"Физика (базовый уровень)", Касьянов В.А.
Передача электроэнергии на расстояние — путь энергии от электростанции до потребителя по линиям электропередачи. Чтобы уменьшить нагрев проводов и потери, напряжение перед линией повышают, а силу тока уменьшают. Возле потребителей напряжение снова понижают до безопасного и удобного значения. Главную роль в этом процессе играют трансформаторы, работающие с переменным током.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Передача электроэнергии на расстояние — это доставка электрической энергии от электростанции к потребителям по линиям электропередачи. Сначала генератор вырабатывает переменный ток, затем трансформатор изменяет напряжение, линия переносит энергию, а подстанция подготавливает её для потребителей. Такая схема позволяет передавать энергию далеко с небольшими потерями.
Трансформатор — устройство для изменения напряжения переменного тока. Его первичная обмотка подключается к источнику, а во вторичной возникает нужное напряжение благодаря электромагнитной индукции. Число витков этих обмоток определяет, будет трансформатор повышающим или понижающим.
Коэффициент трансформации k — отношение напряжений на обмотках, равное для идеального трансформатора отношению числа витков: k = U₁/U₂ = N₁/N₂. Здесь U₁ и U₂ — напряжения, а N₁ и N₂ — числа витков первичной и вторичной обмоток. При k > 1 напряжение понижается, а при k < 1 повышается.
Потери электроэнергии в линиях — часть передаваемой энергии, превращающаяся в тепло при прохождении тока по проводам. Мощность этих потерь равна Pпотерь = I²R, где I — сила тока, а R — сопротивление линии. Формула показывает, почему для экономичной передачи нужно уменьшать ток.
Для передачи используют переменный ток, потому что его напряжение можно изменять трансформаторами. В трансформаторе переменный ток создаёт изменяющееся магнитное поле, а оно вызывает индукцию напряжения во вторичной обмотке. Постоянный ток такого непрерывно меняющегося поля не создаёт, поэтому обычный трансформатор с ним не работает.
Генератор электростанции вырабатывает энергию при сравнительно невысоком напряжении, а перед дальней дорогой его повышают. Причина повышения связана с мощностью: при почти неизменной передаваемой мощности P = UI увеличение U приводит к уменьшению I. Значит, по проводам проходит меньший ток, хотя переносимая мощность остаётся почти той же.
Провода линии имеют сопротивление, поэтому движущиеся заряды передают им часть энергии в виде тепла. По закону Джоуля — Ленца мощность нагрева равна I²R: она растёт и с сопротивлением проводов, и с квадратом силы тока. Поэтому толстые провода уменьшают R, но особенно действенный способ снизить нагрев — уменьшить I.
Если передаётся заданная мощность, ток можно выразить как I = P/U. Подстановка в формулу потерь даёт Pпотерь = P²R/U², поэтому повышение напряжения в 10 раз уменьшает потери в 100 раз при том же сопротивлении. Именно поэтому электроэнергию передают по линиям высокого напряжения.
Около городов и предприятий напряжение понижают на подстанциях до значений, подходящих для сетей и приборов. Путь энергии выглядит так: генератор электростанции, повышающий трансформатор, линия электропередачи, понижающая подстанция и потребитель. Несколько ступеней изменения напряжения позволяют совместить экономичную передачу на расстояние с безопасным использованием энергии.
| Этап | Изменение напряжения | Изменение силы тока | Назначение |
|---|---|---|---|
| Генератор электростанции | Вырабатывает рабочее напряжение | Формирует ток для передачи мощности | Преобразование механической энергии в электрическую |
| Повышающий трансформатор | Повышает | Уменьшает | Снижение потерь перед линией |
| Линия электропередачи | Передаёт высокое напряжение | Передаёт уменьшенный ток | Доставка энергии на расстояние |
| Понижающая подстанция | Понижает | Увеличивает до нужного уровня | Подготовка энергии к распределению |
| Потребитель | Получает рабочее напряжение | Использует ток в нагрузке | Преобразование электрической энергии в полезную работу |
Таблицу удобно читать слева направо: сначала энергия вырабатывается, затем подготавливается к дальней передаче. В линии напряжение велико, а ток сравнительно мал, поэтому нагрев проводов ограничен. Перед потребителем напряжение возвращают к требуемому значению.
По линии сопротивлением 3 Ом проходит ток 20 А. Требуется найти мощность, превращающуюся в тепло в проводах. Используем зависимость потерь от квадрата силы тока.
Ответ: в проводах выделяется 1200 Вт, или 1,2 кВт. Это не мощность всей передаваемой энергии, а только её часть, превращающаяся в тепло.
Нужно передать мощность 100 кВт по линии сопротивлением 5 Ом. Сравним ток и потери при напряжении 1 кВ и 10 кВ. Сначала найдём ток по формуле I = P/U, затем применим Pпотерь = I²R.
Ответ: при 1 кВ потери равны 50 кВт, а при 10 кВ — 0,5 кВт. Высокое напряжение намного выгоднее при передаче той же мощности.
В первичной обмотке 200 витков, во вторичной — 1000 витков, к первичной обмотке подключено напряжение 220 В. Найдём вторичное напряжение и определим тип трансформатора. Затем оценим изменение потерь при передаче той же мощности.
Ответ: U₂ = 1100 В; трансформатор повышающий. При передаче той же мощности после повышения напряжения потери уменьшатся в 25 раз.
Ошибка: считать, что повышение напряжения увеличивает передаваемую мощность. В идеальном трансформаторе мощность почти сохраняется, а ток уменьшается; проверить себя можно по формуле P = UI и сравнению произведений напряжения на ток.
Ошибка: считать потери пропорциональными току, а не его квадрату. Так происходит, если забывают закон Джоуля — Ленца; подставляйте ток именно в Pпотерь = I²R и проверяйте степень.
Ошибка: путать повышающий и понижающий трансформаторы по числу витков. Сравнивать нужно N₁ и N₂: больше витков во вторичной обмотке означает повышение напряжения, меньшее число — понижение.
Ошибка: применять формулы трансформатора к постоянному току. Трансформатору нужно изменяющееся магнитное поле, поэтому проверяйте, является ли источник переменным и возникают ли условия для электромагнитной индукции.
Для понимания темы нужны формулы электрической мощности P = UI, закон Джоуля — Ленца и понятие сопротивления. Они объясняют связь между напряжением, током и нагревом линии.
Передача энергии связана с переменным током, электромагнитной индукцией и устройством трансформатора. Изменение магнитного потока позволяет передавать энергию между обмотками без непосредственного электрического соединения.
Эти знания применяются при изучении энергосистем и электроснабжения. Они также помогают оценивать эффективность использования энергии и понимать, зачем в сети нужны разные уровни напряжения.
Почему нельзя передавать электроэнергию сразу при напряжении, которое используют бытовые приборы?
При бытовом напряжении для передачи той же мощности возникает большой ток. Потери в проводах пропорциональны квадрату тока, поэтому линия сильно нагревается и значительная часть энергии теряется.
Почему при высоком напряжении в проводах меньше потери энергии?
При заданной мощности сила тока определяется формулой I = P/U, поэтому с ростом напряжения ток уменьшается. Так как потери равны I²R, даже небольшое уменьшение тока заметно снижает нагрев проводов.
Как трансформатор повышает или понижает напряжение?
Переменный ток в первичной обмотке создаёт изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует напряжение во вторичной обмотке. Если витков во вторичной обмотке больше, напряжение повышается, а если меньше — понижается.
Почему трансформатор не работает на постоянном токе?
Для появления напряжения во вторичной обмотке нужен изменяющийся магнитный поток. Постоянный ток после включения создаёт почти постоянное поле, поэтому длительной индукции во вторичной обмотке не возникает.
Что происходит с электроэнергией, потерянной в линиях электропередачи?
Она превращается главным образом во внутреннюю энергию проводов и окружающей среды, то есть в тепло. Это нагрев, который не используется потребителем и снижает эффективность передачи.
§ 25. Передача электроэнергии на расстояние
