В другой раз Историю развития линий электропередач можно сравнить с сюжетом популярного фильма. Два героя: Никола Тесла и Томас Эдисон. Две идеи: постоянный ток и переменный ток. Физик Дмитрий Паращук рассказывает об эволюции сетей электропередач и подводит итоги войны токов.
В конце XIX века были предложены два способа передачи электричества по проводам: с помощью переменного и постоянного тока. Эти способы связаны с именами Томаса Эдисона и Николы Теслы. Эдисон отстаивал идею использования для линии электропередач постоянного тока, а идея Теслы и других исследователей заключалась в том, чтобы использовать переменный ток. На сегодня большая часть линий электропередач использует переменный ток. Главная проблема передачи электрической энергии с помощью электрических сетей — омические (резистивные) потери. Ток протекает по проводнику, а любой проводник имеет сопротивление. Согласно закону Джоуля — Ленца, потери энергии на нагрев пропорциональны квадрату тока и пропорциональны электрическому сопротивлению. Если мы хотим уменьшить электрический ток и сохранить энергию, которую передаем по линии электрической связи, нужно повысить напряжение. При этом слишком сильное напряжение уменьшит ток, а при уменьшении тока снижаются резистивные потери, потому что энергия, выделяемая на нагрев, пропорциональна квадрату электрического тока. Если в 10 раз уменьшить электрический ток, то в 100 раз уменьшатся потери на передачу.
Перед войной токов
Во второй половине XIX века для решения этой проблемы придумали использовать высокое напряжение для передачи электрической энергии по проводам. Высокое напряжение легко получить с помощью трансформатора, который состоит из двух обмоток. Если во второй обмотке намного больше витков, чем в первой, и эти обмотки имеют совместный сердечник, то за счет явления электромагнитной индукции электрический ток начнет наводить магнитное поле в сердечнике. Это магнитное поле наводит электрический ток во вторичной обмотке, а затем повышается напряжение. В итоге коэффициент повышения напряжения равен отношению числа витков во вторичной и первичной обмотке. Это простой способ повышать электрическое напряжение, но он требует переменного тока, поэтому Тесла предложил получать высокое напряжение с помощью трансформатора.
Универсального решения нет, потому что в линиях электропередач на переменном токе есть проблема. Если у нас есть индуктивная нагрузка, где есть индуктивность или емкость, то фаза напряжения тока нарушается, поэтому напряжение изменяется не в фазе, и появляется сдвиг фаз. Например, если напряжение изменяется по синусоидальному закону, то на конденсаторе или катушке индуктивности ток и напряжение сдвинуты по фазе. Один показатель меняется по синусу, другой — по косинусу. Важно, что энергия, которую передают, требует, чтобы токи были в фазе, поэтому при работе на переменном токе всегда есть емкость и индуктивность, так что ток и напряжение сдвинуты по фазе. Например, если есть линия электропередачи и в конце нее стоит емкостная нагрузка в виде конденсатора, в который энергия не передается, но электрический ток идет в одну и другую сторону по линии электропередачи, то энергия тратится также на нагрев проводов. В этом смысле электрические сети, основанные на переменном токе, имеют недостаток, поэтому нужно компенсировать разность фаз, которые возникают из-за емкости и индуктивности, находящихся в линии электропередачи.
Преимущество электрических сетей, основанных на переменном токе, в том, что в них легко повышать и понижать напряжение. В линиях на постоянном токе получение высокого постоянного напряжения — сложный процесс. Для этого надо преобразовывать переменное напряжение, повышая его с помощью трансформатора, а потом, используя специальные преобразователи, выпрямлять электрический ток, преобразовывать переменный в постоянный. Преобразователь — это сложное и дорогое устройство, поэтому линий электропередач на постоянном токе немного. Их используют, когда нужно передать много энергии на очень большие расстояния. С такими сетями нет проблем, связанных с реактивными компонентами нагрузки, поэтому расходы на концевые станции, преобразующие постоянный ток в переменный, могут быть экономически оправданны. Передавать переменный ток проще, поэтому огромное количество линий электропередач работает на переменном токе высокого напряжения, но, когда речь идет о больших расстояниях и мощностях, имеет смысл работать на постоянном токе.
Война токов
Война токов началась в конце XIX века. Разработка многофазных генераторов и электродвигателей связана с именем русского инженера Михаила Доливо-Добровольского, который предложил конструкцию электродвигателя, работающего на переменном токе, — асинхронный двигатель, где ротор выполнен из замкнутых стержней, поэтому похож на беличью клетку. В таких двигателях есть контуры, в которых наводится ток, поэтому они работают как электрические машины как в режиме генерации энергии, так и в режиме потребления для разных электродвигателей. После изобретения таких многофазных электрических машин во второй половине XIX века появились линии электропередач. Изначально они были на однофазном токе, потом на трехфазном. С этого момента началось бурное развитие и внедрение электрической энергии во все сферы жизни — электрификация. Считается, что уровень электрификации территории во многом определяет уровень ее развития.
Первые продвинутые сети в Европе, работающие на переменном токе, появились в России перед Первой мировой войной, когда государство стало закупать оборудование, разработанное немецкими компаниями, в том числе AEG, которое работало на переменном токе. Затем, примерно сто лет назад, после революции, советская власть поняла, что электрификация — важное дело в развитии страны. Известный многим государственный деятель говорил, что коммунизм — это советская власть плюс электрификация всей страны. В это время приняли план ГОЭЛРО (государство, электрификация, Россия). За 10 лет исполнения плана удалось электрифицировать большую часть европейской территории нашей страны.
Будущее сетей электропередач
Война токов продолжается постоянно, потому что у каждого способа передачи есть преимущества и недостатки, хотя принципы электротехники, электрических машин и передачи токов сформулированы давно и вряд ли изменятся. Усовершенствование устройств идет по линии развития новых материалов, которые будут эффективнее, дешевле и позволят строить лучшие сети передачи энергии. Современные сети электропередач выглядят как интернет, есть сложная сетевая структура, в которую закачиваются не только крупные поставщики электроэнергии, как электростанции, но с развитием альтернативной энергетики, ветроэнергетики и солнечных батарей сеть распределяется по большим территориям. В нее закачивается энергия и потребляется во многих ее местах. Есть мощные узлы, как электростанции, и слабые узлы, где проходит потребление энергии, например в домашних хозяйствах. Это выглядит как классическая сетевая структура, которая развивается по своим законам.
Управление умными сетями — это сложный процесс: нужно организовать передачу энергии так, чтобы были минимальные потери, чтобы энергия, которая вырабатывалась, использовалась эффективно. Для управления используют современные технологии с привлечением оптимизационных схем и компьютерных расчетов. Главная проблема электрических сетей — омические потери. Для ее решения можно использовать современные сверхпроводники, но работают они только при низких температурах. Существуют линии электропередач, основанные на сверхпроводниках, но они экспериментальные. Запустили такие сети много лет назад, но они очень дорогие. При их использовании нет электрических потерь, но эксплуатация и содержание трудно оправдать экономически. Если в будущем удастся получить сверхпроводящие материалы, стабильно работающие при азотных температурах, то это будет существенный шаг в сторону внедрения этой технологии. Возможность иметь дешевые сверхпроводники при комнатной температуре станет очередной революцией.
