§ 18*. Передача и использование электрической энергии

Определения и обозначения

Передача электрической энергии — доставка электроэнергии от электростанции к потребителю по электрическим сетям. Она включает изменение напряжения, транспортировку по проводам и последующее распределение. Это понятие описывает весь путь энергии до места её использования.

Линия электропередачи — совокупность проводов и устройств, предназначенных для передачи электрической энергии на расстояние. Её сопротивление зависит от материала, длины и площади поперечного сечения проводов. По сопротивлению линии оценивают нагрев и потери мощности.

Трансформатор — устройство для повышения или понижения переменного напряжения без изменения его частоты. Он имеет первичную и вторичную обмотки, связанные переменным магнитным полем. Трансформатор позволяет выбрать большое напряжение для передачи и меньшее — для потребителя.

Потери мощности — часть передаваемой мощности, превращающаяся в тепло при прохождении тока по проводам. Их находят по формуле P_потерь = I²R. Чем меньше ток и сопротивление линии, тем меньше энергии теряется при передаче.

Как это устроено

Мощность тока связана с напряжением и силой тока формулой P = UI. Если передаваемая мощность задана, то при увеличении U сила тока I = P / U уменьшается. Поэтому энергию выгодно передавать при высоком напряжении: это позволяет не увеличивать ток до опасно больших значений.

Провода линии имеют сопротивление, поэтому при прохождении тока нагреваются. Мощность выделяемого тепла равна P_потерь = I²R, то есть зависит от квадрата силы тока. Например, уменьшение тока в 10 раз снижает потери в 100 раз при том же сопротивлении линии.

Перед линией электропередачи повышающая подстанция увеличивает напряжение трансформатором. В идеализированном случае мощность почти сохраняется, поэтому одновременно с ростом напряжения сила тока уменьшается. Возле города или предприятия понижающая подстанция снижает напряжение до значения, подходящего для сети потребителя.

Путь энергии состоит из нескольких этапов: генератор электростанции вырабатывает электрический ток, затем повышающая подстанция подготавливает его к дальней передаче. По линии энергия поступает к понижающей подстанции, а оттуда — в распределительную сеть и к потребителям. В каждом звене учитывают напряжение, ток, сопротивление и допустимый нагрев оборудования.

Для передачи используют переменный ток, потому что его напряжение удобно изменять трансформаторами. Однако сопротивление проводов полностью не исчезает: слишком большой ток вызывает нагрев, повреждение изоляции и потери энергии. На стороне потребителя напряжение понижают не только для работы приборов, но и для снижения опасности поражения электрическим током.

Этапы передачи и использования электрической энергии

Таблицу удобно читать слева направо: сначала энергия вырабатывается, затем подготавливается к передаче, проходит линию и понижается перед использованием. Столбец «Изменение напряжения» показывает, зачем нужны подстанции. Последний столбец помогает связать назначение этапа с его главным физическим свойством.

Разбор задач

Задача 1. Электрическая мощность 10 МВт передаётся по линии при напряжении 100 кВ. Определим силу тока и сравним её с током при напряжении 10 кВ. Используем P = UI, поэтому I = P / U.

1. Переведём величины в СИ: P = 10 МВт = 10 000 000 Вт, U₁ = 100 кВ = 100 000 В.
2. При напряжении 100 кВ получаем I₁ = 10 000 000 / 100 000 = 100 А.
3. При U₂ = 10 кВ = 10 000 В получаем I₂ = 10 000 000 / 10 000 = 1000 А.

Ответ: при 100 кВ ток равен 100 А, а при 10 кВ — 1000 А. Повышение напряжения в 10 раз уменьшило ток в 10 раз.

Задача 2. Линия имеет сопротивление 5 Ом и передаёт мощность 1 МВт при напряжении 100 кВ. Найдём ток и мощность потерь. Сначала вычислим ток по передаваемой мощности, а затем применим формулу нагрева проводов.

1. Переводим единицы: P = 1 000 000 Вт, U = 100 000 В.
2. Ток равен I = P / U = 1 000 000 / 100 000 = 10 А.
3. Потери составляют P_потерь = I²R = 10² · 5 = 500 Вт.

Ответ: сила тока в линии равна 10 А, мощность потерь — 500 Вт. Формула I²R относится именно к нагреву проводов, а не ко всей мощности, передаваемой потребителю.

Задача 3. Трансформатор с коэффициентом трансформации 20 подключён к напряжению 6 кВ. Найдём напряжение вторичной обмотки и её ток при нагрузке 300 кВт. Будем считать трансформатор идеальным и использовать k = U₁ / U₂.

1. При понижающем трансформаторе U₂ = U₁ / k = 6 кВ / 20 = 0,3 кВ = 300 В.
2. Переводим мощность: P = 300 кВт = 300 000 Вт.
3. Ток вторичной обмотки равен I₂ = P / U₂ = 300 000 / 300 = 1000 А.

Ответ: напряжение вторичной обмотки равно 300 В, сила тока в ней — 1000 А. Большой ток на стороне низкого напряжения согласуется с почти сохранённой мощностью идеального трансформатора.

Типичные ошибки

Повышение напряжения увеличивает потери. Так считают, если забывают, что мощность фиксирована и ток при этом уменьшается. Проверяйте рассуждение через I = P / U, а затем подставляйте ток в I²R.

Формулу P = I²R применяют ко всей передаваемой мощности. Она описывает тепло, выделяемое в сопротивлении проводов, а не полезную мощность нагрузки. Сверяйте смысл величины: для передачи используют P = UI, для потерь — P_потерь = I²R.

Путают повышающий и понижающий трансформаторы. Ошибка возникает, если не сопоставить напряжение с числом витков: больше витков во вторичной обмотке — выше её напряжение. Перед вычислением запишите, какая обмотка имеет большее напряжение.

Игнорируют единицы измерения. Значения в кВ и МВ нельзя бездумно подставлять вместе с величинами в СИ. Перед расчётом переведите кВ в 1000 В, МВ в 1 000 000 В и проверьте размерность ответа.

Связь с другими темами

Для расчётов нужны закон Ома для участка цепи, формулы мощности электрического тока и правила соединения проводников. Они помогают находить ток, напряжение, сопротивление и потери в отдельных частях сети.

Работа трансформатора связана с электромагнитной индукцией: изменяющееся магнитное поле создаёт переменную ЭДС во вторичной обмотке. Поэтому трансформатор изменяет переменное напряжение, но не подходит для постоянного тока.

Тема пригодится при изучении энергетики, электрических сетей, электродвигателей и бытовых приборов. Она также объясняет, зачем нужны защитные устройства, изоляция и правила электробезопасности.

Что запомнить

• Электроэнергию передают от электростанций к потребителям по линиям электропередачи.
• При постоянной мощности повышение напряжения уменьшает силу тока.
• Потери мощности в проводах определяются формулой P_потерь = I²R.
• Для уменьшения потерь используют высокое напряжение и провода с малым сопротивлением.
• Трансформатор изменяет напряжение переменного тока, но не изменяет его частоту.
• Перед линией напряжение повышают, а перед потребителем понижают.
• Передача и использование электроэнергии требуют учёта нагрева проводов и электробезопасности.