Глава 3. Электромагнитные явления. § 62. Передача электрической энергии — с. 226
§ 62. Вопрос 1. По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП и за счёт чего их можно уменьшить?
Потери электроэнергии в ЛЭП определяют по закону Джоуля—Ленца: Q = I²Rt, где I — сила тока в проводах, R — их сопротивление, t — время. Потери можно уменьшить двумя способами: уменьшив сопротивление проводов или уменьшив силу тока в них. Сопротивление R = ρl/S уменьшают, выбирая металл с малым удельным сопротивлением (медь, алюминий) и увеличивая площадь сечения, но толстые провода дороги и тяжелы, их трудно подвешивать. Потери пропорциональны квадрату силы тока: если ток уменьшить в 10 раз, потери уменьшатся в 100 раз. Поэтому самый эффективный способ — уменьшение силы тока в линии.
§ 62. Вопрос 2. Для чего при уменьшении силы тока во столько же раз повышают его напряжение перед подачей в ЛЭП?
Потребителю нужно передать определённую мощность P = UI. Если силу тока в линии уменьшить в n раз, а напряжение оставить прежним, то мощность уменьшится в n раз, и потребитель получит меньше энергии. Чтобы переданная мощность осталась прежней, напряжение нужно увеличить во столько же раз (в n раз): тогда U·I не изменится. Например, при повышении напряжения с 20 кВ до 400 кВ (в 20 раз) сила тока в проводах при той же мощности станет в 20 раз меньше, а потери на нагревание проводов Q = I²Rt — в 400 раз меньше.
§ 62. Вопрос 3. Расскажите об устройстве, принципе действия и применении трансформатора.
Устройство. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника и двух катушек (обмоток) из изолированного провода: первичной с N₁ витками, подключаемой к источнику переменного напряжения U₁, и вторичной с N₂ витками, к которой подключают нагрузку.
Принцип действия. Переменный ток в первичной обмотке создаёт в сердечнике переменный магнитный поток. Он пронизывает витки вторичной обмотки, и в ней, по закону электромагнитной индукции, возникает переменное напряжение U₂. Напряжения относятся как числа витков: U₁/U₂ = N₁/N₂, откуда U₂ = U₁·N₂/N₁. При N₂ > N₁ трансформатор повышающий (U₂ > U₁), при N₂ < N₁ — понижающий (U₂ < U₁). Трансформатор работает только на переменном токе: постоянный ток создаёт неизменный магнитный поток, и индукции нет.
Применение. Трансформаторы используют на электростанциях и подстанциях при передаче энергии по ЛЭП, в зарядных устройствах телефонов (220 В понижают до 5,5 В), в телевизорах, сварочных аппаратах и многих других приборах.
Принцип действия. Переменный ток в первичной обмотке создаёт в сердечнике переменный магнитный поток. Он пронизывает витки вторичной обмотки, и в ней, по закону электромагнитной индукции, возникает переменное напряжение U₂. Напряжения относятся как числа витков: U₁/U₂ = N₁/N₂, откуда U₂ = U₁·N₂/N₁. При N₂ > N₁ трансформатор повышающий (U₂ > U₁), при N₂ < N₁ — понижающий (U₂ < U₁). Трансформатор работает только на переменном токе: постоянный ток создаёт неизменный магнитный поток, и индукции нет.
Применение. Трансформаторы используют на электростанциях и подстанциях при передаче энергии по ЛЭП, в зарядных устройствах телефонов (220 В понижают до 5,5 В), в телевизорах, сварочных аппаратах и многих других приборах.
§ 62. Вопрос 4. Как осуществляется передача электроэнергии от электростанции к потребителю?
(рис. 177) [на рисунке: схема от тепловой электростанции (12 кВ) через повышающую подстанцию, высоковольтную линию 400 кВ, понижающую подстанцию, низковольтную линию 12 кВ и понижающий трансформатор к потребителю 220 В]
Генератор электростанции вырабатывает переменное напряжение, не превышающее 25 кВ (на рисунке 12 кВ). Для передачи на большие расстояния его сначала подают на повышающий трансформатор расположенной рядом подстанции, где напряжение повышают до сотен киловольт (на рисунке 400 кВ, обычно не более 750 кВ). Под таким напряжением ток идёт по высоковольтной ЛЭП; сила тока в проводах при этом мала, и потери энергии на нагревание невелики. У места потребления на понижающей подстанции напряжение снижают (на рисунке до 12 кВ), далее по низковольтным линиям энергия поступает на трансформаторные подстанции, где напряжение понижают до 380 или 220 В, и затем идёт на предприятия и в жилые дома.