Как электричество попадает в наш дом: от электростанции до розетки

Структура и типы современных электросетей

Электрическая энергия передаётся от генерирующих мощностей к территориально удалённым потребителям посредством специальной транспортирующей, преобразующей и распределительной инфраструктуры — сетей. Последние имеют достаточно сложную структуру, их работа требует выполнения определённых условий, касающихся эффективности, безопасности и надёжности. Как правило, структура сети определяется расположением потребителей. Конечным этапом подачи электроэнергии потребителю является её распределение.

В схемы передачи на современном этапе развития сетей входят такие компоненты, как повышающие и понижающие трансформаторные подстанции, соединённые между собой линиями электропередачи. Кроме того, основными элементами инфраструктуры являются группы вспомогательного оборудования — защитные устройства и коммутаторы. Структура сети может изменяться в зависимости от порядка использования коммутаторов. К примеру, при отключении аварийных участков задействуются другие линии. Кроме того, структура сети может меняться при помощи коммутаторов для оптимизации режима работы.

Сети классифицируются по разным критериям. По типу потребителей их разделяют на сети общего назначения (предназначены для энергообеспечения бытовых и транспортных потребителей, а также объектов, расположенных в сельской местности), сети технологических объектов (для производств и систем инженерного назначения), контактные сети (для любого электротранспорта).

Классификация производится и по критерию масштаба самих сетей:

1. Магистральные — проложенные между странами, регионами, самыми мощными станциями и крупными центрами потребления. Такие сети характеризуются большими значениями мощности — в несколько гигаватт.
2. Региональные — в пределах одного региона, применительно к России — субъекта федерации. Запитываются от магистралей, а также от источников, расположенных внутри регионов. Предназначены для обслуживания крупных потребителей — населённых пунктов не меньше города, районов, промышленных предприятий, транспортных узлов, осваиваемых месторождений полезных ископаемых. Мощность сетей составляет гигаватты или несколько сотен мегаватт.
3. Районные — мощностью в несколько мегаватт — получают электроэнергию из региональных сетей. Районная инфраструктура обычно не имеет собственных генерирующих источников и предназначается для поставок энергии в поселковые и внутриквартальные сети, на небольшие предприятия и транспортные узлы.
4. Внутренние предназначены для распределения электроэнергии в пределах одного района, села, квартала. Питание в сети подаётся максимум из двух точек. В некоторых случаях оснащаются собственными резервными источниками. Мощность этих сетей не превышает нескольких мегаватт или сотен киловатт.
5. Электропроводка — сеть нижнего уровня. Она обеспечивает доставку электроэнергии до потребителя внутри здания, цеха и других помещений. При классификации часто не отделяется от внутренних сетей. Мощность электропроводки ограничена сотнями или десятками киловатт.

Сети отличаются друг от друга и родом тока, который подаётся в них. В частности, переменный трёхфазный ток передаётся по магистральным сетям широкого диапазона напряжений. Переменный однофазный ток поступает в сети электропроводки бытовых объектов, к конечным потребителям он передаётся от распределительных щитов. Постоянный ток подаётся в большую часть контактных сетей, а также автономных и специальных сетей. Последние характеризуются ультравысоким напряжением и пока не имеют широкого распространения.

Линии электропередачи

Линии электропередачи (ЛЭП) — один из основных компонентов транспортировки электроэнергетического ресурса — это системы передачи энергии, которые находятся за пределами электростанций или подстанций. Кроме того, по ЛЭП передаётся сервисная информация при помощи сигналов высокой частоты. В странах СНГ для передачи информации имеются в наличии 60 тыс. каналов ЛЭП. Передача данных используется для управления работой сети диспетчерскими службами, телеметрии, получения сигналов релейной защиты и автоматики в случаях аварий.

Строительство ЛЭП считается сложной задачей для отраслевых компаний. Такая работа включает проектирование, непосредственно прокладку линий, их монтаж, пусконаладочные мероприятия, а также обслуживание. ЛЭП по типу размещения конструкций разделяются на воздушные и кабельные. Кроме того, набирает популярность ещё один тип линий — газоизолированные. ЛЭП включает проводники тока, сооружения для его размещения или прокладки — каналы, эстакады или опоры, изоляционные средства опорного или подвесного типов, защитные устройства, оборудование для заземления, разрядники и тросы против грозы.

Воздушные линии, как это очевидно из их названия, предназначены для передачи электроэнергии по проводам, которые размещаются на открытом воздухе. Они крепятся к опорам, путепроводам и мостам при помощи траверсов, арматуры и изоляторов. В большинстве случаев воздушные ЛЭП служат для подачи переменного тока. Линии для постоянного тока применяются в отдельных случаях, в том числе для запитывания контактной сети.

Воздушные ЛЭП распределяются по критерию величины напряжения на:

1. Сверхдальние (от 500 киловольт) — обустраиваются для связи разных энергосистем.
2. Магистральные (220–330 кВ) — для передачи электроэнергии от станций высокой мощности, для объединения генерирующих объектов внутри энергетических систем и для связи станций с распределительными пунктами.
3. Распределительные (35–150 кВ) — для энергетического снабжения промышленных предприятий и отдельных населённых пунктов в крупных районах, организации энергосвязи распределительных узлов с потребителями.
4. ЛЭП напряжением ниже 20 кВ — для подачи электроэнергии непосредственно конечным потребителям.

Кабельные линии, в свою очередь, состоят из одного или нескольких кабелей, оснащённых концевыми, соединительными и стопорными муфтами, деталями крепежа. В случае маслонаполненных линий устанавливаются подпитывающие аппараты. Кабельные трассы классифицируются по величине напряжения аналогично воздушным. По условиям прокладки они распределяются на подземные, подводные и смонтированные в сооружениях.

Также кабельные линии классифицируются по критерию применения конкретных изолирующих материалов. Может применяться изоляция из этилен-пропиленовой резины, сшитого полиэтилена, резиново-бумажной и бумажно-масляной основ, поливинилхлорида, твёрдых материалов, нефтяного масла, которым пропитывается кабель. Инновационные технологии предусматривают применение изоляции при помощи газообразных веществ.

Подстанции — назначение и терминология

Посредством ЛЭП объединяются электрические подстанции, служащие, по сути, для корректировки характеристик тока. Они представляют собой установки для приёма и преобразования электроэнергии с её дальнейшим распределением. Подстанции состоят из трансформаторов или других преобразователей энергии, управляющих блоков, устройств вспомогательного назначения и распределительных узлов.

Станции первичного распределения перед подачей энергии потребителю понижают электрическое напряжение до 2–35 кВ с целью дальнейшей её транспортировки на вторичные подстанции, после прохождения которых напряжение уменьшается до ещё более низкого уровня (для России — до 380 вольт). Повышающие же трансформаторы применяются, соответственно, для увеличения напряжения со снижением силы тока. Основная причина размещения повышающих подстанций в сетях является необходимость передачи большей мощности на значительные расстояния, что становится возможным только при повышенном напряжении.

Благодаря наличию в электрической сети повышающих трансформаторов удаётся достичь экономии металла непосредственно в проводах ЛЭП, сократить потери вследствие активного сопротивления. Такой эффект достигается в силу определённых физических закономерностей. Площадь сечения провода обусловлена отсутствием коронного разряда и силой тока. Снижение последней даёт возможность сократить потери энергии, уровень которых прямо зависим от величины этого показателя. В связи с повышением напряжения возникает необходимость предотвращения высоковольтных пробоев, что достигается разносом проводов на большие расстояния, а также применением специальных изоляторов.

Станции, которые предназначены для изменения напряжения тока, получили название трансформаторных. Системы, изменяющие род тока или его частоту, называются преобразовательными станциями. Подвидом таких станций являются вставки постоянного тока, устанавливаемые для преобразования токов — из переменного в постоянный с дальнейшим его изменением в обратном порядке.

Устройства для распределения энергии, которые не включены в состав подстанций, являются распределительными пунктами. Подстанции, размещаемые в населённых пунктах, называются городскими, в промышленном сегменте — цеховыми. Кроме того, отдельно классифицируют тяговые подстанции на постоянном токе, предназначенные для обеспечения работы электротранспорта.

Городские и цеховые подстанции могут состоять из единственного или двух трансформаторов. Обычно критерием для выбора варианта конструкции служит объём затрат на реализацию проекта. Путём сравнения предлагаемых проектировщиками вариантов заказчик выбирает компромиссный вариант, который обеспечивает достаточную надёжность энергоснабжения при меньших затратах. Тем не менее, по мнению специалистов отрасли, при проектировании и эксплуатации следует выбирать однотипные устройства с равной мощностью для того, чтобы разнообразие парка оборудования не вызывало неудобств и дополнительных затрат на ремонтные работы.

Сверхпроводники: ЛЭП из будущего

Модернизация электросетевого комплекса — актуальная задача не только для России, но и для всего мира. Напомним, Пронедра писали ранее, что эксперты прогнозируют снижение стабильности работы электроэнергетической сферы во всём мире в силу физического устаревания оборудования сетей. Эффективность передачи электроэнергии по сетям может достигаться не только своевременным ремонтом и грамотным применением существующих решений, но и внедрением инновационных технологий.

Одной из них является производство проводов на основе высокотемпературных сверхпроводников. Их применение позволит не только достичь высокой плотности тока, но и передавать его без потерь. В 2006 году в демонстрационном режиме была запущена такая силовая сеть в штате Нью-Йорк, протяжённостью 600 метров. Оператором проекта является компания American Superconductor.

Эта же корпорация заключила соглашение с южнокорейской компанией LS Power, предусматривающее поставки трёх тысяч километров сверхпроводников с целью постройки на территории корейского государства полусотни километров инновационных сетей в ближайшие годы. В США, кроме того, были опробованы линии длиной 200 метров в Огайо и 3250 метров в Олбани (штат Нью-Йорк).

По информации Всероссийского НИИ кабельной промышленности, разработка лент высокотемпературного типа из сверхпроводников в РФ стартовала в 2004 году. Испытания первой пятиметровой линии прошли два года спустя. Уже в 2009 году была изготовлена лента длиной 200 метров. В институте отметили, что один кабель вмещает в себя в сечении до полусотни таких лент. Сечение одной ленты составляет всего 4х0,1 мм, при этом она может передавать ток силой до 100 ампер.

Ленты изготовляются с применением сложной технологии плёночного напыления. Российская сторона закупает исходные проводники у поставщиков. Материал приобретается у упомянутой American Superconductor, а также у Superpower. Эти предприятия — единственные в мире, которые выпускают сверхпроводники. После покупки исходных материалов отечественными специалистами создаётся модельный кабель.

Особенности российских электросетей

Сверхпроводники — дело, вероятно, неблизкого будущего, а в настоящем российские электрические сети структурно не отличаются от систем, которые работают во всём мире. В Единую национальную сеть страны входят все высоковольтные компоненты — линии и подстанции напряжением от 220 кВ. В национальную систему включены ЛЭП и других классов, а также некоторые элементы электросетевого хозяйства в соответствии с критериями, установленными правительством. Тем не менее, российским сетям присущи любопытные индивидуальные особенности.

Несколько интересных фактов об электросетях России:

1. В общей сложности в России насчитывается 10,7 тыс. линий электропередачи с напряжением от 110 кВ до 1,15 тыс. кВ.
2. В стране есть уникальный электросетевой объект — участок Экибастуз–Кокшетау линии «Сибирь–Центр», напряжение в котором, по проекту, достигает упомянутых 1,15 тыс. кВ. Примечательно, что под таким высоким напряжением физически не в состоянии функционировать ни одна линия в мире. Впрочем, сейчас данный участок протяжённостью 432 километра работает под напряжением 500 кВ. Линия была построена ещё во времена СССР, в 1980–1988 годах. Большая часть ЛЭП проходит по казахстанской территории (1,421 тыс. км).
3. Электрические сети России используются для обеспечения параллельной работы с энергосистемами сопредельных государств — бывших республик СССР. Кроме того, через вставки постоянного тока передача электроэнергии осуществляется в Финляндию, Китай и Норвегию. Объём перетоков между электросетями России и других стран в год оценивается более чем в 13,5 млрд кВт·ч.
4. Единая электросеть России в 2001 году решением правительства получила статус общенационального достояния.
5. Сетью управляет оператор ФСК ЕЭС, в ведении которого находятся 140 тыс. километров линий электропередачи, а также 933 подстанции суммарной мощностью 334,5 мегавольт-ампер.
6. В соответствии с законом об электроэнергетике, в управление ФСК должны передаваться все объекты, которые включены в национальную систему, однако по факту частью систем распоряжаются другие собственники. Ввиду стратегической важности сетей государство обязало последних работать только по договорам о передаче энергии и запретило им использовать или выводить из работы объекты без разрешения оператора.

пронедра.ру