бы ее части были внезапно отключены. Одним из примеров длинной линии передачи постоянного тока является Pacific DC Intertie, расположенная на западе Соединенных Штатов.

Емкость

Количество энергии, которое может быть передано по линии электропередачи, зависит от длины линии. Нагрев коротких проводников линии из-за потерь в линии устанавливает тепловой предел. Если потребляется слишком много тока, проводники могут провисать слишком близко к земле, или проводники и оборудование могут перегреться. Для линий средней длины, порядка 100 километров (62 мили), предел устанавливается падением напряжения в линии. Для более длинных линий переменного тока ограничивающим фактором становится стабильность системы . Приблизительно мощность, протекающая по линии переменного тока, пропорциональна косинусу фазового угла напряжения и тока на концах.

Этот угол меняется в зависимости от загрузки системы. Нежелательно, чтобы угол приближался к 90 градусам, так как поток мощности уменьшается, а резистивные потери остаются. Произведение длины линии и максимальной нагрузки приблизительно пропорционально квадрату напряжения системы. Последовательные конденсаторы или фазосдвигающие трансформаторы используются на длинных линиях для повышения стабильности. Линии HVDC ограничены только тепловыми пределами и пределами падения напряжения, поскольку фазовый угол не является существенным.

Понимание распределения температуры вдоль кабельного маршрута стало возможным с введением систем распределенного измерения температуры (DTS), которые измеряют температуру по всему кабелю. Без них максимальный ток обычно устанавливался как компромисс между пониманием условий эксплуатации и минимизацией риска. Это решение для мониторинга использует пассивные оптические волокна в качестве датчиков температуры, либо внутри высоковольтного кабеля, либо снаружи, на изоляции кабеля.

Для воздушных кабелей волокно интегрируется в сердечник фазного провода. Интегрированное решение Dynamic Cable Rating (DCR)/Real Time Thermal Rating (RTTR) позволяет максимально использовать сеть. Оно позволяет оператору прогнозировать поведение системы передачи, чтобы отразить основные изменения в ее начальных условиях эксплуатации.

Рекондукторинг

Некоторые коммунальные предприятия приняли реконструкцию, чтобы справиться с ростом производства электроэнергии. Реконструкция — это замена существующих линий электропередачи на линии с более высокой пропускной способностью. Добавление линий электропередачи затруднено из-за стоимости, интервалов выдачи разрешений и местного сопротивления. Реконструкция может удвоить количество электроэнергии, которое может передаваться по линии электропередачи. ^[33] В отчете за 2024 год было обнаружено, что Соединенные Штаты отстают от таких стран, как Бельгия и Нидерланды, в принятии этой технологии для обеспечения электрификации и возобновляемой энергии. ^[34] В апреле 2022 года администрация Байдена упростила экологические экспертизы для таких проектов, а в мае 2022 года объявила о конкурсных грантах для них, финансируемых Двухпартийным законом об инфраструктуре 2021 года и Законом о снижении инфляции 2022 года . ^[35]

Скорость расширения передачи должна удвоиться, чтобы поддержать текущую электрификацию и достичь целей по сокращению выбросов. По состоянию на 2022 год более 10 000 проектов электростанций и хранилищ энергии ожидали разрешения на подключение к сети США — 95% из них были ресурсами с нулевым выбросом углерода. Планирование, разрешение и строительство новых линий электропередач может занять 10 лет. ^[33]

Традиционные линии электропередач используют стальной сердечник, окруженный алюминиевыми жилами ( кабель с алюминиевым проводником, армированный сталью ). Замена стали на более легкий и прочный композитный материал, такой как углеродное волокно ( проводник ACCC ), позволяет линиям работать при более высоких температурах, с меньшим провисанием и удвоенной пропускной способностью. Уменьшение провисания линии при высоких температурах может предотвратить возникновение лесных пожаров, когда линии электропередач касаются сухой растительности. ^[34] Хотя современные линии могут стоить в 2-4 раза дороже, чем стальные, общие затраты на перепроводку составляют менее половины затрат на новую линию, учитывая экономию времени, приобретение земли, получение разрешений и строительство. ^[33]

Проект по реконструкции линий электропередачи на юго-востоке Техаса позволил модернизировать 240 миль линий электропередачи, потратив на это 900 000 долларов за милю, в то время как стоимость нового проекта протяженностью 3600 миль составляла в среднем 1,9 миллиона долларов за милю. ^[33]

Контроль

Для обеспечения безопасной и предсказуемой работы компоненты системы контролируются генераторами, переключателями, автоматическими выключателями и нагрузками. Напряжение, мощность, частота, коэффициент нагрузки и надежность системы передачи разработаны для обеспечения экономически эффективной производительности.

Балансировка нагрузки

Система передачи обеспечивает базовую и пиковую нагрузку с запасами на безопасность и отказоустойчивость. Время пиковой нагрузки различается в зависимости от региона в значительной степени из-за отраслевого микса. В жарком и холодном климате нагрузки на кондиционирование и отопление домов влияют на общую нагрузку. Они обычно самые высокие в конце дня в самое жаркое время года и в середине утра и середины вечера в самое холодное время года. Потребности в электроэнергии различаются в зависимости от сезона и времени суток. Проекты распределительных систем всегда учитывают базовую и пиковую нагрузку.

Система передачи обычно не имеет большой буферной мощности для согласования нагрузок с генерацией. Таким образом, генерация должна быть согласована с нагрузкой, чтобы не допустить перегрузки генерирующего оборудования.

К системе передачи могут быть подключены несколько источников и нагрузок, и они должны контролироваться для обеспечения упорядоченной передачи мощности. При централизованной генерации электроэнергии необходим только локальный контроль генерации. Это подразумевает синхронизацию генерирующих блоков .

В распределенной генерации электроэнергии генераторы географически распределены, и процесс их включения и выключения должен тщательно контролироваться. Сигналы управления нагрузкой могут быть отправлены либо по отдельным линиям, либо по самим линиям электропередач. Напряжение и частота могут использоваться в качестве сигнальных механизмов для балансировки нагрузок.

В сигнализации напряжения напряжение изменяется для увеличения генерации. Мощность, добавляемая любой системой, увеличивается по мере снижения напряжения в линии. Такая схема в принципе стабильна. Регулирование на основе напряжения сложно использовать в ячеистых сетях, поскольку отдельные компоненты и уставки необходимо перенастраивать каждый раз, когда в ячеистую сеть добавляется новый генератор.

В частотной сигнализации генераторные установки соответствуют частоте системы передачи электроэнергии. В управлении скоростью падения , если частота уменьшается, мощность увеличивается. (Падение частоты линии является показателем того, что возросшая нагрузка заставляет генераторы замедляться.)

Ветровые турбины , транспортные средства-сетка , виртуальные электростанции и другие локально распределенные системы хранения и генерации могут взаимодействовать с сетью для улучшения работы системы. На международном уровне ^{[ где? ]} произошел медленный переход от централизованных к децентрализованным энергосистемам. Главное преимущество локально распределенных систем генерации заключается в том, что они снижают потери при передаче, приводя к потреблению электроэнергии ближе к месту ее производства. ^[36]

Защита от сбоев

В условиях избыточной нагрузки система может быть спроектирована так, чтобы выходить из строя постепенно, а не сразу. Отключения происходят, когда поставляемая мощность падает ниже спроса. Отключения происходят, когда сеть выходит из строя полностью.

Веерные отключения электроэнергии (также называемые сбросом нагрузки) — это преднамеренно спланированные отключения электроэнергии, используемые для поочередного распределения недостаточной мощности между различными нагрузками.

Коммуникации

Операторам сетей требуются надежные коммуникации для управления сетью и соответствующими генерирующими и распределительными объектами. Защитные реле обнаружения неисправностей на каждом конце линии должны сообщаться для контроля потока мощности, чтобы можно было быстро обесточить неисправные проводники или оборудование и восстановить баланс системы. Защита линии электропередачи от коротких замыканий и других неисправностей обычно настолько важна, что телекоммуникации с использованием обычных операторов связи недостаточно надежны, в то время как в некоторых отдаленных районах обычные операторы связи недоступны. Системы связи, связанные с проектом передачи, могут использовать:

• Микроволновые печи
• Связь по линиям электропередач
• Оптические волокна

Редко и на короткие расстояния пилотные провода протягиваются вдоль пути линии передачи. Арендованные линии от общих операторов не являются предпочтительными, поскольку доступность не контролируется оператором.

Линии передачи могут использоваться для передачи данных: это называется передачей данных по линиям электропередачи или связью по линиям электропередачи (PLC). Сигналы PLC можно легко принимать с помощью радио в диапазоне длинных волн.

Высоковольтные опоры, по которым проложен дополнительный оптоволоконный кабель в Кении

Оптические волокна могут быть включены в многожильные проводники линии электропередачи, в воздушные экранированные провода. Эти кабели известны как оптический заземляющий провод ( OPGW ). Иногда используется автономный кабель, полностью диэлектрический самонесущий ( ADSS ) кабель, прикрепленный к траверсам линии электропередачи.

Некоторые юрисдикции, такие как Миннесота , запрещают компаниям по передаче энергии продавать излишки пропускной способности связи или выступать в качестве телекоммуникационного общего оператора . Там, где это разрешено нормативной структурой, коммунальное предприятие может продавать емкость в дополнительных темных волокнах общему оператору.

Структура рынка

Передача электроэнергии обычно считается естественной монополией , но она не связана по сути с генерацией. ^{[37] [38] [39]} Многие страны регулируют передачу отдельно от генерации.

Испания была первой страной, создавшей региональную организацию по передаче электроэнергии . В этой стране операции по передаче электроэнергии и рынки электроэнергии разделены. Оператором системы передачи электроэнергии является Red Eléctrica de España (REE), а оператором оптового рынка электроэнергии является Operador del Mercado Ibérico de Energía – Polo Español, SA (OMEL) OMEL Holding | Omel Holding. Система передачи электроэнергии Испании взаимосвязана с системами Франции, Португалии и Марокко.

Создание RTO в Соединенных Штатах было стимулировано Приказом FERC 888 « Содействие оптовой конкуренции посредством открытого доступа к недискриминационным услугам передачи коммунальными службами; возмещение неликвидных затрат коммунальными службами и передающими коммунальными службами» , изданным в 1996 году ^{. [40]} В Соединенных Штатах и ​​некоторых частях Канады компании по передаче электроэнергии работают независимо от генерирующих компаний, но на юге Соединенных Штатов вертикальная интеграция сохраняется. В регионах разделения владельцы передачи и владельцы генерации продолжают взаимодействовать друг с другом как участники рынка с правом голоса в рамках своих RTO. RTO в Соединенных Штатах регулируются Федеральной комиссией по регулированию энергетики .

Проекты коммерческой передачи в Соединенных Штатах включают в себя Cross Sound Cable от Shoreham, Нью-Йорк до New Haven, Коннектикут , Neptune RTS Transmission Line от Sayreville, Нью-Джерси , до New Bridge, Нью-Йорк, и Path 15 в Калифорнии. Дополнительные проекты находятся в разработке или были предложены по всем Соединенным Штатам, включая Lake Erie Connector , подводную линию передачи, предложенную ITC Holdings Corp., соединяющую Онтарио с обслуживающими объектами в регионе PJM Interconnection. ^[41]

В Австралии есть один нерегулируемый или рыночный соединитель – Basslink – между Тасманией и Викторией . Две линии постоянного тока, изначально реализованные как рыночные соединительные линии, Directlink и Murraylink , были преобразованы в регулируемые соединительные линии. ^[42]

Основным препятствием для более широкого внедрения коммерческой передачи является сложность определения того, кто получает выгоду от объекта, чтобы бенефициары платили пошлину. Кроме того, коммерческой линии передачи трудно конкурировать, когда альтернативные линии передачи субсидируются коммунальными службами с монополизированной и регулируемой тарифной базой. ^[43] В Соединенных Штатах Приказ FERC 1000, изданный в 2010 году, пытался снизить барьеры для инвестиций третьих лиц и создания коммерческих линий передачи там, где это необходимо с точки зрения государственной политики. ^[44]

Стоимость передачи

Стоимость передачи высокого напряжения сравнительно низкая по сравнению со всеми другими расходами, составляющими счета потребителей за электроэнергию. В Великобритании стоимость передачи составляет около 0,2 пенсов за кВт·ч по сравнению с доставленной внутренней ценой около 10 пенсов за кВт·ч. ^[45]

Уровень капитальных затрат на рынке оборудования для передачи и распределения электроэнергии в 2011 году оценивался в 128,9 млрд долларов США. ^[46]

Проблемы со здоровьем

Основные научные данные свидетельствуют о том, что маломощное, низкочастотное электромагнитное излучение, связанное с бытовыми токами и линиями электропередач, не представляет краткосрочной или долгосрочной опасности для здоровья.

Некоторые исследования не смогли найти никакой связи между проживанием вблизи линий электропередач и развитием каких-либо заболеваний или болезней, таких как рак. Исследование 1997 года не выявило повышенного риска рака или болезней из-за проживания вблизи линий электропередач. ^[47] Однако другие исследования сообщили о статистических корреляциях между различными заболеваниями и проживанием или работой вблизи линий электропередач. Не было подтверждено никаких неблагоприятных последствий для здоровья людей, не живущих вблизи линий электропередач. ^[48]

Комиссия по коммунальным услугам штата Нью-Йорк провела исследование ^[49] для оценки потенциального воздействия электрических полей на здоровье. В ходе исследования измерялась напряженность электрического поля на краю существующей полосы отвода на линии электропередачи напряжением 765 кВ. Напряженность поля составила 1,6 кВ/м и стала временным максимальным стандартом напряженности для новых линий электропередачи в штате Нью-Йорк. Это заключение также ограничило напряжение новых линий электропередачи, построенных в Нью-Йорке, до 345 кВ. 11 сентября 1990 года после аналогичного исследования напряженности магнитного поля Комиссия по коммунальным услугам штата Нью-Йорк опубликовала свое Временное политическое заявление о магнитных полях . Эта политика установила стандарт магнитного поля в 200 мГс на краю полосы отвода с использованием зимнего нормального номинала проводника. Для сравнения с повседневными предметами фен или электрическое одеяло создают магнитное поле напряженностью 100 мГс – 500 мГс. ^{[50] [51]}

Заявки на новую линию электропередачи обычно включают анализ уровней электрического и магнитного поля на границе полосы отвода. Комиссии по коммунальным услугам обычно не комментируют воздействие на здоровье.

Биологические эффекты были установлены для острого воздействия высокого уровня магнитных полей выше 100  мкТл (1  Гс ) (1000 мГс). В жилых условиях одно исследование сообщило о «ограниченных доказательствах канцерогенности для людей и менее чем достаточных доказательствах канцерогенности для экспериментальных животных», в частности, детской лейкемии, связанной со средним воздействием жилого магнитного поля промышленной частоты выше 0,3 мкТл (3 мГс) до 0,4 мкТл (4 мГс). Эти уровни превышают средние жилые магнитные поля промышленной частоты в домах, которые составляют около 0,07 мкТл (0,7 мГс) в Европе и 0,11 мкТл (1,1 мГс) в Северной Америке. ^{[52] [53]}

Напряженность естественного геомагнитного поля Земли колеблется по поверхности планеты от 0,035 мТл до 0,07 мТл (35 мкТл – 70 мкТл или 350 мГс – 700 мГс), в то время как международный стандарт непрерывного воздействия установлен на уровне 40 мТл (400 000 мГс или 400 Гс) для населения в целом. ^[52]

Регуляторы роста деревьев и гербициды могут использоваться на полосах отвода линий электропередачи ^[54] , что может иметь последствия для здоровья .

Специализированная трансмиссия

Сетки для железных дорог

В некоторых странах, где электровозы или электропоезда работают на низкочастотном переменном токе, отдельные однофазные тяговые сети эксплуатируются железными дорогами. Яркими примерами являются такие страны, как Австрия, Германия и Швейцария, которые используют технологию переменного тока на основе 16  ² / ₃  Гц. Норвегия и Швеция также используют эту частоту, но используют преобразование из общественного питания 50 Гц; в Швеции тяговая сеть 16  ² / ₃  Гц, но только для части системы.

Сверхпроводящие кабели

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) обещают произвести революцию в распределении электроэнергии, обеспечив передачу без потерь. Разработка сверхпроводников с температурой перехода выше точки кипения жидкого азота сделала концепцию сверхпроводящих линий электропередач коммерчески осуществимой, по крайней мере для приложений с высокой нагрузкой. ^[55] Было подсчитано, что отходы будут сокращены вдвое при использовании этого метода, поскольку необходимое холодильное оборудование будет потреблять около половины энергии, сэкономленной за счет устранения резистивных потерь. Такие компании, как Consolidated Edison и American Superconductor, начали коммерческое производство таких систем в 2007 году. ^[56]

Сверхпроводящие кабели особенно подходят для зон с высокой плотностью нагрузки, таких как деловые районы крупных городов, где приобретение сервитута для кабелей обходится дорого. ^[57]

Однопроводной возврат заземляющего провода

Однопроводной заземляющий возврат (SWER) или однопроводной заземляющий возврат — это однопроводная линия передачи для подачи однофазной электроэнергии в отдаленные районы по низкой цене. Она в основном используется для электрификации сельской местности , но также находит применение для более крупных изолированных нагрузок, таких как водяные насосы. Однопроводной заземляющий возврат также используется для HVDC по подводным силовым кабелям.

Беспроводная передача энергии

И Никола Тесла , и Хидэцугу Яги пытались разработать системы для крупномасштабной беспроводной передачи энергии в конце 1800-х и начале 1900-х годов, но без коммерческого успеха.

В ноябре 2009 года LaserMotive выиграла NASA 2009 Power Beaming Challenge, обеспечив питанием кабельного альпиниста на высоте 1 км по вертикали с помощью наземного лазерного передатчика. Система вырабатывала до 1 кВт мощности на приемном конце. В августе 2010 года NASA заключило контракт с частными компаниями на разработку систем лазерного луча для питания спутников на низкой околоземной орбите и запуска ракет с использованием лазерных лучей мощности.

Беспроводная передача энергии была изучена для передачи энергии от солнечных спутников на Землю. Массив микроволновых или лазерных передатчиков большой мощности будет направлять энергию на ректенну . Любой проект солнечного спутника сталкивается с серьезными инженерными и экономическими проблемами.

Безопасность

Федеральное правительство Соединенных Штатов заявило, что энергосистема уязвима для кибервойны . ^{[63] [64]} Министерство внутренней безопасности Соединенных Штатов сотрудничает с промышленностью для выявления уязвимостей и оказания помощи промышленности в повышении безопасности сетей систем управления. ^[65]

В июне 2019 года Россия признала, что ее электросеть «возможно» подверглась кибератаке со стороны США. ^[66] The New York Times сообщила, что американские хакеры из Киберкомандования США внедрили вредоносное ПО, потенциально способное нарушить работу российской электросети. ^[67]

Записи

• Система максимальной мощности: 12 ГВт Чжундун – Ваньнань (准东-皖南) ± 1100 кВ HVDC. ^{[68] [69]}
• Наибольшее напряжение передачи (переменного тока):
  • Планируется: 1,20 МВ (сверхвысокое напряжение) на линии Вардха-Аурангабад (Индия) – в стадии строительства. Первоначально будет работать на 400 кВ. ^[70]
  • по всему миру: 1,15 МВ (сверхвысокое напряжение) на линии Экибастуз-Кокшетау ( Казахстан )
• Крупнейшая двухцепная линия электропередачи — Кита-Иваки (Япония).
• Самые высокие башни : мост через реку Янцзы (Китай) (высота: 345 м или 1132 фута)
• Самая длинная линия электропередачи: Инга-Шаба ( Демократическая Республика Конго ) (длина: 1700 километров или 1056 миль)
• Самый длинный пролет линии электропередачи: 5376 м (17 638 футов) в Ameralik Span ( Гренландия , Дания)
• Самые длинные подводные кабели:
  • North Sea Link (Норвегия/Великобритания) – (длина подводного кабеля: 720 километров или 447 миль)
  • NorNed , Северное море (Норвегия/Нидерланды) – (длина подводного кабеля: 580 километров или 360 миль)
  • Basslink , Бассов пролив , (Австралия) – (длина подводного кабеля: 290 километров или 180 миль, общая длина: 370,1 километра или 230 миль)
  • Балтийский кабель , Балтийское море (Германия/Швеция) – (длина подводного кабеля: 238 километров или 148 миль, длина HVDC : 250 километров или 155 миль, общая длина: 262 километра или 163 мили)
• Самые длинные подземные кабели:
  • Murraylink , Riverland / Sunraysia (Австралия) – (длина подземного кабеля: 170 километров или 106 миль)

Смотрите также

• Энергетический портал

• Динамический спрос (электроэнергия)
• Реагирование на спрос
• Список электростанций с накоплением энергии
• Сеть тягового электроснабжения
• Обратная подача
• Огни маркировки проводников
• Двухцепная линия электропередачи
• Программа электромагнитных переходных процессов (EMTP)
• Гибкая система передачи переменного тока (FACTS)
• Геомагнитно-индуцированный ток (ГИТ)
• Провод, покрытый графеном
• Сетевая электрическая система
• Перечень высоковольтных подземных и подводных кабелей
• Профиль нагрузки
• Национальная сеть (значения)
• Связь по линиям электропередач (ПЛК)
• Моделирование энергосистемы
• Передача радиочастотной энергии
• Колесо (электрическая передача энергии)

Ссылки

1. "Grand Coulee Powerplant". Бюро мелиорации США. Архивировано из оригинала 29 апреля 2014 года . Получено 11 марта 2015 года .
2. "A Primer on Electric Utilities, Deregulation, and Restructuring of US Electricity Markets" (PDF) . Федеральная программа управления энергетикой Министерства энергетики США (FEMP). Май 2002 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. . Получено 30 октября 2018 г. .
3. Ганс Дитер Бец, Ульрих Шуман, Пьер Ларош (2009). Молния: принципы, приборы и применение. Springer, стр. 202–203. ISBN 978-1-4020-9078-3 . Получено 13 мая 2009 г. 
4. Баннерджи, Нила (16 сентября 2001 г.). «После атак: рабочие; бригады Con Edison импровизируют, перемонтируя укороченную систему». The New York Times .
5. «Расследование отключения электроэнергии в сентябре 2013 года на участке линии Нью-Хейвен железной дороги Metro-North Railroad». documents.dps.ny.gov. 2014. Получено 29 декабря 2019 г.
6. Дело NYSPSC № 13-E-0529
7. Thomas P. Hughes (1993). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930. Балтимор: Johns Hopkins University Press. стр. 119–122. ISBN 0-8018-4614-5.
8. Guarnieri, M. (2013). «Начало передачи электроэнергии: Часть первая». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (1): 57–60. doi :10.1109/MIE.2012.2236484. S2CID  45909123.
9. "Electricity Transmission: A primer" (PDF) . Национальный совет по политике в области электроэнергетики. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. . Получено 17 сентября 2019 г. .
10. Guarnieri, M. (2013). «Начало передачи электроэнергии: Часть вторая». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (2): 52–59. doi :10.1109/MIE.2013.2256297. S2CID  42790906.
11. "Великий эксперимент Баррингтона". edisontechcenter.org .
12. «Уильям Стэнли – История инженерии и технологий вики». ethw.org . 8 августа 2017 г.
13. Арнольд Хертье , Марк Перлман Развитие технологий и рыночной структуры: Исследования по экономике Шумпетера, стр. 138
14. Карлсон, В. Бернард (2013). Тесла: изобретатель электрического века . Princeton University Press. ISBN 1-4008-4655-2 , стр. 130 
15. Джоннес, Джилл (2004). Империи света: Эдисон, Тесла, Вестингауз и гонка за электрификацию мира . Random House Trade Paperbacks. ISBN 978-0-375-75884-3 , стр. 161. 
16. Parke Hughes, Thomas (1993). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 . JHU Press. С. 120–121.
17. Гаруд, Рагху; Кумарасвами, Арун; Ланглуа, Ричард (2009). Управление в модульную эпоху: архитектуры, сети и организации . John Wiley & Sons. стр. 249. ISBN 9781405141949.
18. Аргерзингер, Р. Э. (1915). «Электрическая передача мощности». General Electric Review . XVIII : 454.
19. Kiessling F, Nefzger P, Nolasco JF, Kaintzyk U. (2003). Воздушные линии электропередач . Springer, Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк, стр. 5
20. Данные Бюро переписи населения перепечатаны в Hughes, стр. 282–283.
21. Хьюз, стр. 293–295.
22. "Распределительные подстанции - Мичиганский технологический университет" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. . Получено 20 апреля 2019 г. .
23. Paris, L.; Zini, G.; Valtorta, M.; Manzoni, G.; Invernizzi, A.; De Franco, N.; Vian, A. (1984). "Современные пределы систем передачи электроэнергии на очень большие расстояния" (PDF) . Международная конференция CIGRE по большим высоковольтным электрическим системам, сессия 1984 г., 29 августа – 6 сентября . Global Energy Network Institute . Получено 29 марта 2011 г. .4,98 МБ
24. "NYISO Zone Maps". New York Independent System Operator. Архивировано из оригинала 2 декабря 2018 года . Получено 10 января 2014 года .
25. "Transmission Facts, p. 4" (PDF) . American Electric Power . Архивировано из оригинала (PDF) 4 июня 2011 г.
26. Комиссия по коммунальному хозяйству Калифорнии Корона и индуцированные токи
27. Курт Хартинг (24 октября 2010 г.). «Потери в линиях передачи переменного тока». Стэнфордский университет . Получено 10 июня 2019 г.
28. "Где я могу найти данные о потерях при передаче и распределении электроэнергии?". Часто задаваемые вопросы – Электричество . Управление энергетической информации США . 19 ноября 2009 г. Архивировано из оригинала 12 декабря 2012 г. Получено 29 марта 2011 г.
29. «Сколько электроэнергии теряется при передаче и распределении электроэнергии в Соединенных Штатах?». Часто задаваемые вопросы – Электричество . Управление энергетической информации США . 9 января 2019 г. Получено 27 февраля 2019 г.
30. Дональд Г. Финк и Х. Уэйн Бити. (2007), Стандартный справочник для инженеров-электриков (15-е изд.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-144146-9 раздел 18.5 
31. Дональд Г. Финк, Х. Уэйн Битти, Стандартный справочник для инженеров-электриков, 11-е издание , McGraw Hill, 1978, ISBN 0-07-020974-X , страницы 15–57 и 15–58 
32. Гварниери, М. (2013). «Эволюция переменного тока в передаче постоянного тока». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (3): 60–63. doi :10.1109/MIE.2013.2272238. S2CID  23610440.
33. Понтекорво, Эмили (20 февраля 2024 г.). «Есть глупо простой способ расширить сетку — новости Heatmap». heatmap.news . Получено 6 марта 2024 г. .
34. Брэд Пламер (14 апреля 2024 г.). «США срочно нужна большая сеть. Вот быстрое решение». The New York Times .
35. "ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЛИСТОК: Администрация Байдена-Харрис запускает федерально-государственную инициативу по укреплению энергосистемы Америки". Белый дом . 28 мая 2024 г.
36. «Ухабистая дорога к дерегулированию энергетики». EnPowered. 28 марта 2016 г. Архивировано из оригинала 7 апреля 2017 г. Получено 6 апреля 2017 г.
37. Шмалензее, Ричард (2021). «Сильные и слабые стороны традиционных соглашений о поставках электроэнергии». Справочник по рынкам электроэнергии . Edward Elgar Publishing. стр. 16. doi : 10.4337/9781788979955.00008. ISBN 9781788979955. S2CID  244796440.
38. Рагхувир Шринивасан (15 августа 2004 г.). «Бизнес по передаче электроэнергии — это естественная монополия». The Hindu Business Line . The Hindu . Получено 31 января 2008 г.
39. Линн Кислинг (18 августа 2003 г.). «Переосмыслите естественное монопольное обоснование регулирования электроэнергии». Reason Foundation. Архивировано из оригинала 13 февраля 2008 г. Получено 31 января 2008 г.
40. "FERC: Landmark Orders – Order No. 888". www.ferc.gov . Архивировано из оригинала 19 декабря 2016 г. Получено 7 декабря 2016 г.
41. «Как ITC Holdings планирует связать спрос PJM с богатыми возобновляемыми источниками энергии Онтарио». Utility Dive . 8 декабря 2014 г.
42. "NEMMCO Power System Planning". 18 июля 2008 г. Архивировано из оригинала 18 июля 2008 г. Получено 14 ноября 2022 г.
43. Фиона Вульф (2003). Глобальное расширение передачи . Pennwell Books. стр. 226, 247. ISBN 0-87814-862-0.
44. "FERC: Industries – Order No. 1000 – Transmission Planning and Cost Allocation". www.ferc.gov . Архивировано из оригинала 30 октября 2018 г. . Получено 30 октября 2018 г. .
45. Какова стоимость кВтч оптовой передачи / Национальной сети в Великобритании (обратите внимание, что сюда не включены расходы на распределение)
46. "Рынок оборудования для передачи и распределения электроэнергии (T&D) 2011–2021". Архивировано из оригинала 18 июня 2011 г. Получено 4 июня 2011 г.
47. Линии электропередач и рак. Архивировано 17 апреля 2011 г. в Wayback Machine , The Health Report / ABC Science — трансляция 7 июня 1997 г. (Австралийская вещательная корпорация)
48. "WHO | Электромагнитные поля и общественное здоровье". 24 декабря 2007 г. Архивировано из оригинала 24 декабря 2007 г. Получено 14 ноября 2022 г.
49. Мнение № 78-13 (выдано 19 июня 1978 г.)
50. "EMF Report for the CHPE". TRC. Март 2010. С. 1–4 . Получено 9 ноября 2018 г.
51. "Electric and Magnetic Field Strengths" (PDF) . Transpower New Zealand Ltd. стр. 2. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. . Получено 9 ноября 2018 г. .
52. "Электромагнитные поля и общественное здоровье". Информационный бюллетень № 322. Всемирная организация здравоохранения . Июнь 2007 г. Архивировано из оригинала 1 июля 2007 г. Получено 23 января 2008 г.
53. "Электрические и магнитные поля, связанные с использованием мощности" (PDF) . Национальный институт наук об окружающей среде и здоровье . Июнь 2002 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Получено 29 января 2008 г.
54. "Трансмиссия Управление растительностью Стандарт NERC FAC-003-2 Технический справочник Страница 14/50" (PDF) . nerc.com . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
55. Jacob Oestergaard; et al. (2001). "Потери энергии сверхпроводящих кабелей электропередачи в сети" (PDF) . IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 11 (1): 2375. Bibcode :2001ITAS...11.2375O. doi :10.1109/77.920339. S2CID  55086502. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
56. New Scientist и Reuters (22 мая 2007 г.). «Сверхпроводящая линия электропередачи укрепит электросеть Нью-Йорка». New Scientist .
57. "Сверхпроводящие кабели будут использоваться для подачи электроэнергии потребителям". Архивировано из оригинала 14 июля 2014 года . Получено 12 июня 2014 года .
58. "Первый век сверхпроводимости". Архивировано из оригинала 12 августа 2012 г. Получено 9 августа 2012 г.
59. "Кабель передачи HTS". www.superpower-inc.com .
60. "IBM100 - Высокотемпературные сверхпроводники". www-03.ibm.com . 10 августа 2017 г. Архивировано из оригинала 3 апреля 2012 г.
61. Patel, 03/01/2012 | Sonal (1 марта 2012 г.). «Технология высокотемпературных сверхпроводников набирает обороты». Журнал POWER .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
62. "Началась эксплуатация самого длинного в мире сверхпроводящего кабеля". phys.org .
63. Шилс, Мэгги (9 апреля 2009 г.). «Шпионы «проникают в энергосистему США». BBC News .
64. «Сообщается, что хакеры внедрили код в электросеть». CNN . 9 апреля 2009 г.
65. Холланд, Стив; Миккельсен, Рэндалл (8 апреля 2009 г.). "ОБНОВЛЕНИЕ 2-США обеспокоены уязвимостью электросети к кибератакам". Reuters . Архивировано из оригинала 13 января 2016 г.
66. "США и Россия столкнулись из-за хакерских атак на электросети". BBC News . 18 июня 2019 г.
67. Гринберг, Энди (18 июня 2019 г.). «Как не следует предотвращать кибервойну с Россией». Wired .
68. "Развитие технологий передачи и изоляции сверхвысокого напряжения в Китае" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
69. "准东-皖南±1100千伏特高压直流输电工程竣工投运" . xj.xinhuanet.com . Архивировано из оригинала 30 сентября 2019 года.
70. "India Steps It Up". Transmission & Distribution World . Январь 2013 г.

Дальнейшее чтение

• Григсби, Л. Л. и др. Справочник по электроэнергетике . США: CRC Press. (2001). ISBN 0-8493-8578-4 
• Хьюз, Томас П. , Сети электроснабжения: электрификация в западном обществе 1880–1930 гг ., Издательство Университета Джона Хопкинса, Балтимор, 1983 г. ISBN 0-8018-2873-2 , превосходный обзор развития коммерческой электроэнергии за первые 50 лет 
• Рейлли, Хелен (2008). Соединяя страну – Национальная сеть Новой Зеландии 1886–2007 . Веллингтон: Steele Roberts. стр. 376 страниц. ISBN 978-1-877448-40-9.
• Пансини, Энтони Дж., Э.Э., PE подземные электрические линии . США: Hayden Book Co, 1978. ISBN 0-8104-0827-9. 
• Westinghouse Electric Corporation, « Патенты на передачу электроэнергии; многофазная система Теслы ». (Передача электроэнергии; многофазная система; патенты Теслы )