Представьте странную на первый взгляд ситуацию.

Далеко от города есть место с отличными условиями для выработки электроэнергии: мощная река, солнечная пустыня, устойчивый ветер. А в другом месте живут миллионы потребителей: дома, заводы, дата-центры, транспорт.

Решение кажется очевидным: построить электростанцию рядом с потребителем и не тянуть линии на сотни и тысячи километров.

Но энергетика часто делает обратное. Китай строит линии постоянного тока длиной более 2000 и даже 3000 км. В Европе развиваются подводные кабели между странами и офшорными ветропарками. В США строятся и планируются межрегиональные линии, которые переносят большие мощности от удалённых ресурсов к центрам потребления. Для таких задач используют технологию HVDC (High Voltage Direct Current), то есть передачу электроэнергии постоянным током высокого напряжения.

Зачем? Потому что электростанцию часто приходится привязывать не к потребителю, а к ресурсу. Вопрос меняется: не «почему не построить генерацию рядом с городом?», а «как доставить электричество туда, где оно нужно, если лучший ресурс находится далеко?»

Электростанция начинается не с города

У каждого типа генерации есть своё географическое ограничение.

Гидроэлектростанции нужны река, перепад высот, водохранилище.

Крупной солнечной станции нужны солнце и много свободной земли.

Ветропаркам нужен устойчивый ветер, а лучшие места для него часто далеко от крупных городов.

Карта энергетики и карта потребления не обязаны совпадать. Международное энергетическое агентство (МЭА) отмечает, что новые источники генерации, включая солнечные проекты и морские ветропарки, часто находятся далеко от центров спроса, поэтому для их подключения нужны новые магистральные сети. Это касается не только возобновляемой энергетики: крупные ГЭС тоже бывают далеко от промышленных районов, а тепловая генерация привязана к месторождениям топлива.

Получается развилка. Уголь или газ можно подвезти к станции рядом с городом, а ветер, реку и солнце привезти нельзя. Поэтому станцию строят там, где есть ресурс, а к потребителю тянут линию.

Что происходит с электричеством в дороге

Здесь работает простой физический принцип. Одну и ту же мощность можно передать при разных сочетаниях напряжения и тока. Чем выше напряжение, тем меньше нужен ток. А потери энергии на нагрев проводов определяются именно током: чем он больше, тем потерь больше.

Поэтому магистральные линии строят на очень высоких напряжениях. По дороге от электростанции к потребителю электричество проходит через несколько уровней напряжения.

Но тогда возникает следующий вопрос: если обычный переменный ток давно умеют передавать на большие расстояния, зачем понадобился постоянный?

Почему на больших расстояниях появляется постоянный ток

Переменный ток отлично подходит для большинства сетей. Его главное преимущество в том, что напряжение легко повышать и понижать трансформаторами.

Но у очень длинных линий переменного тока есть недостаток. Из-за самой природы переменного тока часть мощности в линии как бы «гоняется» туда-обратно и занимает место в проводах, вместо того чтобы доходить до потребителя. Это приходится компенсировать специальным оборудованием, а с ростом длины ограничения по передаваемой мощности и устойчивости становятся жёстче. Для подводных кабелей проблема особенно заметна, но существует и у протяжённых воздушных линий.

У постоянного тока направление не меняется, и такого эффекта нет. Это не значит, что потерь нет совсем: сопротивление проводов никуда не девается. Но на больших расстояниях и мощностях у HVDC есть преимущества:

меньше проводов (для постоянного тока нужны два проводника вместо трёх фаз).

управляемые перетоки: мощностью можно точно распоряжаться, а не только «отпускать» её в сеть.

Цена этих преимуществ в том, что на концах линии нужны преобразовательные станции.

Как работает HVDC

Схема упрощённо такая:

электростанция → выпрямитель → линия постоянного тока → инвертор → сеть потребителя

На отправляющей стороне переменный ток преобразуется в постоянный. Затем энергия идёт по линии высокого напряжения. На другом конце инвертор снова превращает её в переменный ток, который можно передавать по обычной сети.

Поэтому по краям HVDC-линии стоят не просто подстанции, а сложные и дорогие преобразовательные комплексы. Ставить HVDC на любую линию нет смысла: на коротком расстоянии затраты на преобразователи не окупятся. По мере роста расстояния и мощности выигрыш растёт и в какой-то момент перевешивает стоимость оборудования. Где именно эта граница, зависит от проекта: мощности, типа линии (воздушная или кабельная), цены оборудования и условий строительства.

Насколько важны потери: примерный расчёт

Представим, что нужно передать 1 ГВт по линии длиной 1000 км. Для простоты примем суммарное сопротивление линии за условные 20 Ом.

При напряжении 500 кВ ток составит примерно 2000 А. Потери: около 80 МВт, то есть 8% от передаваемой мощности.

При напряжении 1000 кВ ток вдвое меньше, около 1000 А. Потери: около 20 МВт, то есть 2%.

Потери зависят от квадрата тока, поэтому вдвое меньший ток даёт вчетверо меньшие потери.

Это учебный пример, а не расчёт реальной линии. Он показывает роль напряжения, а не разницу между переменным и постоянным током. В реальной линии сопротивление зависит от конструкции проводов, температуры и схемы. Но принцип именно такой: высокое напряжение значит меньший ток, а меньший ток значит меньшие потери на нагрев.

Китай: электричество едет через всю страну

На западе и северо-западе Китая сосредоточены крупные энергоресурсы, а значительная часть промышленности и городов находится на востоке. Поэтому там построена масштабная система передачи электроэнергии с запада на восток.

Например, линия Чанцзи — Гучжэнь работает при напряжении ±1100 кВ, её длина около 3324 км, а мощность 12 ГВт. Для сравнения: это примерно как двенадцать крупных энергоблоков АЭС по 1 ГВт. Линия соединяет Синьцзян на северо-западе с провинцией Аньхой на востоке.

Это уже не просто длинная линия, а инфраструктура, которая позволяет использовать ресурс одного региона для покрытия спроса другого.

Европа: электричество едет ещё и под морем

В Европе HVDC используют не только на суше, но и для морских связей. В Северном море строятся офшорные ветропарки, то есть электростанции прямо в море. Обычную воздушную линию к ним не проведёшь, а у длинных подводных кабелей переменного тока есть те самые ограничения.

Поэтому HVDC становится основным способом доставки энергии с морских ветропарков на берег. Например, кабель North Sea Link между Норвегией и Великобританией имеет длину около 720 км. Планы развития энергосистемы Северного моря предусматривают ещё более масштабные HVDC-связи между офшорными зонами и странами региона.

США: тот же принцип, другой ресурс

В США похожая задача возникает с ветровой и солнечной генерацией. Хорошие условия для ветра есть в центральной части страны, а крупные центры потребления находятся в других регионах.

Проект Grain Belt Express предусматривает HVDC-линию около 870 км (542 мили) между Канзасом и Миссури, первая фаза рассчитана на 2,5 ГВт. Проект SunZia Transmission соединяет Нью-Мексико и Аризону, это около 885 км, и рассчитан на передачу до 3 ГВт от ветровой генерации к потребителям на юго-западе страны.

Логика везде одна: ресурс здесь, потребитель там, между ними магистральная передача.

А что с Россией?

В российской энергосистеме тоже есть опыт использования постоянного тока. Пример — Выборгский преобразовательный комплекс на подстанции 400 кВ «Выборгская», созданный для связи энергосистем России и Финляндии.

Это не линия на тысячи километров, а вставка постоянного тока. Дело в другом: энергосистемы двух стран работают несинхронно, и напрямую соединить их нельзя. Преобразовательный комплекс как бы переводит электроэнергию из одной системы в другую.

Важно не создавать ложного впечатления о сегодняшнем дне: импорт электроэнергии из России в Финляндию прекращён 14 мая 2022 года. Поэтому Выборгский комплекс корректно рассматривать как российский пример технологии HVDC, а не как действующую торговлю электроэнергией.

Почему тогда не сделать всё распределённым?

Есть разумный контраргумент: если проблема в расстоянии, почему не строить больше генерации рядом с потребителями?

Именно это и происходит. Растут солнечные и ветровые установки рядом с потребителями, промышленные энергокомплексы, накопители, микросети и виртуальные электростанции. Чем больше энергии производят и используют на месте, тем меньше нужно её передавать.

Но магистральная сеть от этого не исчезает. Распределённая генерация решает вопрос локального баланса. Магистраль решает другой: как соединить регионы с разными ресурсами, нагрузками и режимами. Если в одном регионе сейчас избыток ветра, а в другом высокий спрос, связь между ними позволяет использовать этот избыток там, где он нужен. Накопители переносят энергию во времени, местная генерация снижает потребность в передаче, но расстояние между ресурсом и потребителем они не отменяют.

У дальней передачи есть цена

Длинная линия не бесплатное решение. Нужно построить саму линию, две преобразовательные станции, подстанции и подъездную инфраструктуру. Нужно согласовать трассу, получить права на землю, пройти экологические и другие процедуры. Чем длиннее линия, тем сложнее её обслуживать, а её отключение способно заметно изменить перетоки в системе.

Поэтому надёжность определяется не одной мощной линией, а архитектурой сети в целом: резервированием, возможностью менять направление перетоков, наличием других связей и запасом пропускной способности. Современная энергетика поэтому развивает всё сразу: большие межрегиональные связи, локальную генерацию, накопители и управление спросом.

Что это значит для человека у розетки

Включая чайник, мы не думаем, откуда пришёл каждый киловатт-час. Но за этим может стоять длинная цепочка: станция за сотни или тысячи километров, несколько уровней сети, а иногда и HVDC-участок.

Для потребителя из этого следуют две вещи:

Цена электричества складывается не только из стоимости генерации. В неё входят линии, подстанции, преобразовательные комплексы, обслуживание и развитие сети.

Надёжность розетки зависит от всей цепочки, а не только от ближайшей электростанции. Чем теснее связана энергосистема, тем больше возможностей перебросить мощность между регионами, но тем больше инфраструктуры нужно содержать и защищать.

Парадокс снимается

Иногда генерацию действительно выгоднее строить рядом с потребителем. Но во многих случаях лучшее место для станции определяет не город, а ресурс. ГЭС не поставишь там, где нет реки, солнечную станцию нет смысла строить там, где мало солнца, а офшорный ветропарк по определению находится в море.

Мы возим электричество не потому, что забыли построить станцию рядом, а потому, что лучшее место для генерации часто находится далеко. И тогда магистральная сеть оказывается не лишним звеном, а способом связать две разные географии: место, где есть энергия, и место, где она нужна.

Источники

МЭА — Electricity Grids and Secure Energy Transitions

ENTSO-E — HVDC Connections

Министерство энергетики США — Connecting the Country with HVDC

Правительство Китая — развитие UHVDC-передачи

Россети НТЦ — передачи и вставки постоянного тока, Выборгский комплекс

Fingrid — прекращение импорта электроэнергии из России в мае 2022 года

Министерство энергетики США — Grain Belt Express

Hitachi Energy — SunZia Transmission

#энергетика #электроэнергетика #HVDC #линииэлектропередачи #магистральныесети #передачаэлектроэнергии #энергосистема #ВИЭ #ветроэнергетика #ЭнергетикаБезШума

Как получать электричество из шума, продемонстрировала международная группа физиков. Ученые показали, как превращать переменный сигнал — радиоволны, электромагнитный фон или механические колебания — напрямую в постоянный ток без магнитного поля и громоздкой электроники.

Они использовали топологический материал с необычной электронной структурой, который работает как наноразмерный преобразователь энергии. Исследователи использовали нелинейный эффект Холла — явление, при котором в материале возникает постоянное напряжение даже без магнитного поля.

«Мы можем напрямую превращать переменные сигналы в питание для электроники. Это шаг к датчикам и микрочипам без батареек», — рассказал руководитель работы, профессор Дунчэн Ци.

В перспективе такие материалы смогут собирать рассеянную энергию из окружающей среды. Если технология выйдет за пределы лабораторий, это может изменить подход к маломощной электронике: вместо замены батареек — питание от радиофона, вибраций и окружающего электромагнитного шума.

Больше интересной информации про источники энергии и энергетику в телеграм-канале ЭнергетикУм

Но если мы воткнем обратно только + или -, пульт не заработает, поскольку цепь не будет замкнута, а по воздуху электроны не летают. Точнее не должны летать, но как подробно объяснили в посте про коронный разряд, если будете стоять рядом, то Ваши останки надо будет ещё поискать.

Помимо батареек, + и - можно найти, например, на автомобильном аккумуляторе, но там - станет "массой", провод от него идёт прям на корпус автомобиля и двигателя, к основной массе в машине. Поэтому его снимают первым, ибо если неаккуратно начать откручивать + и коснуться концом ключа корпуса, который все еще остался подключенным к -... Жить, конечно, будете, для человека там опасности мало, а вот краску искра скорее всего прожжет до металла.

С переменным током, который живет у нас в розетках, немного хитрее. Ну во-первых, я думаю, что все помнят замечательный диалог из х/ф "Зеленая миля" о том, что переменным током убивать куда эффективнее. Безусловно опасным переменным током считается 50 Вольт, а в наших розетках по евронормам должно быть 230 (но обозначения по прежнему 220). Во-вторых, человеческие бренные тела представляют собой биоробота, которым управляет мозг с помощью электрических импульсов. Так вот, если Вы засунете свои руки во что-то электрическое, помимо ожогов мышцы получат сигнал сжаться, а мозг при всем желании до них уже больше не достучится. И из этого зафиксированного состояния Вас вытащит либо товарищ, при условии, что он знает как это делать, а то тоже зафиксируется рядом, либо гравитация, когда место контакта с электричеством банально сгорит, но вряд ли это кого-то утешит.

Теперь Вы точно знаете, что залезть в розетку без спецнавыков скорее всего будет стоить вам жизни, поэтому можно поговорить о проводах внутри обычной розетки. Если берем обычную квартиру, то проводов там будет 2 или 3, но именно к дыркам подключены только 2, обычно синий и коричневый. Поскольку переменный ток по своему определению с частотой в 50 Гц (100 раз в секунду) меняет свое направление, то первая мысль, которая у нас возникает в голове, что вот эти 2 провода эти самые 100 раз в секунду меняются + и -. Отчасти так и есть, они выступают именно в этих ролях, но сам механизм куда интереснее. На самом деле именно ток есть только в одном проводе - фазе (коричневый), и именно в нем происходит смена направления тока или + на -. Второй провод это ноль (синий) и это просто ноль. Если к нему подключить -, то ноль будет положительнее - и станет работать как +, а если к нему подключить +, то он будет отрицательнее, а значит сработает как -. Поэтому если Вы ̶в̶о̶т̶к̶н̶е̶т̶е̶ ̶г̶в̶о̶з̶т̶ь̶ ̶в̶ ̶о̶т̶в̶е̶р̶с̶т̶и̶е̶ ̶р̶о̶з̶е̶т̶к̶и̶ случайно заденете ноль, то ничего не произойдет. Если заденете фазу - скорее всего тоже, но тут важен контекст, а точнее обстановка. Помните почему - в автомобиле называют массой? Он подключен к большому и тяжелому металлическому кузову, который готов в себя впитать кучу положительного заряда. Так вот, если с рядом с Вами окажется некий большой металлический объект, например батарея, то она тоже с радостью впитает в себя кучу заряда, ей всего лишь не хватает проводника, который любезно соединит ее с фазовым проводом. А если там еще и воду кто-то пролил или дело происходит в ванной, а уж если голой ногой на мокрую землю встать, ууу, так много сценариев. Поищите на досуге немецкую книжку по технике безопасности 1933 года врача Стефана Еллинека, некоторые иллюстрации я добавлю в пост, но это лишь малая доля. В любом случае, достаточно замкнуть фазу на что-то большое или электропроводящее.

Вся беда заключается в том, что электрооборудование, которое окружает Вас, имеет свойство приходить в негодность. Если провод, соединенный с фазой, где-то коснется корпуса, например чайника, значит весь чайник станет фазовым проводом. Пару раз вы даже не заметите этого, будете в тапочках на сухом полу, но один раз облокотитесь на батарею и все, остается надеяться только на то, что при падении чайник отсоединится от розетки. И это мы опускаем случаи "умных" соседей, заземливших что-то через батарею.

Да, страшно, страшно, очень страшно, но теперь Вы хотя бы немного знаете что это такое, значит можно немного и поуспокаивать. Умереть от удара током в современной квартире практически невозможно. Все дело в том, что на входе в квартиру стоят автоматы, те самые маленькие рубильнички которые до сих пор называют пробками. Если они соответствуют всем современным требованиям, то там стоят специальные датчики, которые отключат электричество при человекоподобной нагрузке. Вот только ребенка, за счет его малого размера, они все равно не почувствуют, да и сколько еще у нас домов с советской проводкой...

Отсюда главный вывод, который я хотел бы донести. Если Вы почувствовали, что при прикосновении к батарее, ванне, крану Вас чуть-чуть ударило током, буквально ущипнуло, это достаточно веский провод вызвать специалиста. Да, может это просто шерстяной свитер или Вы излишне нагладили своего котейку зимой, это обычная статика и не более, но может в следующий раз оно уже совсем не ущипнет, а заберет палец, руку или даже жизнь.

Автор - Сергей Васильев

Ещё нас можно читать в ВК, телеге и Дзене

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!

Работа поля:
A = Wₚ₁ - Wₚ₂ = -ΔWₚ
(Поле тратит потенциальную энергию, совершая работу)

Связь силы, работы и потенциала:
На заряд q действует сила:
F = q·E

Работа этой силы:
A = F·Δx = q·Eₓ·Δx,
где Δx = x₂ - x₁

Таким образом:
-ΔWₚ = q·Eₓ·Δx

Важные моменты:
При A > 0 (поле совершает работу) → ΔW < 0 (потенциальная энергия убывает)
Потенциальная энергия заряда в электрическом поле прямо пропорциональна величине заряда.
Потенциальная энергия зависит от выбора нулевого уровня, то есть, определяется с точностью до константы C:
Wₚ₁ = -q·Eₓ·x₁ + C
Wₚ₂ = -q·Eₓ·x₂ + C
Разность Wₚ₁ и Wₚ₂ от выбора нулевого уровня не зависит.

Потенциал:
φ = Wₚ / q

Если подставить выражение для потенциальной энергии, то φ = ( -q·Eₓ·x+ С) / q

Таким образом:
φ= -Eₓ·x + С

Введем понятие разности потенциалов:
Δφ = φ₁ - φ₂
Разность потенциалов является абсолютной величиной, константы сокращаются.
Обращаю внимание на то, что вычитаем из
φ₁ - φ₂, а не наоборот.

Работа через разность потенциалов:
A = q·Eₓ·Δx = q·(φ₁ - φ₂) = q·Δφ

Если сократить на q:
Eₓ·Δx = Δφ →Eₓ = Δφ /Δx

Направление поля:
Напряженность E направлена в сторону убывания потенциала.
(φ₁ > φ₂ → Eₓ > 0)

Теперь, перейдем к понятию напряжение.
Часто разность потенциалов называют напряжением. Но эти понятия - не тождественные. Напряжение - более общее.

Рассмотрим различия:

Разность потенциалов между двумя точками - это работа, которую совершает электростатическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

Напряжение - это полная работа по переносу заряда:
1. Работа электростатического поля
2. Работа сторонних сил

То есть, разность потенциалов определяется электростатическими силами.
А, напряжение определяется всеми силами действующими на заряд.

В данном случае они совпадают:
Δφ=U
Eₓ = Δφ /Δx →Eₓ = U / Δx
Мы получили формулу связи напряжения и напряженности для однородного электростатического поля или стационарного тока в проводнике.