Передача электроэнергии

Массовое перемещение электрической энергии

Трехфазные линии электропередачи напряжением пятьсот киловольт (500 кВ) на плотине Гранд-Кули . Показаны четыре цепи. Две дополнительные цепи скрыты деревьями справа. Вся паспортная генерирующая мощность плотины в 7079 МВт обеспечивается этими шестью контурами.

Передача электроэнергии — это массовое перемещение электрической энергии от генерирующего объекта, такого как электростанция , к электрической подстанции . Взаимосвязанные линии, которые облегчают это движение, образуют сеть передачи . Это отличается от местной проводки между высоковольтными подстанциями и потребителями, которую обычно называют распределением электроэнергии . Объединенная сеть передачи и распределения является частью системы доставки электроэнергии , известной как электрическая сеть .

Эффективная передача электроэнергии на большие расстояния требует высокого напряжения . Это уменьшает потери, вызванные сильными токами . В линиях электропередачи используется либо переменный ток (AC), либо постоянный ток (DC). Уровень напряжения изменяется с помощью трансформаторов . Напряжение повышается при передаче, а затем снижается при местном распределении.

Синхронная сеть большой площади , известная в Северной Америке как «межсетевое соединение», напрямую соединяет генераторы, поставляющие мощность переменного тока с одинаковой относительной частотой многим потребителям. Северная Америка имеет четыре основных межсетевых соединения: Западное , Восточное , Квебек и Техас . Одна сеть соединяет большую часть континентальной Европы .

Исторически сложилось так, что 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. ^[1]

Система

Схема электроэнергетической системы. Система передачи выделена синим цветом.

Большинство линий электропередачи Северной Америки представляют собой высоковольтные трехфазные сети переменного тока, хотя в системах электрификации железных дорог иногда используется однофазный переменный ток . Технология постоянного тока используется для повышения эффективности на больших расстояниях, обычно на сотни миль. Технология постоянного тока высокого напряжения (HVDC) также используется в подводных силовых кабелях (обычно длиной более 30 миль (50 км)), а также при обмене электроэнергией между сетями, которые не синхронизированы друг с другом. Каналы HVDC стабилизируют сети распределения электроэнергии, где внезапные новые нагрузки или отключения электроэнергии в одной части сети в противном случае могут привести к проблемам синхронизации и каскадным сбоям .

Электричество передается при высоком напряжении , чтобы уменьшить потери энергии из-за сопротивления , возникающего на больших расстояниях. Электроэнергия обычно передается по воздушным линиям электропередачи . 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.

Электрическая энергия обычно должна производиться 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 генерирующих станций и оборудования передачи, чтобы предотвратить ущерб. 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 , а крупные отключения электроэнергии произошли в других регионах США в 1996 и 2011 годах . Сети электропередачи объединены в региональные, национальные и даже общеконтинентальные сети, чтобы снизить риск такого сбоя за счет обеспечения множества резервных альтернативных маршрутов подачи электроэнергии в случае таких отключений. Передающие компании определяют максимальную надежную мощность 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 провода не покрыты изоляцией. Материал проводника почти всегда представляет собой алюминиевый сплав, состоящий из нескольких жил и, возможно, армированный стальными жилами. Медь иногда использовалась для воздушной передачи, но алюминий легче, снижает урожайность лишь незначительно и стоит гораздо дешевле. Воздушные провода поставляют несколько компаний. Материал и форма проводников регулярно совершенствуются для увеличения пропускной способности.

Размеры проводников варьируются от 12 мм ² ( американский калибр провода #6 ) до 750 мм ² (площадь 1 590 000  круговых милов ) с различным сопротивлением и допустимой нагрузкой по току . Для проводников большого размера (диаметром более нескольких сантиметров) большая часть тока концентрируется вблизи поверхности из-за скин-эффекта . Центр проводника пропускает небольшой ток, но увеличивает вес и стоимость. Таким образом, для большей пропускной способности используются несколько параллельных кабелей (называемых пучковыми проводниками ). Пучковые проводники используются при высоких напряжениях для уменьшения потерь энергии, вызванных коронным разрядом .

Сегодня напряжение на уровне передачи обычно составляет 110 кВ и выше. Более низкие напряжения, например 66 кВ и 33 кВ, обычно считаются напряжениями подпередачи, но иногда используются на длинных линиях с небольшой нагрузкой. Для распределения обычно используется напряжение менее 33 кВ . Напряжения выше 765 кВ считаются сверхвысокими и требуют различных конструкций.

Для изоляции воздушных проводов используется воздух, поэтому необходимо, чтобы между линиями сохранялись минимальные зазоры. Неблагоприятные погодные условия, такие как сильный ветер и низкие температуры, прерывают передачу. Скорость ветра до 23 узлов (43 км/ч) может привести к тому, что проводники посягают на рабочее пространство, что приводит к перекрытию и потере электроснабжения. ^[2] Колебательное движение физической линии называется галопом или трепетанием проводника в зависимости от частоты и амплитуды колебаний.

• 
  Трехфазная передающая башня напряжением пятьсот киловольт (500 кВ) в штате Вашингтон, трехсторонняя линия.
• 
  Три электрических опоры в ряд в Вебстере, штат Техас.

Метро

Электроэнергия может передаваться по подземным силовым кабелям . Подземные кабели не занимают полосу отвода, имеют меньшую видимость и меньше подвержены влиянию погодных условий. Однако кабели должны быть изолированы. Затраты на прокладку кабеля и земляные работы намного выше, чем на строительство надземных сооружений. На обнаружение и устранение неисправностей в подземных линиях электропередачи уходит больше времени.

В некоторых мегаполисах кабели заключены в металлические трубы и изолированы диэлектрической жидкостью (обычно маслом), которая либо статична, либо циркулирует с помощью насосов. Если электрическая неисправность повреждает трубу и приводит к утечке диэлектрика, жидкий азот используется для замораживания участков трубы, чтобы обеспечить возможность слива и ремонта. Это удлиняет срок ремонта и увеличивает затраты. Температура трубы и окружающей среды контролируется на протяжении всего периода ремонта. ^{[3] [4] [5]}

Подземные линии ограничены их тепловой мощностью, что позволяет уменьшить перегрузку или изменение номинальных характеристик линий. Длинные подземные кабели переменного тока имеют значительную емкость , что снижает их способность обеспечивать полезную мощность на расстоянии более 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, которое используется для освещения и механических нагрузок. Это ограничило расстояние между электростанцией и потребителями. В 1882 году напряжение постоянного тока нельзя было легко увеличить для передачи на большие расстояния. Разные классы нагрузок (например, освещение, стационарные двигатели и тяговые/железнодорожные системы) требовали разного напряжения и поэтому использовали разные генераторы и схемы. ^{[6] [7]}

Таким образом, генераторы располагались рядом с их нагрузками, и эта практика позже стала известна как распределенная генерация с использованием большого количества небольших генераторов. ^[8]

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

Первая линия переменного тока междугородной связи длиной 34 километра (21 миля) была построена для Международной выставки электроэнергии 1884 года в Турине, Италия . Он питался от генератора переменного тока Siemens & Halske напряжением 2 кВ, 130 Гц и имел несколько трансформаторов Голара с первичными обмотками, соединенными последовательно, которые питали лампы накаливания. Система доказала возможность передачи электроэнергии переменного тока на большие расстояния. ^[7]

Первая коммерческая система распределения переменного тока была введена в эксплуатацию в 1885 году на улице Виа дей Черки в Риме, Италия , для общественного освещения. Он питался от двух генераторов переменного тока Siemens & Halske мощностью 30 л.с. (22 кВт), 2 кВ при 120 Гц, использовал 19 км кабелей и 200 параллельно соединенных понижающих трансформаторов от 2 кВ до 20 В, снабженных замкнутой магнитной цепью, один для каждой лампы. Несколько месяцев спустя за ней последовала первая британская система кондиционирования, обслуживающая галерею Гросвенор . В нем также были установлены генераторы переменного тока Siemens и понижающие трансформаторы от 2,4 кВ до 100 В – по одному на пользователя – с шунтирующими первичными обмотками. ^[9]

Работая над улучшением того, что он считал непрактичной конструкцией Голара-Гиббса, инженер-электрик Уильям Стэнли-младший в 1885 году разработал первый практический серийный трансформатор переменного тока. ^[10] Работая при поддержке Джорджа Вестингауза , в 1886 году он продемонстрировал трансформатор переменного тока на основе трансформатора. система освещения в Грейт-Баррингтоне, Массачусетс . Он питался от генератора Siemens на 500 В с приводом от парового двигателя. Напряжение было понижено до 100 вольт с помощью трансформатора Стэнли для питания ламп накаливания на 23 предприятиях на высоте более 4000 футов (1200 м). ^[11] Эта практическая демонстрация трансформатора и системы освещения переменного тока побудила Westinghouse начать установку систем переменного тока позже в том же году. ^[10]

В 1888 году появились первые конструкции двигателя переменного тока . Это были асинхронные двигатели , работающие на многофазном токе, независимо изобретенные Галилео Феррарисом и Николой Теслой . Westinghouse лицензировала дизайн Теслы. Практичные трехфазные двигатели были разработаны Михаилом Доливо-Добровольским и Чарльзом Юджином Ланселотом Брауном . ^[12] Широкое распространение таких двигателей было отложено на многие годы из-за проблем с разработкой и нехватки многофазных энергосистем , необходимых для их питания. ^{[13] [14]}

Многофазные генераторы переменного тока Westinghouse 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 электрические компании объединились в более крупные корпорации, такие как Ganz и AEG в Европе, а также 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. ^[15] Экономия за счет масштаба переменного тока с крупными электростанциями и передачей на большие расстояния постепенно добавляла возможность связывать все нагрузки. К ним относятся однофазные системы переменного тока, многофазные системы переменного тока, низковольтное освещение с лампами накаливания, высоковольтное дуговое освещение и существующие двигатели постоянного тока на заводах и трамваях. В системе, которая стала универсальной, эти технологические различия были временно устранены с помощью вращающихся преобразователей и мотор-генераторов , которые позволяли устаревшим системам подключаться к сети переменного тока. ^{[15] [16]} Эти временные пробелы постепенно заменялись по мере вывода из эксплуатации или модернизации старых систем.

Первая передача однофазного переменного тока с использованием высокого напряжения произошла в Орегоне в 1890 году, когда электроэнергия была подана с гидроэлектростанции в Уилламетт-Фолс в город Портленд , расположенный в 14 милях (23 км) вниз по реке. ^[17] Первый трехфазный переменный ток с использованием высокого напряжения произошел в 1891 году во время международной электроэнергетической выставки во Франкфурте . Линия электропередачи 15 кВ длиной около 175 км соединила Лауффен на Неккаре и Франкфурт. ^{[9] [18]}

Напряжения передачи увеличивались на протяжении всего 20 века. К 1914 году в эксплуатации находилось пятьдесят пять систем электропередачи напряжением более 70 кВ. Максимальное использовавшееся тогда напряжение составляло 150 кВ. ^[19] Объединение нескольких электростанций на большой территории снижает затраты. Наиболее эффективные установки можно использовать для обеспечения различных нагрузок в течение дня. Была повышена надежность и снижены капитальные затраты, поскольку резервные генерирующие мощности можно было распределять между гораздо большим количеством потребителей и на более широкой территории. Удаленные и недорогие источники энергии, такие как гидроэлектроэнергия или шахтный уголь, можно использовать для дальнейшего снижения затрат. ^{[6] [9]}

Быстрая индустриализация 20-го века сделала линии электропередачи и сети критически важной инфраструктурой . Объединение местных электростанций и небольших распределительных сетей было стимулировано Первой мировой войной , когда правительства построили крупные электростанции для питания заводов по производству боеприпасов. ^[20]

Массовая передача

Передающая подстанция снижает напряжение поступающей электроэнергии, позволяя ей подключаться от передачи высокого напряжения на большие расстояния к местному распределению более низкого напряжения. Он также перенаправляет электроэнергию на другие линии электропередачи, которые обслуживают местные рынки. Это подстанция PacifiCorp Hale, Орем, Юта , США.

В этих сетях используются такие компоненты, как линии электропередачи, кабели, автоматические выключатели , переключатели и трансформаторы . Сеть передачи обычно управляется на региональной основе такой организацией, как региональная организация передачи или оператор системы передачи . ^[21]

Эффективность передачи повышается при более высоком напряжении и меньшем токе. Пониженный ток снижает потери на обогрев. 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 является оптимальным, когда ежегодная стоимость энергии, затрачиваемой на сопротивление, равна годовым капитальным затратам на обеспечение проводника. Во времена более низких процентных ставок и низких цен на товары закон Кельвина показывает, что более толстые провода оптимальны. В противном случае указываются 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 в цепях переменного тока достигается за счет использования повышающего трансформатора . Системы постоянного тока высокого напряжения (HVDC) требуют относительно дорогостоящего преобразовательного оборудования, которое может быть экономически оправдано для конкретных проектов, таких как подводные кабели и передача данных «точка-точка» с высокой пропускной способностью на большие расстояния. HVDC необходим для передачи энергии между несинхронизированными сетями.

Передающая сеть — это сеть электростанций , линий электропередачи и подстанций . Энергия обычно передается в сети трехфазного переменного тока . Однофазный переменный ток используется только для распределения конечным потребителям, поскольку он непригоден для больших многофазных асинхронных двигателей . В 19 веке использовалась двухфазная передача, но требовалось либо четыре провода, либо три провода с неравными токами. Фазовые системы более высокого порядка требуют более трех проводов, но приносят мало пользы или вообще не приносят никакой пользы.

Синхронные сети Европы

Хотя стоимость генерирующих мощностей высока, спрос на энергию непостоянен, поэтому зачастую дешевле импортировать необходимую электроэнергию, чем производить ее на месте. Поскольку нагрузки часто поднимаются и падают одновременно на больших площадях, электроэнергия часто поступает из удаленных источников. Из-за экономических преимуществ распределения нагрузки глобальные сети электропередачи могут охватывать страны и даже континенты. Взаимосвязь между производителями и потребителями позволяет передавать энергию, даже если некоторые звенья не работают.

Медленно меняющаяся часть спроса известна как базовая нагрузка и обычно обслуживается крупными объектами с постоянными эксплуатационными расходами, называемыми устойчивой мощностью . Такими объектами являются атомные, угольные или гидроэлектростанции, в то время как другие источники энергии, такие как концентрированная солнечная тепловая и геотермальная энергия , потенциально могут обеспечить гарантированную электроэнергию. Возобновляемые источники энергии, такие как солнечная фотоэлектрическая энергия, энергия ветра, волн и приливов, из-за своей непостоянства не считаются устойчивыми. Оставшаяся или «пиковая» потребность в электроэнергии удовлетворяется пиковыми электростанциями , которые обычно являются меньшими по размеру, быстрее реагирующими и более дорогостоящими источниками, такими как парогазовые установки или турбины внутреннего сгорания, обычно работающие на природном газе.

Передача на большие расстояния (сотни километров) дешева и эффективна, ее затраты составляют 0,005–0,02 доллара США за кВтч, по сравнению со среднегодовыми затратами крупных производителей в 0,01–0,025 долларов США за кВтч, розничными ставками выше 0,10 долларов США за кВтч и кратными розничной торговли для мгновенных поставщиков в непредсказуемые моменты высокого спроса. ^[22] Нью-Йорк часто покупает более 1000 МВт недорогой гидроэлектроэнергии у Канады. ^[23] Местные источники (даже если они более дорогие и используются нечасто) могут защитить электроснабжение от погодных условий и других стихийных бедствий, которые могут привести к отключению удаленных поставщиков.

Башня электропередачи большой мощности 230 кВ двухцепная, в том числе двухпучковая

Гидро- и ветровые источники невозможно переместить ближе к крупным городам, а затраты на солнечную энергию самые низкие в отдаленных районах, где местные потребности в электроэнергии номинальны. Затраты на подключение могут определить, является ли какая-либо конкретная возобновляемая альтернатива экономически реалистичной. Затраты на линии электропередачи могут быть непомерно высокими, но затраты на высокопроизводительную суперсеть на большие расстояния могут быть возмещены за счет умеренной платы за использование.

Ввод сетки

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

В Соединенных Штатах передача электроэнергии составляет от 230 до 500 кВ, за исключением исключений менее 230 кВ или более 500 кВ.

Западное межсоединение имеет два основных переменных напряжения: 500 кВ переменного тока частотой 60 Гц и ±500 кВ (сеть 1000 кВ) постоянного тока с севера на юг (от реки Колумбия до Южной Калифорнии ) и с северо-востока на юго-запад (от Юты до Южной Калифорнии). 287,5 кВ ( линия от плотины Гувера до Лос-Анджелеса , через Викторвилл ) и 345 кВ ( линия государственной службы Аризоны (APS)) являются местными стандартами, оба из которых были внедрены до того, как 500 кВ стало практичным.

Потери

Передача электричества при высоком напряжении снижает долю энергии, теряемую на джоулевый нагрев , которая зависит от типа проводника, силы тока и расстояния передачи. Например, пролет длиной 100 миль (160 км) с напряжением 765 кВ, несущим мощность 1000 МВт, может иметь потери от 0,5% до 1,1%. Линия 345 кВ, несущая ту же нагрузку на одно и то же расстояние, имеет потери 4,2%. ^[24] При заданной мощности более высокое напряжение уменьшает ток и, следовательно, резистивные потери . Например, повышение напряжения в 10 раз уменьшает ток в 10 раз и, следовательно, потери в 100 раз, при условии, что в обоих случаях используются проводники одинакового сечения. Даже если размер проводника (площадь поперечного сечения) уменьшится в десять раз, чтобы соответствовать меньшему току, потери все равно уменьшатся в десять раз при использовании более высокого напряжения. ${\displaystyle I^{2}R}$ ${\displaystyle I^{2}R}$

Хотя потери мощности также можно уменьшить за счет увеличения проводимости провода (за счет увеличения площади его поперечного сечения), проводники большего размера тяжелее и дороже. А поскольку проводимость пропорциональна площади поперечного сечения, резистивные потери мощности уменьшаются только пропорционально с увеличением площади поперечного сечения, обеспечивая гораздо меньшую выгоду, чем уменьшение в квадрате, обеспечиваемое умножением напряжения.

Передача на большие расстояния обычно осуществляется по воздушным линиям с напряжением от 115 до 1200 кВ. При более высоких напряжениях, когда между проводником и землей существует напряжение более 2000 кВ, потери от коронного разряда настолько велики, что они могут компенсировать более низкие резистивные потери в линейных проводниках. Меры по снижению потерь на коронный разряд включают проводники большего диаметра, полые сердечники ^[25] или пучки проводников.

Факторы, влияющие на сопротивление и, следовательно, на потери, включают температуру, спиральное движение и скин-эффект . Сопротивление увеличивается с температурой. Спираль, то есть закручивание многожильных проводников вокруг центра, также способствует увеличению сопротивления проводника. Скин-эффект приводит к увеличению эффективного сопротивления на более высоких частотах переменного тока. Потери от коронного разряда и резистивные потери можно оценить с помощью математической модели. ^[26]

Потери при передаче и распределении в США оценивались в 6,6% в 1997 году, ^[27] 6,5% в 2007 году ^[27] и 5% в период с 2013 по 2019 год. ^[28] В целом потери оцениваются на основе несоответствия между произведенной электроэнергией (по данным электростанции) и проданная электроэнергия; разница представляет собой потери при передаче и распределении, при условии, что хищений коммунальных услуг не происходит.

По состоянию на 1980 год самое длинное экономически эффективное расстояние для передачи постоянного тока составляло 7000 километров (4300 миль). Для переменного тока она составила 4000 километров (2500 миль), хотя линии электропередачи в США существенно короче. ^[22]

В любой линии переменного тока индуктивность и емкость проводника могут быть значительными. Токи, протекающие 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 тепла. Отношение активной мощности, передаваемой на нагрузку, к полной мощности (произведению напряжения и тока цепи без привязки к фазовому углу) является 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 предприятия добавляют батареи конденсаторов, реакторы и другие компоненты (такие как фазовращатели , статические компенсаторы реактивной мощности и гибкие системы передачи переменного тока , FACTS) по всей системе, что помогает компенсировать поток реактивной мощности, уменьшать потери при передаче энергии и стабилизировать напряжение в системе. . Эти меры в совокупности называются «реактивной поддержкой».

Транспонирование

Ток, текущий по линиям передачи, 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 традиционно нанизываются 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 привести к тому, что средняя линия будет переносить непропорциональное количество общей передаваемой мощности. Аналогично, может возникнуть несбалансированная нагрузка, если одна линия постоянно находится ближе всего к земле и работает с более низким импедансом. Из-за этого явления проводники необходимо периодически переставлять вдоль линии, чтобы каждая фаза находилась в каждом относительном положении одинаковое время, чтобы сбалансировать взаимную индуктивность, наблюдаемую всеми тремя фазами. Для этого положение линии меняется на специально спроектированных транспозиционных башнях через определенные промежутки времени вдоль линии с использованием различных схем транспозиции .

Подтрансмиссия

Подпередающая линия 115 кВ на Филиппинах , а также распределительные линии 20 кВ и уличный фонарь , смонтированные на деревянном опоре подпередающей линии.

Опора ЛЭП 115 кВ с Н-образной рамой

Подтрансмиссия работает при относительно более низких напряжениях. Подключать все распределительные подстанции к высокому магистральному напряжению передачи неэкономично , поскольку такое оборудование крупнее и дороже. Обычно только более крупные подстанции подключаются к такому высокому напряжению. Напряжение понижается перед тем, как ток подается на меньшие подстанции. Цепи подпередачи обычно организуются в виде петель, чтобы отказ одной линии не прекращал обслуживание многих клиентов более чем на короткое время.

Петли могут быть «нормально закрытыми», когда потеря одной цепи не должна приводить к прерыванию, или «нормально открытыми», когда подстанции могут переключиться на резервное питание. Хотя цепи дополнительной передачи обычно прокладываются по воздушным линиям , в городских районах может использоваться подземный кабель. В линиях электропередачи низкого напряжения используется меньше полос отвода и более простые конструкции; подземелье менее сложно.

Никакое фиксированное ограничение не разделяет подпередачу и передачу или подпередачу и распределение . Их диапазоны напряжений перекрываются. Напряжения 69 кВ, 115 кВ и 138 кВ часто используются для субпередачи в Северной Америке. По мере развития энергосистем напряжения, ранее использовавшиеся для передачи, стали использоваться для подпередачи, а напряжения подпередачи стали напряжениями распределения. Как и передача, субпередача передает относительно большие объемы энергии, и, как и распределение, субпередача охватывает территорию, а не просто двухточечную передачу. ^[29]

Выход из сети электропередачи

Трансформаторы подстанций снижают напряжение до более низкого уровня для распределения потребителям. Такое распределение осуществляется за счет комбинации субпередачи (от 33 до 138 кВ) и распределения (от 3,3 до 25 кВ). Наконец, в точке использования энергия преобразуется в напряжение конечного пользователя (от 100 до 4160 вольт).

Преимущество передачи высокого напряжения

Передача энергии высокого напряжения позволяет снизить резистивные потери на большие расстояния. Благодаря этому КПД большая часть генерируемой мощности передается нагрузкам.

Электрическая сеть без трансформатора

Электрическая сеть с трансформатором

В упрощенной модели сеть доставляет электроэнергию от идеального источника напряжения (напряжение , доставляющее мощность ) в единственную точку потребления, смоделированную сопротивлением , когда провода достаточно длинные, чтобы иметь значительное сопротивление . ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle P_{V}}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle R_{C}}$

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

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

Должен ли идеальный трансформатор преобразовывать высоковольтное слаботочное электричество в низковольтное сильноточное электричество с коэффициентом трансформации (т. е. напряжение делится на и ток умножается на во вторичной ветви по сравнению с первичной ответвление), то схема снова эквивалентна делителю напряжения, но кажущееся сопротивление проводов теперь составляет всего лишь . Тогда полезная мощность составит: ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle R_{C}/a^{2}}$

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

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

Моделирование

Модель «черного ящика» для линии электропередачи

Терминальными характеристиками линии передачи являются напряжение и ток на передающем (S) и приемном (R) концах. Линию передачи можно смоделировать как «черный ящик», а для моделирования ее поведения используется матрица передачи 2 на 2 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 представляет собой взаимную симметричную сеть, а это означает, что метки приема и отправки можно переключать без каких-либо последствий. Матрица передачи T обладает свойствами:

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

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

Четыре основные модели — это аппроксимация короткой линии, аппроксимация средней линии, аппроксимация длинной линии (с распределенными параметрами) и линия без потерь. В таких моделях заглавная буква, например R , обозначает общее количество, суммированное по линии, а строчная буква, например c , обозначает количество на единицу длины.

Линия без потерь

Приближение линии без потерь является наименее точным; обычно он используется на коротких линиях, где индуктивность намного превышает сопротивление. В этом приближении напряжение и ток идентичны на передающем и принимающем концах.

Напряжение на концах отправки и приема для линии без потерь

Характеристическое сопротивление является чистым действительным, что означает резистивное сопротивление для этого сопротивления, и его часто называют импульсным сопротивлением. Когда линия без потерь завершается импульсным сопротивлением, напряжение не падает. Хотя фазовые углы напряжения и тока меняются, величины напряжения и тока остаются постоянными вдоль линии. При нагрузке > SIL напряжение на передающем конце падает, и линия «потребляет» ВАР. При нагрузке < SIL напряжение на передающем конце увеличивается, и линия «генерирует» реактивную мощность.

Короткая линия

Приближение короткой линии обычно используется для линий длиной менее 80 км (50 миль). Здесь рассматривается только последовательный импеданс Z , а C и G игнорируются. Конечный результат таков: A = D = 1 на единицу, B = Z Ом и C = 0. Следовательно, соответствующая матрица перехода для этого приближения 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 длиной от 80 до 250 км (от 50 до 155 миль). Учитываются последовательное сопротивление и шунтирующая проводимость (утечка тока), помещая половину шунтирующей проводимости на каждом конце линии. Эту схему часто называют схемой с «номинальным π (pi) » из-за формы ( π ), которая принимается, когда проводимость утечки размещается по обе стороны принципиальной схемы. Анализ средней линии дает:

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

Противоестественное поведение линий электропередачи средней длины:

• повышение напряжения при отсутствии нагрузки или при малом токе ( эффект Ферранти )
• ток принимающей стороны может превышать ток отправляющей стороны

Длинная линия

Модель длинной линии используется, когда необходима более высокая степень точности или когда длина рассматриваемой линии превышает 250 км (160 миль). Последовательное сопротивление и шунтирующая проводимость считаются распределенными параметрами, так что каждая дифференциальная длина линии имеет соответствующий дифференциальный последовательный импеданс и шунтирующий адмиттанс. Следующий результат можно применить в любой точке линии передачи, где – константа 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 в конце длинной линии, следует заменить на (длину линии) во всех параметрах матрицы передачи. Эта модель применяет уравнения Телеграфиста . ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle l}$

Высоковольтный постоянный ток

Постоянный ток высокого напряжения (HVDC) используется для передачи больших объемов энергии на большие расстояния или для соединения между асинхронными сетями. Когда электрическая энергия передается на очень большие расстояния, потери мощности при передаче переменного тока становятся значительными, и вместо этого дешевле использовать постоянный ток. Для длинной линии передачи 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 невозможно использовать переменный ток из-за емкости кабеля. ^[30] 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 Северными и Южными островами Новой Зеландии, между Нью-Джерси и Нью-Йорком , а также между Нью-Джерси и Лонг-Айлендом . Были развернуты подводные соединения длиной до 600 километров (370 миль). ^[31]

Линии HVDC можно использовать для решения проблем в сети. Мощность, передаваемая по линии переменного тока, увеличивается по мере увеличения угла фазы между напряжением на конце источника и концами назначения, но слишком большой угол фазы приводит к тому, что системы на обоих концах выходят из строя. Поскольку поток мощности в звене постоянного тока контролируется независимо от фаз сетей переменного тока, которые он подключает, этот предел 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 тогда поток мощности и фазовый угол можно контролировать независимо.

Например, для регулировки потока мощности 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 непредвиденные нагрузки в сети. Вместо этого, используя линию HVDC, такое соединение будет:

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

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

Емкость

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

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

Понимание распределения температуры по трассе кабеля стало возможным благодаря внедрению систем распределенного измерения температуры (DTS), которые измеряют температуру по всей длине кабеля. Без них максимальный ток обычно устанавливался как компромисс между пониманием условий эксплуатации и минимизацией риска. В этом решении для мониторинга в качестве датчиков температуры используются пассивные оптические волокна , которые устанавливаются либо внутри высоковольтного кабеля, либо снаружи на изоляции кабеля.

В воздушных кабелях волокно встроено в сердцевину фазного провода. Интегрированное решение динамического рейтинга кабеля (DCR)/термического рейтинга в реальном времени (RTTR) позволяет максимально использовать сеть. Это позволяет оператору прогнозировать поведение системы передачи, чтобы отразить серьезные изменения в ее первоначальных условиях эксплуатации.

Контроль

Чтобы обеспечить безопасную и предсказуемую работу, компоненты системы управляются генераторами, переключателями, автоматическими выключателями и нагрузками. Напряжение, мощность, частота, коэффициент нагрузки и надежность системы передачи рассчитаны на обеспечение экономически эффективной работы.

Балансировка нагрузки

Система передачи обеспечивает базовую и пиковую нагрузку с запасом по безопасности и отказоустойчивости. Время пиковой нагрузки варьируется в зависимости от региона во многом из-за структуры отрасли. В жарком и холодном климате нагрузка на кондиционирование и отопление дома влияет на общую нагрузку. Обычно они самые высокие ближе к вечеру в самое жаркое время года и в середине утра и в середине вечера в самое холодное время года. Требования к электропитанию зависят от сезона и времени суток. При проектировании распределительных систем всегда учитываются базовая и пиковая нагрузки.

Система передачи обычно не имеет большой емкости буферизации для согласования нагрузки с генерацией. Таким образом, генерация должна соответствовать нагрузке, чтобы предотвратить перегрузку генерирующего оборудования.

К системе передачи могут быть подключены несколько источников и нагрузок, и ими необходимо управлять, чтобы обеспечить упорядоченную передачу энергии. При централизованной выработке электроэнергии необходим только местный контроль выработки. Это предполагает синхронизацию энергоблоков .

При распределенном производстве электроэнергии генераторы географически распределены, и процесс их включения и отключения необходимо тщательно контролировать. Сигналы управления нагрузкой могут передаваться либо по отдельным линиям, либо по самим линиям электропередачи. Напряжение и частота могут использоваться в качестве сигнальных механизмов для балансировки нагрузок.

При передаче сигналов напряжения напряжение изменяется для увеличения генерации. Мощность, добавляемая любой системой, увеличивается по мере снижения напряжения в сети. Эта схема в принципе устойчива. Регулирование на основе напряжения сложно использовать в ячеистых сетях, поскольку отдельные компоненты и заданные значения необходимо будет переконфигурировать каждый раз, когда в ячеистую сеть добавляется новый генератор.

При передаче частотных сигналов генераторные агрегаты соответствуют частоте системы передачи электроэнергии. При регулировании спада скорости , если частота уменьшается, мощность увеличивается. (Падение частоты сети указывает на то, что возросшая нагрузка приводит к замедлению работы генераторов.)

Ветровые турбины , транспортные средства-сети , виртуальные электростанции и другие локально распределенные системы хранения и генерации могут взаимодействовать с сетью для улучшения работы системы. На международном уровне произошел медленный переход от централизованной к децентрализованной системе власти. Основное преимущество локально распределенных систем генерации заключается в том, что они сокращают потери при передаче, приводя к потреблению электроэнергии ближе к месту ее производства. ^[32]

Защита от сбоев

В условиях избыточной нагрузки систему можно спроектировать так, чтобы она отказывала постепенно, а не сразу. Снижение напряжения происходит, когда подаваемая мощность падает ниже потребности. Отключения электроэнергии происходят в случае полного выхода из строя сети.

Веерные отключения электроэнергии (также называемые сбросами нагрузки) — это преднамеренные отключения электроэнергии, используемые для последовательного распределения недостаточной мощности между различными нагрузками.

Коммуникации

Операторам сетей требуется надежная связь для управления сетью и связанными с ней объектами генерации и распределения. Защитные реле , реагирующие на неисправности, на каждом конце линии должны обмениваться данными, чтобы контролировать поток энергии, 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 связь с общей линией связи недостаточно надежна, а в некоторых отдаленных районах общая линия связи отсутствует. Системы связи, связанные с проектом передачи, могут использовать:

• Микроволны
• Линия электропередачи
• Оптические волокна

Редко и на небольших расстояниях по трассе линии электропередачи протягивают пилотные провода. Арендованные каналы у обычных операторов не являются предпочтительными, поскольку их доступность не контролируется оператором.

Линии передачи могут использоваться для передачи данных: это называется несущей по линии электропередачи или связью по линии электропередачи (ПЛК). Сигналы ПЛК можно легко принимать с помощью радиостанции в длинноволновом диапазоне.

Высоковольтные опоры, несущие дополнительный оптоволоконный кабель в Кении

Оптические волокна могут включаться в многопроволочные жилы ЛЭП, в провода воздушного щита. Эти кабели известны как оптический заземляющий провод ( OPGW ). Иногда используется автономный цельнодиэлектрический самонесущий кабель ( ADSS ), прикрепленный к траверсам линии электропередачи.

Некоторые юрисдикции, такие как Миннесота , запрещают компаниям по передаче энергии продавать избыточную полосу пропускания связи или выступать в качестве общего оператора связи . Там, где это позволяет нормативная структура, коммунальное предприятие может продавать мощность в сверхтемных волокнах обычному оператору связи.

Структура рынка

Передача электроэнергии обычно считается естественной монополией , но не связанной по своей сути с генерацией. ^{[33] [34] [35]} Многие страны регулируют передачу электроэнергии отдельно от генерации.

Испания была первой страной, создавшей региональную организацию по передаче электроэнергии . В этой стране операции по передаче и рынки электроэнергии разделены. Оператором системы передачи является Red Eléctrica de España (REE), а оператором оптового рынка электроэнергии – Operador del Mercado Ibérico de Energía – Polo Español, SA (OMEL) OMEL Holding | Омель Холдинг. Система электропередачи 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 предприятиями»; «Возмещение неокупаемых затрат коммунальными предприятиями и передающими предприятиями» , выпущенный в 1996 году. ^[36] 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 США регулируются Федеральной комиссией по регулированию энергетики .

Проекты коммерческой передачи в Соединенных Штатах включают кабель Cross Sound от Шорхэма, штат Нью-Йорк , до Нью-Хейвена, штат Коннектикут , линию электропередачи Neptune RTS от Сейревиля, штат Нью-Джерси , до Нью-Бридж, штат Нью-Йорк, и Path 15 в Калифорнии. Дополнительные проекты находятся в разработке или были предложены на всей территории Соединенных Штатов, в том числе Lake Erie Connector , подводная линия электропередачи, предложенная ITC Holdings Corp., соединяющая Онтарио для загрузки обслуживающих предприятий в регионе PJM Interconnection. ^[37]

В Австралии есть один нерегулируемый или рыночный соединитель – Basslink – между Тасманией и Викторией . Два канала постоянного тока, первоначально реализованные как рыночные межсоединения, Directlink и Murraylink , были преобразованы в регулируемые межсоединения. ^[38]

Основным препятствием на пути более широкого внедрения коммерческой передачи электроэнергии является сложность определения того, кто получает выгоду от этого объекта, чтобы бенефициары платили за проезд. Кроме того, коммерческой линии электропередачи трудно конкурировать, когда альтернативные линии электропередачи субсидируются коммунальными предприятиями с монополизированной и регулируемой тарифной базой. ^[39] В Соединенных Штатах Приказ № 1000 FERC , изданный в 2010 году, предпринял попытку снизить барьеры для инвестиций третьих сторон и создания коммерческих линий электропередачи там, где это необходимо государственной политике. ^[40]

Стоимость передачи

Стоимость передачи высокого напряжения сравнительно невелика по сравнению со всеми другими затратами, составляющими счета потребителей за электроэнергию. В Великобритании стоимость передачи составляет около 0,2 цента за кВтч по сравнению с ценой доставки на внутреннем рынке около 10 центов за кВтч. ^[41]

Уровень капитальных затрат на рынке оборудования передачи и распределения электроэнергии в 2011 году оценивался в 128,9 млрд долларов США. ^[42]

Проблемы со здоровьем

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

Некоторые исследования не смогли обнаружить никакой связи между проживанием рядом с линиями электропередач и развитием каких-либо заболеваний, таких как рак. Исследование 1997 года не выявило повышенного риска развития рака или заболеваний из-за проживания рядом с линией электропередачи. ^[43] Однако в других исследованиях сообщалось о статистических корреляциях между различными заболеваниями и проживанием или работой вблизи линий электропередач. Никаких вредных последствий для здоровья людей, живущих не рядом с линиями электропередач, не выявлено. ^[44]

Комиссия по коммунальным услугам штата Нью-Йорк провела исследование ^[45] для оценки потенциального воздействия электрических полей на здоровье. В ходе исследования измерялась напряженность электрического поля на краю существующей полосы отвода линии электропередачи напряжением 765 кВ. Напряженность поля составила 1,6 кВ/м и стала временным стандартом максимальной напряженности для новых линий электропередачи в штате Нью-Йорк. Постановление также ограничило напряжение новых линий электропередачи, построенных в Нью-Йорке, до 345 кВ. 11 сентября 1990 года, после аналогичного исследования напряженности магнитного поля, NYSPSC опубликовало Промежуточное заявление о политике в отношении магнитных полей . Эта политика установила стандарт магнитного поля 200 мГс на краю полосы отвода с использованием номинала проводника, нормального для зимы. По сравнению с предметами повседневного обихода, фен или электрическое одеяло создают магнитное поле силой 100–500 мГс. ^{[46] [47]}

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

Биологические эффекты были установлены при остром высокоуровневом воздействии магнитных полей выше 100  мкТл (1  Гс ) (1000 мГс). В одном исследовании в жилых условиях сообщалось об «ограниченных доказательствах канцерогенности у людей и менее чем достаточных доказательствах канцерогенности у экспериментальных животных», в частности, о детской лейкемии, связанной со средним воздействием жилого магнитного поля промышленной частоты выше 0,3 мкТл (3 мГс). ) до 0,4 мкТл (4 мГ). Эти уровни превышают средние значения магнитных полей промышленной частоты в домах, которые составляют около 0,07 мкТл (0,7 мТл) в Европе и 0,11 мкТл (1,1 мТл) в Северной Америке. ^{[48] ​​[49]}

Напряженность естественного геомагнитного поля Земли колеблется по поверхности планеты от 0,035 до 0,07 мТл (35 мкТл – 70 мкТл или 350 мГс – 700 мТл), тогда как международный стандарт непрерывного воздействия установлен на уровне 40 мТл (400 000 мГс или 400 Гс). ) для широкой публики. ^[48]

Регуляторы роста деревьев и гербициды могут использоваться на полосе отвода линий электропередачи, ^[50] что может иметь последствия для здоровья .

Специализированная трансмиссия

Сетки для железных дорог

В некоторых странах, где электровозы или электропоезда работают на низкочастотном переменном токе, железные дороги эксплуатируют отдельные однофазные тяговые сети . Яркими примерами являются такие страны, как Австрия, Германия и Швейцария, которые используют технологию переменного тока с частотой  16 ^2/3 _Гц  . Норвегия и Швеция также используют эту частоту, но используют преобразование из общественной сети 50 Гц; В Швеции есть тяговая сеть с частотой 16  2/3 ^Гц _,  но только для части системы.

Сверхпроводящие кабели

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) обещают совершить революцию в распределении энергии, обеспечив передачу без потерь. Разработка сверхпроводников с температурой перехода выше точки кипения жидкого азота сделала концепцию сверхпроводящих линий электропередачи коммерчески осуществимой, по крайней мере, для приложений с высокими нагрузками. ^[51] Было подсчитано, что использование этого метода позволит сократить вдвое количество отходов, поскольку необходимое холодильное оборудование будет потреблять примерно половину энергии, сэкономленной за счет устранения резистивных потерь. Такие компании, как Consolidated Edison и American Superconductor, начали коммерческое производство таких систем в 2007 году. ^[52]

Сверхпроводящие кабели особенно подходят для зон с высокой плотностью нагрузки, таких как деловые районы крупных городов, где покупка сервитута для кабелей обходится дорого. ^[53]

Однопроводной возврат заземления

Однопроводное заземление (SWER) или однопроводное заземление представляет собой однопроводную линию передачи для подачи однофазной электроэнергии в отдаленные районы по низкой цене. В основном он используется для электрификации сельской местности , но также находит применение для более крупных изолированных нагрузок, таких как водяные насосы. Однопроводной возврат заземления также используется для HVDC по подводным силовым кабелям.

Беспроводная передача энергии

И Никола Тесла, и Хидецугу 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 компания LaserMotive выиграла конкурс NASA Power Beaming Challenge 2009, обеспечив питание канатного альпиниста на высоту 1 км по вертикали с помощью наземного лазерного передатчика. Система производила на приемном конце мощность до 1 кВт. В августе 2010 года НАСА заключило контракт с частными компаниями на разработку систем лазерного излучения для питания спутников на низкой околоземной орбите и для запуска ракет с использованием лазерных лучей.

Беспроводная передача энергии изучалась для передачи энергии от спутников солнечной энергии на Землю. Мощный массив микроволновых или лазерных передатчиков будет передавать энергию на ректенну . Любой проект спутниковой солнечной энергетики сталкивается с серьезными инженерными и экономическими проблемами.

Безопасность

Федеральное правительство США заявило, что энергосистема подвержена кибервойнам . ^{[59] [60]} Министерство внутренней безопасности США работает с промышленностью, чтобы выявить уязвимости и помочь промышленности повысить безопасность сетей систем управления. ^[61]

В июне 2019 года Россия признала, что «возможно», что ее электросеть подвергается кибератаке со стороны США. ^[62] The New York Times сообщила, что американские хакеры из Киберкомандования США установили вредоносное ПО, потенциально способное нарушить работу российской электросети. ^[63]

Рекорды

• Система максимальной мощности: 12 ГВт Чжундун – Ваньнань (准东-皖南) ± 1100 кВ HVDC. ^{[64] [65]}
• Наивысшее напряжение передачи (переменный ток):
  • запланировано: 1,20 МВ (сверхвысокое напряжение) на линии Вардха-Аурангабад (Индия) – в стадии строительства. Первоначально будет работать на 400 кВ. ^[66]
  • по всему миру: 1,15 МВ (сверхвысокое напряжение) на линии Экибастуз-Кокшетау ( Казахстан )
• Самая большая двухконтурная трансмиссия Kita-Iwaki Powerline (Япония).
• Самые высокие башни : переправа 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)
  • Басслинк , пролив Басса , (Австралия) – (длина подводного кабеля: 290 километров или 180 миль, общая длина: 370,1 километра или 230 миль)
  • Baltic Cable , 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:
  • Мюррейлинк , Риверленд / Санрайсия (Австралия) – (длина подземного кабеля: 170 километров или 106 миль)

Смотрите также

• Энергетический портал

• Динамический спрос (электроэнергия)
• Реакция спроса
• Список энергоаккумулирующих электростанций
• Тяговая электросеть
• Обратная подача
• Маркировочные огни проводников
• Двухцепная линия электропередачи
• Программа электромагнитных переходных процессов (EMTP)
• Гибкая система передачи переменного тока (ФАКТЫ)
• Геомагнитно-индуцированный ток (GIC)
• Графеновый провод
• Электрическая система, связанная с сетью
• Перечень высоковольтных подземных и подводных кабелей
• Загрузить профиль
• Национальная сеть (значения)
• Линия электропередачи (ПЛК)
• Моделирование энергосистемы
• Радиочастотная передача энергии
• Уилинг (передача электроэнергии)

Рекомендации

1. «Букварь по электроэнергетике, дерегуляции и реструктуризации рынков электроэнергии США» (PDF) . Федеральная программа управления энергетикой Министерства энергетики США (FEMP). Май 2002 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 30 октября 2018 г.
2. Ганс Дитер Бец, Ульрих Шуман, Пьер Ларош (2009). Молния: принципы, инструменты и приложения. Спрингер, стр. 202–203. ISBN 978-1-4020-9078-3 . Проверено 13 мая 2009 г. 
3. Банерджи, Нила (16 сентября 2001 г.). «После атак: рабочие; бригады Con Edison импровизируют, перемонтируя усеченную систему». Нью-Йорк Таймс .
4. «Расследование отключения электроэнергии на участке линии Нью-Хейвен метро-Северной железной дороги в сентябре 2013 года» . document.dps.ny.gov. 2014 . Проверено 29 декабря 2019 г.
5. Номер дела NYSPSC. 13-Е-0529
6. Томас П. Хьюз (1993). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 гг. Балтимор: Издательство Университета Джонса Хопкинса. стр. 119–122. ISBN 0-8018-4614-5.
7. Гуарниери, М. (2013). «Начало передачи электроэнергии: Часть первая». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (1): 57–60. дои : 10.1109/МИЭ.2012.2236484. S2CID  45909123.
8. «Передача электроэнергии: Учебник» (PDF) . Национальный совет по электроэнергетической политике. Архивировано (PDF) оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 17 сентября 2019 г.
9. Guarnieri, М. (2013). «Начало передачи электроэнергии: Часть вторая». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (2): 52–59. дои : 10.1109/МИЭ.2013.2256297. S2CID  42790906.
10. «Великий эксперимент Баррингтона». edisontechcenter.org .
11. "Уильям Стэнли - Вики по истории техники и технологий" . ethw.org . 8 августа 2017 г.
12. Арнольд Хертье , Марк Перлман Развивающиеся технологии и структура рынка: исследования по шумпетеровской экономике, стр. 138
13. Карлсон, В. Бернард (2013). Тесла: изобретатель эпохи электричества. Издательство Принстонского университета. ISBN 1-4008-4655-2 , с. 130 
14. Джоннес, Джилл (2004). Империи света: Эдисон, Тесла, Вестингауз и гонка за электрификацию мира. Случайные домашние торговые книги в мягкой обложке. ISBN 978-0-375-75884-3 , с. 161. 
15. Парк Хьюз, Томас (1993). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 гг . Джу Пресс. стр. 120–121.
16. Гаруд, Рагху; Кумарасвами, Арун; Ланглуа, Ришар (2009). Управление в эпоху модульности: архитектуры, сети и организации . Джон Уайли и сыновья. п. 249. ИСБН 9781405141949.
17. Аргерсингер, RE (1915). «Электрическая передача энергии». Обзор Дженерал Электрик . XVIII : 454.
18. Кисслинг Ф., Нефцгер П., Ноласко Дж. Ф., Кайнцик У. (2003). Воздушные линии электропередачи . Спрингер, Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк, с. 5
19. Данные Бюро переписи населения перепечатаны в журнале Хьюз, стр. 282–283.
20. Хьюз, стр. 293–295.
21. «Распределительные подстанции - Мичиганский технологический университет» (PDF) . Архивировано (PDF) оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 20 апреля 2019 г.
22. Пэрис, Л.; Зини, Г.; Валторта, М.; Манцони, Г.; Инверницци, А.; Де Франко, Н.; Виан, А. (1984). «Современные ограничения систем передачи на очень большие расстояния» (PDF) . Международная конференция СИГРЭ по большим электрическим системам высокого напряжения, сессия 1984 г., 29 августа – 6 сентября . Институт глобальной энергетической сети . Проверено 29 марта 2011 г.4,98 МБ
23. "Карты зон NYISO" . Независимый системный оператор Нью-Йорка. Архивировано из оригинала 2 декабря 2018 года . Проверено 10 января 2014 г.
24. «Факты о передаче, стр. 4» (PDF) . Американская электроэнергетика . Архивировано из оригинала (PDF) 4 июня 2011 г.
25. Комиссия по коммунальным предприятиям Калифорнии Корона и наведенные токи
26. Курт Хартинг (24 октября 2010 г.). «Потери в линии электропередачи переменного тока». Стэндфордский Университет . Проверено 10 июня 2019 г.
27. «Где я могу найти данные о потерях при передаче и распределении электроэнергии?». Часто задаваемые вопросы — Электричество . Управление энергетической информации США . 19 ноября 2009 года. Архивировано из оригинала 12 декабря 2012 года . Проверено 29 марта 2011 г.
28. «Сколько электроэнергии теряется при передаче и распределении электроэнергии в Соединенных Штатах?». Часто задаваемые вопросы — Электричество . Управление энергетической информации США . 9 января 2019 года . Проверено 27 февраля 2019 г.
29. Дональд Г. Финк и Х. Уэйн Бити. (2007), Стандартный справочник для инженеров-электриков (15-е издание) . МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-144146-9 раздел 18.5 
30. 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 
31. Гуарниери, М. (2013). «Переменная эволюция передачи энергии постоянного тока». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (3): 60–63. дои : 10.1109/МИЭ.2013.2272238. S2CID  23610440.
32. «Ухабистая дорога к дерегулированию энергетики». EnPowered. 28 марта 2016. Архивировано из оригинала 7 апреля 2017 года . Проверено 6 апреля 2017 г.
33. Шмалензее, Ричард (12 ноября 2021 г.). «Сильные и слабые стороны традиционных механизмов электроснабжения». Справочник по рынкам электроэнергии . Издательство Эдварда Элгара. п. 16. дои : 10.4337/9781788979955.00008. ISBN 9781788979955. S2CID  244796440.
34. Рагувир Шринивасан (15 августа 2004 г.). «Бизнес по передаче электроэнергии является естественной монополией». Индуистское бизнес-направление . Индус . Проверено 31 января 2008 г.
35. Линн Кислинг (18 августа 2003 г.). «Переосмыслить обоснование регулирования электроэнергетики естественными монополиями». Фонд разума. Архивировано из оригинала 13 февраля 2008 года . Проверено 31 января 2008 г.
36. «FERC: Знаковые приказы - Приказ № 888» . www.ferc.gov . Архивировано из оригинала 19 декабря 2016 года . Проверено 7 декабря 2016 г.
37. «Как ITC Holdings планирует соединить спрос PJM с богатыми возобновляемыми источниками энергии Онтарио» . Полезное погружение . 8 декабря 2014 г.
38. «Планирование энергосистемы NEMMCO». 18 июля 2008 года. Архивировано из оригинала 18 июля 2008 года . Проверено 14 ноября 2022 г.
39. Фиона Вульф (февраль 2003 г.). Глобальное расширение передачи . Книги Пеннуэлла. стр. 226, 247. ISBN. 0-87814-862-0.
40. «FERC: Промышленность - Приказ № 1000 - Планирование передачи и распределение затрат» . www.ferc.gov . Архивировано из оригинала 30 октября 2018 года . Проверено 30 октября 2018 г.
41. Какова стоимость за кВтч массовой передачи / Национальной сети в Великобритании (обратите внимание, что это не включает затраты на распространение)
42. «Рынок оборудования для передачи и распределения электроэнергии (T&D) 2011–2021» . Архивировано из оригинала 18 июня 2011 года . Проверено 4 июня 2011 г.
43. Линии электропередач и рак. Архивировано 17 апреля 2011 г., в Wayback Machine , The Health Report / ABC Science - трансляция 7 июня 1997 г. (Австралийская радиовещательная корпорация).
44. «ВОЗ | Электромагнитные поля и здравоохранение» . 24 декабря 2007 года. Архивировано из оригинала 24 декабря 2007 года . Проверено 14 ноября 2022 г.
45. Мнение № 78-13 (выдано 19 июня 1978 г.)
46. «Отчет EMF для CHPE» . ТРК. Март 2010 г. стр. 1–4 . Проверено 9 ноября 2018 г.
47. «Напряжённость электрического и магнитного поля» (PDF) . Transpower New Zealand Ltd. с. 2. Архивировано (PDF) оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 9 ноября 2018 г.
48. «Электромагнитные поля и здравоохранение». Информационный бюллетень № 322 . Всемирная организация здравоохранения . Июнь 2007. Архивировано из оригинала 1 июля 2007 года . Проверено 23 января 2008 г.
49. «Электрические и магнитные поля, связанные с использованием энергии» (PDF) . Национальный институт наук о здоровье окружающей среды . Июнь 2002 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. Проверено 29 января 2008 г.
50. «Технический справочник по стандарту NERC FAC-003-2 по управлению растительностью, страница 14/50» (PDF) . nerc.com . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
51. Джейкоб Остергаард; и другие. (2001). «Потери энергии в сверхпроводящих кабелях электропередачи в сети» (PDF) . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 11 (1): 2375. Бибкод : 2001ITAS...11.2375O. дои : 10.1109/77.920339. S2CID  55086502. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
52. New Scientist и Reuters (22 мая 2007 г.). «Сверхпроводящая линия электропередачи для поддержки электросети Нью-Йорка». Новый учёный .
53. «Сверхпроводящие кабели будут использоваться для подачи электроэнергии потребителям» . Архивировано из оригинала 14 июля 2014 года . Проверено 12 июня 2014 г.
54. «Первый век сверхпроводимости». Архивировано из оригинала 12 августа 2012 года . Проверено 9 августа 2012 г.
55. "Кабель передачи HTS" . www.superpower-inc.com .
56. «IBM100 - Высокотемпературные сверхпроводники» . www-03.ibm.com . 10 августа 2017 г.
57. Патель, 01.03.2012 | Сонал (1 марта 2012 г.). «Технологии высокотемпературных сверхпроводников развиваются». Журнал СИЛА .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link)
58. «Началась эксплуатация самого длинного сверхпроводящего кабеля в мире» . физ.орг .
59. Шилс, Мэгги (9 апреля 2009 г.). «Шпионы проникают в энергосистему США». Новости BBC .
60. «Сообщается, что хакеры внедрили код в энергосистему» ​​. CNN . 9 апреля 2009 г.
61. Холланд, Стив; Миккельсен, Рэндалл (8 апреля 2009 г.). «ОБНОВЛЕНИЕ 2: энергосистема США уязвима для кибератак» . Рейтер .
62. «США и Россия сталкиваются из-за хакерских атак на электросети» . Новости BBC . 18 июня 2019 г.
63. Гринберг, Энди (18 июня 2019 г.). «Как не предотвратить кибервойну с Россией». Проводной .
64. «Развитие технологий передачи сверхвысокого напряжения и изоляции в Китае» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
65. "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.
66. «Индия делает шаг вперед» . Мир передачи и распределения . Январь 2013.

дальнейшее чтение

• Григсби, LL и др. Справочник по электроэнергетике . США: CRC Press. (2001). ISBN 0-8493-8578-4 
• Хьюз, Томас П. , Энергетические сети: электрификация в западном обществе 1880–1930 гг. , Издательство Университета Джона Хопкинса, Балтимор, 1983 г., ISBN 0-8018-2873-2 , отличный обзор развития в течение первых 50 лет коммерческой электроэнергии. 
• Рейли, Хелен (2008). Соединение страны – национальная сеть Новой Зеландии, 1886–2007 гг . Веллингтон: Стил Робертс. 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 энергии; многофазная система; патенты Теслы )