Номер 4, страница 112 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

4. В чём преимущества передачи энергии на большие расстояния при использовании постоянного тока?

Основная проблема при передаче электроэнергии на большие расстояния — это потери мощности в проводах линии электропередачи (ЛЭП). Эти потери, в основном, обусловлены нагревом проводников при прохождении по ним тока (эффект Джоуля-Ленца) и вычисляются по формуле $P_{потерь} = I^2 R$, где $I$ — сила тока, а $R$ — сопротивление линии. Чтобы уменьшить потери, необходимо снижать либо силу тока, либо сопротивление. Снижение сопротивления требует использования проводов большего сечения, что очень дорого. Поэтому для передачи больших мощностей $P_{пер} = UI$ на большие расстояния повышают напряжение $U$, что позволяет значительно снизить силу тока $I$ и, следовательно, потери мощности, которые пропорциональны квадрату тока.

При передаче энергии на сверхдальние расстояния использование постоянного тока высокого напряжения (HVDC) предоставляет ряд значительных преимуществ по сравнению с переменным током (HVAC).

Во-первых, в линиях постоянного тока отсутствуют потери на реактивную мощность. В линиях переменного тока из-за наличия ёмкости и индуктивности возникает сдвиг фаз между током и напряжением, что приводит к появлению реактивной мощности. Эта мощность не совершает полезной работы, но нагружает генераторы и провода, вызывая дополнительные потери. В линиях постоянного тока такой проблемы нет, и вся передаваемая энергия является активной.

Во-вторых, для постоянного тока не существует скин-эффекта (поверхностного эффекта). При протекании переменного тока он вытесняется к поверхности проводника, что уменьшает эффективную площадь его сечения и увеличивает активное сопротивление. Постоянный ток распределяется по всему сечению равномерно, поэтому при том же диаметре провода его сопротивление для постоянного тока ниже, что ведёт к уменьшению джоулевых потерь.

В-третьих, потери энергии на коронный разряд (утечку заряда в атмосферу с поверхности проводов) для линий постоянного тока при том же напряжении существенно меньше, чем для линий переменного тока.

В-четвертых, требуется меньше затрат на изоляцию и опоры. Изоляторы для линии переменного тока должны быть рассчитаны на его амплитудное (пиковое) напряжение, которое в $\sqrt{2}$ раза выше действующего значения. Напряжение в линии постоянного тока постоянно, поэтому при передаче той же мощности требуется менее мощная (и, следовательно, более дешёвая) изоляция. Кроме того, типичная линия постоянного тока требует всего два провода (или даже один, если использовать землю как обратный провод), в то время как для трёхфазной системы переменного тока нужно как минимум три провода. Это снижает вес и стоимость линии.

Таким образом, несмотря на необходимость в сложных и дорогих преобразовательных подстанциях для перехода от переменного тока к постоянному и обратно, для передачи очень больших мощностей на сверхдальние расстояния (особенно для подводных кабельных линий) системы постоянного тока оказываются более экономичными и эффективными.

Ответ:

Преимущества передачи энергии на большие расстояния с использованием постоянного тока по сравнению с переменным током заключаются в существенном снижении потерь энергии и уменьшении капитальных затрат. Это достигается за счёт отсутствия потерь на реактивную мощность, отсутствия скин-эффекта (что снижает активное сопротивление проводов), меньших потерь на коронный разряд, а также благодаря более низким требованиям к изоляции проводов и возможности использовать меньшее количество проводов для линии электропередачи.