На какие расстояния эффективно передавать электроэнергию? Видеонаблюдение на большие расстояния
Как описывалось в Блоке 7, мощность представляет собой коэффициент проделанной работы (например, насколько быстро ученик может нести рюкзак, нагруженный книгами весом 15 фунтов, вверх по лестнице). Мощность также может пониматься как коэффициент преобразования энергии (например, насколько быстро ученик может преобразовать химическую энергию мышц в механическую энергию для подъема рюкзака вверх по лестнице).
Передача мощности определяется как передача энергии из источника ее генерирования или хранения в точку ее рабочего применения. Посмотрите на электричество: электрическая энергия хранится в батарее, затем передается по проводам к электромотору, где преобразуется в механическую энергию работы.
Механическая мощность может быть передана на большие расстояния различными способами. В данном блоке основной акцент будет сделан на передачу механической энергии в форме вращательного движения (например, если присутствует ввод от стороны вращения при определенном крутящем моменте, мощность которого необходимо преобразовать в другую форму на выходе).
Ось передает движение от точки к точке по оси движения. Одним из распространенных примеров этого процесса является ведущая ось автомобиля. В осях мощность передается через шпонки, шлицы и многоугольные оси.
В VEX в качестве элемента системы движения используются четырехсторонние многоугольные (квадратные) оси. Это означает, что ось будет передавать крутящий момент непосредственно к любому элементу с квадратным отверстием, соответствующем форме оси. Квадратная ось имеет скругленные грани, что позволяет использовать ее также в конструкциях с круглыми отверстиями.
Еще одним способом передачи механической мощности являются зубчатые передачи (ЗП). Существует множество различных зубчатых передач, часто встречающихся в мире.
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПРЯМОЗУБЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Наиболее распространенным типом передач являются цилиндрические прямозубые передачи. Когда люди думают о передачах, они представляют именно их.
Цилиндрические прямозубые шестерни передают движение между двумя валами, вращающимися параллельно друг другу. Эти шестерни характеризуются формой зубьев, расположенных прямо и параллельно оси, на которой вращаются. Эти основная форма передачи механической мощности в системе проектирования VEX Robotics Design System. Помимо прочего, цилиндрические прямозубые передачи встречаются практически во всех существующих в мире механизмах, от автомобилей до механизмов, открывающих лотки DVD-плееров.
КОНИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Конические шестерни имеют форму конуса и передают мощность между валами, оси движения которых пересекаются.
Конические передачи могут передавать мощность между валами при разных углах, но наиболее распространенным типом конической передачи является передача с углом 90 градусов, как показано в примере выше.
КОРОННЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Коронные шестерни представляют собой разновидность конических шестерен, где зубья располагаются перпендикулярно торцу шестерни.
Коронные шестерни могут зацепляться с коническими и цилиндрическими прямозубыми шестернями (как показано в примере выше) таким образом, чтобы движение передавалось между валами с пересекающимися осями вращения..
ЧЕРВЯЧНЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Червячные передачи всегда состоят из червячной шестерни (червяка) и червячного колеса, зацепляющихся друг с другом для передачи мощности между перпендикулярными валами, оси вращения которых располагаются на удалении друг от друга.
.
Червячная шестерня по форме напоминает винт. При вращении она поворачивается, зацепляясь с червячным колесом. Данный тип парной передачи используется для создания большого механического преимущества в пределах малого пространства. В этой парной передаче, червячная шестерня может направлять червячное колесо, но червячное колесо не может управлять движением червячной шестерни. Поэтому червячные передачи полезны в механизмах, где необходимо исключить возможность обратного хода.
КОСОЗУБЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ:
Косозубые шестерни напоминают по форме цилиндрические, но их зубья закручены по форме спирали. Эти шестерни могут использоваться для передачи мощности между двумя параллельными либо между двумя перпендикулярными не пересекающимися осями движения.
ЭПИЦИКЛИЧСКИЕ (ПЛАНЕТАРНЫЕ) ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Комплект эпициклических, или планетарных, шестерен состоит из одной или нескольких планетарных шестерен (Planet), вращающихся по шестерне внешнего кольца и приводимых в движение центральной шестерней (Sun). Перемещаясь, планетарные шестерни обычно одновременно двигают водило планетарной передачи.
Интересно то, что планетарные передачи могут использоваться несколькими способами, при этом разные шестерни будут выполнять функции входов и выходов. Например, центральная шестерня (Солнце) может использоваться в качестве входа, а водило - в качестве выхода, если кольцевая шестерня находится в неподвижном положении, либо кольцевая шестерня может использоваться в качестве входа и центральная - в качестве выхода, если водило находится в неподвижном положении. Суммарное механическое преимущество планетарной передачи изменяется в зависимости от используемой конфигурации.
РЕЕЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Реечная передача - это передача, монтируемая на прямой рейке таким образом, чтобы при приложении крутящего момента со стороны цилиндрической шестерни (шестерни зубчатой рейки) она перемещалась линейно.
Реечные передачи часто используются для преобразования вращательного движения в линейное движение. В автомобилях данный тип передач используется для преобразования вращательного движения рулевого колеса в линейное движение влево и вправо для управления направлением движения автомобиля. Поэтому тип управления автомобилем называется «реечным».
В соревновательной робототехнике существует множество применений реечной шестерни для создания линейных исполнительных механизмов для приводов.
Надеюсь, все помнят проблему последней мили, которая активно решалась в начале нулевых? На сегодня этот вопрос считается закрытым, но… Например я. Живу сейчас частном секторе. Есть один-единственный провайдер с постоянными глюками, ремонтами оборудования, перенастройкой сервера, обрывами и перетягиваниями кабелей (чтоб вы понимали – по улице идет обычная витая пара для внутренних работ) и так далее. Никакой другой поставщик услуг не хочет вести к нам свои коммуникации, поэтому с нормальным интернетом огромнейший … напряг.
Мне в этом плане легче – одно время я имел отношение к телекому, и мне окольными путями за некоторые деньги прямо в дом прокинули оптику. А с другой стороны подключили к одному из нормальных провайдеров с неплохим тарифом. Итог: реальных 100 Мб/с за сравнительно небольшую абонплату. И как нормальный человек, я решил сделать хорошо своим соседям. Поэтому приобрел MikroTikRB2011UAS-2HnD и начал раздавать интернет. Всего у меня 3 подсети: моя, для соседей (проводная) и тестовая с виртуальной точкой доступа.
В общем, близлежащие три дома в радиусе до 100 м. получили интернет, люди довольны, но периодически ко мне обращаются соседи, живущие дальше с просьбой подключить и их. Особенно достал один парень, дом которого находится на расстоянии около 300 м. по прямой, да еще и через дорогу. На фото его дом указан стрелкой:
Я предлагал ему приобрести оборудование Ubiquiti из серии NanoStation и организовать радиоканал, но его смущала стоимость. Еще более матерые устройства имеются в продаже и не являются редкостью, но это уже для промышленных масштабов и для бизнеса, а не для нашей локальной частой затеи.
Когда вселялся в эту квартиру, планировал установить спутниковые тарелки, поэтому установил вот такую мачту возле дымохода. Ее и планировал использовать для монтажа радиооборудования. Но вернемся к нашему вопросу.
В конце концов сосед решился, и поручил мне поиски. Основное условие – легкость установки и демонтажа . Ведь и у него, и у меня это временное жилье и нет смысла серьезно решать вопрос.
Кстати, были варианты купить направленную Wi-Fiантенну, но это не выход: мало ли сколько и какого оборудования сосед захочет подвесить на него. Поэтому только бридж: одна антенна транслирует инет, вторая подключается к компу или WAN-порту роутера, а к нему уже цепляется все, что угодно.
Две абсолютно идентичные картонные коробки без опознавательных знаков и наклейками, на которых какие-то иероглифы и МАС-адресами.
Внутри сами девайсы, инструкция на китайском и английском (английская по качеству выглядит как плохая ксерокопия с ксерокопии)
В комплекте два хомута для крепления к мачте
И блок питания на 12В с обычным штекером. Тут китайцы немного дали маху – длина провода всего 1,5 м., а РоЕ не предусмотрен в принципе
Если бы было РоЕ, я бы запитал оборудование прямо с Микротика и не было бы никаких проблем.
С тыльной стороны точки доступа есть кронштейн с проушиной для крепления к трубе
А также панель со светодиодными индикаторами: наличия питания, сети, Wi-Fi и уровня сигнала
Все провода подключаются к разъемам под съемной крышкой в нижней части девайса, которая фиксируется защелкой. Кроме того, там есть выламываемые заглушки для подведения проводов. К сожалению, никаких резиновых уплотнителей для защиты хотя бы от пыли не предусмотрено.
Под крышкой, в глубине корпуса расположены кнопка RESET, панель DIP-переключателей, с помощью которой настраивается режим работы оборудования и IP-адрес, порт Ethernet и разъем питания
Теперь перейдем непосредственно к девайсу и его настройке.
Основные характеристики бриджа:
CPU: AR9344
DDR: 64MB
Flash: 8MB
RF Power: 802.11 a/n, 23dBm±1dBm
RX: - 96dBm
Направленная антенна: 8DBI, 11a/n
Рабочий диапазон: 5ГГц
Максимальная дальность: 1км.
Температура эксплуатации: -10…+60ºС
Оборудование может работать в двух режимах:
1) точка доступа (АР)
2) приемник для подключения по беспроводному каналу и трансляции сигнала на порт LAN (СРЕ)
Настройка режима осуществляется простым изменением положения DIP-переключателя
А вот дальше начинается самое интересное: настройка IP-адресов для линка двух таких девайсов. Традиционно, это делается через веб-интерфейс. Но здесь китайцы пошли по пути с одной стороны, упрощения, а с другой – усложнения процедуры. Хотя, как на это посмотреть.
Итак, у нас есть две группы переключателей, отвечающих за настройку IP-адреса. По умолчанию, айпишники сразу прописаны серыми, т.е. 192.168.ххх.ххх. Пользователь может изменить только подсеть (переключатели 2, 3, 4), причем выбрать можно одну из восьми предустановленных (101 … 108) и идентификатор (переключатели 5 и 6) в диапазоне от 2 до 5. Все.
По утверждению друзей из Поднебесной, да и исходя из вышеуказанного ограничения по количеству IP, к одной точке доступа можно подключить до 4-х приемных устройств.
Что еще из нюансов: АР не транслирует имя сети, пароль для линка между устройствами предустановлен на заводе и вводить его не требуется. Но в таком случае, если где-то в моем районе появится еще одна такая же ноунеймоская китайская штука, то пользователь может спокойно подключиться к инету через точку доступа. Нужно будет только поиграться с установкой DIP-переключателей, и подобрать соответствующий айпишник. Мне, допустим, такаю ситуация не грозит, потому что у меня Микротик, и все лишнее закрыто и запрещено.
Возвращаемся к нашим девайсам. Все манипуляции, которые нужно я произвел, в тестовую подсеть включил точку доступа и свой ноут. Второе устройство было отдано соседу. Он его закрепил, включил в свой комп, подключил электричество и стал ждать)) Поскольку между нами прямая видимость, то направление друг на друга было выставлено без проблем. За происходящим я наблюдал через Winbox, с компа, включенного в мою домашнюю сеть.
Итак, девайс, который остался у меня получил айпи 192.168.88.13 (МАС CC:22:37:A0:02:40), а девайс соседа 192.168.88.14 (МАС CC:22:37:A0:02:15). Это данные из ARP-таблицы
Причем, здесь обнаружилось несовпадение МАС на наклейке (CC:22:37:A0:02:13) одного из девайсов с реальным (CC:22:37:A0:02:15). DHCP-сервер отработал без проблем, компьютер соседа получил айпишник из тестовой подсети.
Я открыл ему доступ в интернет и попросил немного посерфить. Вот скрин его активности
Повторюсь, расстояние по прямой около 300 м. По радиоканалу пингик соседскому компу бегают превосходно, а точка доступа не пингуется вообще
Естественно, мне стало интересно, какая скорость передачи данных через бридж. Это я проверил с помощью утилиты NetStress:
Как видно на скриншоте, китайское оборудование стабильно выдает 20 Мб/с, что отнюдь неплохо. Поскольку это его максимум - такое ограничение по скорости я установил и для своего очередного абонента. Этого вполне достаточно для серфинга, он-лайн игрушек, просмотра фильмов и быстрого скачивания файлов.
В характеристиках километр, но как обычно это «китайский» километр и не указано, какая скорость может быть на краю этого километра (очевидно, «никакая»).
Вот уже с недельку товарищ имеет нормальный, стабильный доступ к сети и это в условиях зимы с метелями. Задача решена и теперь осталось узнать, сколько времени выдержат эти девайсы в наших условиях. Зимние морозы пережили, впереди летняя жара!
Если заинтересовали устройства, то под спойлером купон на скидку.
Передача цифрового сигнала от IP видеокамер к серверу (или коммутатору) происходит по стандартному кабелю UTP категории 5e, или так называемой «витой паре». Кроме того, популярная сегодня, технология Power over Ethernet (PoE) позволяет запитывать IP-камеры видеонаблюдения за счет подачи постоянного напряжения питания вместе с данными по стандартной неэкранированной витой паре. Витая пара подключается к сетевому устройству через порт RJ-45, а питание подается от питающего оборудования например, от коммутатора PoE или от промежуточного инжектора PoE.
Согласно стандарту IEEE 802.3af обеспечивается постоянный ток до 400 мА с номинальным напряжением 48 В (от 36 до 57 В) через две пары проводников в четырёхпарном кабеле для обеспечения максимальной мощности 15 Вт. За счет высокого напряжения уменьшаются токи, текущие по кабелю UTP, поэтому нет нужды в дорогом кабеле с большим сечением проводника.
Технология PoE обеспечивает гибкое и удобное средство питания устройств, которые расположены в отдалённых местах, и позволяет сэкономить на стоимости кабеля, а также за счет устранения расходов и трудностей, связанных с прямым соединением различных устройств по проводам. Препятствие, которое возникает при внедрении PoE, да и передачи IP сигнала в целом - это ограничение на расстояние, связанное с применением витой пары. Согласно стандарту Ethernet для кабеля категории 5e, максимальная длина сегмента кабеля - 100 метров, причем применение инжекторов и сплиттеров PoE не даёт возможность увеличить это расстояние.
Как же преодолеть это ограничение в 100 метров? Есть несколько решении этой задачи.
Конечно одним из самых распространенных способов, это установка через каждые 100 метров коммутирующих устройств. Это, как правило, самый бюджетный вариант. Но не всегда есть возможность запитать устройства коммутации, к примеру, стоит задача передать сигнал через поле или другую открытую местность. Ниже предложены альтернативные способы.
Примечание: рассматриваемые альтернативные способы не предусматривают передачи питающего напряжения для оборудования видеонаблюдения.
Передача цифрового видеосигнала с помощью беспроводной технологии Wi-Fi. Современное оборудование позволяет передавать радиосигнал на расстояние до 20 км. Например, недорогая уличная точка доступа осуществляет передачу видеосигнал от IP камер на расстояние 5-7 км. Это эффективный способ преодолеть ограничение по расстоянию. Однако, пропускная ограничивается в среднем до 150 Mb/s как заявляют производители, на практике же до 80 Mb/s.
Использование медиоконвертеров. Делятся они на несколько видов, самые популярные из них 2:
1. Медиаконверторы, позволяющие передавать видеосигнал по коаксиальному кабелю
2. Медиаконверторы, использующие оптоволокно.
Первый тип конверторов можно использовать, когда нужно передать сигнал на расстояние от 400 метров до 2 километров. Передача цифрового сигнала для IP камеры идет по коаксиальному кабелю. Так же большую роль играет качество кабеля. Устройства работают в дуплексном режиме передачи данных. Предназначены для подключения IP-устройств, в том числе IP-камер, IP-видеосерверов и видеорегистраторов. Комплекты состоят из активного приемника и передатчика, блок питания - в комплекте. Эти медиаконверторы хорошо подходят для перехода на систему цифрового IP-видеонаблюдения, позволяя использовать унаследованную коаксиальную разводку аналоговой системы при подключении новых цифровых видеокамер. При этом стоимость этих устройств сейчас снизилась до разумных пределов.
Оптические медиаконверторы позволяют передавать сигнал на гораздо большие расстояния (до 20 км.)
Медиаконвертер осуществляет преобразование линии Ethernet 10/100 из витой пары в оптоволокно, кроме того он использует волновое уплотнение (WDM), чем достигается одновременная передача и прием по одному оптическому волокну.
Для подключения необходимо использовать одномодовый оптический кабель с SC разъемом. Максимальное расстояние передачи сигнала до 20 км.
Такой IP удлинитель гораздо эффективнее и экономичнее, нежели передавать видеосигнал с IP камер по коаксиальному кабелю. Тем более на сегодняшний момент стоимость прокладки и пайки оптоволокна становится все доступнее.среднем до 150 Mb/s как заявляют производители, на практике же до 80 Mb/s.
Касаемо беспроводных сетей:
Рассмотрим объект, где нет возможности протянуть провода, либо длина прокладки кабеля превышает 100 метров. Все очень просто, достаточно приобрести WI-FI антенну, установив ее рядом с Вашим видео регистратором или сервером. На местах установки камер необходимо установить WI-FI - передатчики, антенна будет собирать сигнал со всех камер, через подключенные к ним передатчики. Пропускная способность такой сети будет составлять приблизительно 150 mb/s, будет достаточно на 15-20 камер, в зависимости от настраиваемого битрейта.
Удаленный доступ к камерам видеоконтроля может быть беспроводной или проводной. В первом случае используются GSM, Wi-Fi сети. Во втором – либо аналогичные.
Принцип работы
Проводная связь является надежной, так как устойчива к помехам извне (гроза), но требует материальных затрат для прокладки проводов.
При видеонаблюдении на больших расстояниях оправдано применение беспроводной связи. Она может использоваться в труднодоступных местах, где нет телефонных линий и точек доступа в Интернет, единственный выход – использование сотовой связи.
В этом случае к оператору сотовой связи подключаются по протоколу доступа в Интернет GPRS или EDGE и выделяется IP-адрес. Скорость передачи данных 5 кадров в секунду при разрешении картинки 704×576 px.
Доступ в Интернет по выделенному каналу или телефонной линии по технологии ADSL удобен в местности, имеющие развитую систему телекоммуникации, что значительно удешевляет получение видеосигнала.
Для сохранения конфиденциальности получение информации с камер через сети Internet, доступ к видеосигналу защищается паролем. Он может быть многоуровневый, чтобы обеспечить разным лицам доступ только к определенной части камер видеонаблюдения.
Камеры видеонаблюдения
На рынке представлен большой набор видеокамер для осуществления открытого, малозаметного и скрытного наблюдения.
Открыто камеры устанавливаются на улице, месте парковок и входе в здание. Малозаметные камеры, защищенные сферическим куполом, применяют в офисе, квартире, торговом зале.
Камера Beward N1250, имеет компактные размеры, встроенный Wi-Fi модуль, высокочувствительный сенсор, позволяющий получить четкое изображение даже в условиях пониженной освещенности. Она снабжена встроенными датчиками движения и светодиодной подсветкой, используемой в темное время суток.
Подключение к беспроводной сети происходит с использованием протокола WiFi IEEE 802.11 b/g, сигнал со всех камер попадает на роутер, просмотр изображения происходит через любой Web-browser. Вы можете просматривать изображения с 32 IP-камер, программное обеспечение входит в комплект поставки.
Нужно помнить, что камера с встроенным Wi-Fi модулем стоит в 1,5 раза дороже обычной модели.
Эта камера идеально подойдет для беспроводной , жилых помещениях, общественных зданиях.
Проводные видеокамеры
Это самый дешевый, высокоскоростной удаленный доступ к видеокамерам.
Сигнал от камер видеонаблюдения по проводам попадает на с доступом в Интернет. Можно установить сетевой роутер, он собирает информацию со всех камер и транслирует изображение в Интернет.
Видеокамера Polyvision PN20-M1-B3.6IR-IP бюджетная, малогабаритная уличная камера, и ИК-подсветкой до 20 метров, есть детектор движения и автоматический баланс белого.
Универсальная камера DS-2CD812PF-W фирмы Hikvision работает с проводной и Wi-Fi связью, а модель Sony Super HAD CCD кроме работы с проводной связью может вести запись на установленную флэш-карту. Работа камеры схожа с работой видеорегистратора.
Модульные (бескорпусные) камеры используются для скрытого наблюдения. Она состоит из двух частей, объектива и отдельно видеоплаты. Объектив легко замаскировать под детали окружающей обстановки, провода от него идут к .
Камера SPYMAX SCM-422 имеет угол обзора 60 градусов и автодиафрагму, дает четкую картинку и используется внутри помещения.
Прежде всего, светочувствительность, которая есть у камеры при минимальном освещении. Она измеряется в Люксах (светочувствительные камеры от 0,05 до 0,1).
Если вы планируете сделать камеры незаметными, этот фактор имеет значение, так как ИК-подсветка обнаруживает себя.
Размер матрицы камеры, от которой зависит четкость картинки. Он может быть 1/2”, 1/3”, 1/4”. Тем больше физический размер, тем четче изображение.
Применение видеонаблюдение на больших расстояниях позволяет эффективно осуществлять контроль ведения бизнеса, получать информацию в реальном времени о том, что происходит у вас дома, обеспечивать безопасность персонала и близких людей.
Процесс передачи электрической энергии уже давно не вызывает у нас удивления. Электричество настолько прочно вошло в нашу жизнь, что представить себе ситуацию, когда его нет, для большинства из нас почти не возможно. За последние десятилетия были проложены миллионы километров проводов. Стоимость работ по вводу их в работу и эксплуатации составляет триллионы рублей. Но зачем строить протяженные ЛЭП, когда можно у каждого потребителя поставить генератор? Есть ли зависимость между длиной ЛЭП и качеством передаваемой электроэнергии? На эти и другие вопросы я и попытаюсь ответить.
Провода и генераторы
Сторонники распределенной генерации полагают, что будущее энергетики состоит в использовании небольших генерирующих устройств каждым потребителем. Можно подумать, что столь привычные нам опоры ЛЭП доживают свои последние деньки. Попробую встать на защиту «старушек» ЛЭП и рассмотреть те плюсы, которые получает энергосистема при строительстве протяженных линий электропередачи.
Во-первых, транспорт электрической энергии напрямую конкурирует с транспортом топлива по железной дороге, нефте- и газопроводам. При их удаленности или отсутствии строительство линий электропередачи является единственным оптимальным решением для энергоснабжения.
Во-вторых, в электротехнике уделяется пристальное внимание резервированию мощности. Согласно правилам проектирования энергосистем, резерв должен обеспечивать работу энергосистемы при потере любого ее элемента. Сейчас этот принцип называется «N-1». Для двух изолированных систем суммарный резерв будет больше, чем для связанных, а меньший резерв — это меньшее количество денег, потраченных на дорогостоящее электрооборудование.
В-третьих, экономия достигается за счет более грамотного управления энергоресурсами. Атомные электростанции, гидроэлектростанции (за исключением малой генерации) по понятным причинам зачастую расположены в отдалении от крупных городов и поселений. Без линий электропередачи «мирный атом» и гидроэлектроэнергия не были бы использованы по их прямому назначению. Разветвленная энергосистема также позволяет оптимизировать загрузку и прочих видов электростанций. Ключ к оптимизации — управление очередью загрузки. Вначале загружаются электростанции с более дешевым производством каждого кВт*ч, затем уже электростанции с более дорогим. Не стоит забывать и о часовых поясах! Когда в Москве пик энергопотребления, в Якутске этот показатель невелик. Отдавая дешевую электроэнергию в разные часовые пояса, мы стабилизируем загрузку генераторов и сводим к минимуму издержки производства электричества.
Не стоит забывать и о конечном потребителе — чем больше у нас возможностей доставить до него электрическую энергию от разных источников, тем меньше вероятность, что когда-нибудь его энергоснабжение прервется.
К минусам построения разветвленной электросети можно отнести: сложное диспетчерское управление, трудную задачу автоматического управления и работы релейной защиты, появление необходимости дополнительного контроля и регулирования частоты передаваемой мощности.
Однако отмеченные недостатки не могут нивелировать положительный эффект от построения разветвленной энергосистемы. Развитие современных систем противоаварийного управления и компьютерных технологий постепенно упрощают процесс диспетчерского управления и увеличивают надежность электросетей.
Постоянный или переменный?
Существует два принципиальных подхода к передаче электроэнергии — использование переменного или постоянного тока. Не вдаваясь в подробности, отметим, что для небольших расстояний гораздо эффективнее использовать переменный ток. Но при передаче электроэнергии на расстояния свыше 300 км практичность использования переменного тока уже не так очевидна.
Связано это в первую очередь с волновыми характеристиками передаваемой электромагнитной волны. Для частоты 50 Гц длина волны составляет примерно 6000 км. Оказывается, что в зависимости от протяженности ЛЭП существуют физические ограничения на передаваемую мощность. Максимум мощности можно передать при длинах ЛЭП порядка 3000 км, что составляет половину длины передаваемой волны. К слову, этот же объем мощности передают по ЛЭП протяженностью в 10 раз меньше. При прочих размерах линий объем мощности может достигать всего лишь половины от данного значения.
В 1968 году в СССР был осуществлен уникальный и пока единственный в мире эксперимент по передаче мощности на расстояние 2858 км. Была собрана искусственно схема передачи, включающая в себя участки Волгоград-Москва-Куйбышев (ныне Самара)-Челябинск-Свердловск (ныне Екатеринбург) на напряжении 500 кВ. Опытным путем были подтверждены теоретические исследования длинных линий.
Из рекордсменов по протяженности можно выделить проложенную в Китае ЛЭП в 2200 км от восточной провинции Хами до города Чженчжоу (столица провинции Хэнань). Стоит отметить, что полный ее ввод в эксплуатацию намечен на 2014 год.
Также не стоит забывать о напряжении линий. Со школы нам знаком закон Джоуля-Ленца P = I? R , который постулирует, что потери электрической энергии зависят от значения электрического тока в проводе и от материала, из которого он изготовлен. Мощность, передаваемая по линиям электропередачи, есть произведение тока на напряжение. Чем выше напряжение, тем меньше ток в проводе и тем самым меньше уровень потерь электроэнергии при передаче. Отсюда следствие: если мы хотим передавать электроэнергию на большие расстояния, необходимо выбирать как можно большее напряжение.
При использовании переменного тока в протяженных ЛЭП возникает ряд технологических проблем. Главная проблема связана с реактивными параметрами линий электропередачи. Емкостное и индуктивное сопротивление проводов оказывают существенное влияние на потери напряжения и мощности при передаче, возникает необходимость поддержания уровня напряжения на должном уровне и компенсации реактивной составляющей, что достаточно ощутимо увеличивает стоимость прокладки километра провода. Высокое напряжение заставляет использовать большее количество гирлянд изоляции, а также накладывает ограничение на сечение провода. Все вместе увеличивает суммарный вес всей конструкции и влечет за собой необходимость использовать более устойчивые и сложные по своей конструкции опоры ЛЭП.
Этих проблем можно избежать, используя линии постоянного тока. Провода, используемые в линиях постоянного тока, дешевле и дольше служат при эксплуатации в связи с отсутствием частичных разрядов в изоляции. Реактивные параметры электропередачи не оказывают существенного влияния на потери. По линиям постоянного тока наиболее эффективно передавать мощность от генераторов, так как возможен выбор оптимальной скорости вращения ротора генератора, что повышает КПД его использования. Минусами использования линий постоянного тока является высокая стоимость выпрямителей, инверторов и различных фильтров для компенсации неизбежно появляющихся высших гармоник при преобразовании переменного тока в постоянный.
Но чем выше длина линии электропередачи, тем эффективнее использовать линии постоянного тока. Существует некоторая критическая длина ЛЭП, которая позволяет оценить целесообразность использования постоянного тока при прочих равных условиях. По данным американских исследователей для кабельных линий эффект ощутим при длинах более 80 км, но величина эта все время уменьшается при развитии технологий и удешевлении необходимых комплектующих.
Самая длинная линия постоянного тока в мире опять же расположена в Китае. Соединяет она ГЭС Сянцзяба (Xiangjiaba Dam) с Шанхаем. Ее длина составляет почти 2000 км при напряжении 800 кВ. Достаточно много линий постоянного тока находится в Европе. В России можно выделить отдельно вставку постоянного тока Выборг, соединяющую Россию и Финляндию, и высоковольтную линию постоянного тока Волгоград-Донбасс протяженностью почти 500 км и напряжением 400 кВ.
Холодные провода
Принципиально новый подход к передаче электрической энергии открывает явление сверхпроводимости. Вспомним, что потери электрической энергии в проводе зависят помимо напряжения еще и от материала провода. Сверхпроводящие материалы обладают почти нулевым сопротивлением, что теоретически позволяет передавать электрическую энергию без потерь на большие расстояния. Минусом использования данной технологии является необходимость постоянного охлаждения линии, что иногда приводит к тому, что стоимость системы охлаждения значительно превышает потери электрической энергии при использовании обычного не сверхпроводимого материала. Типовая конструкция подобной ЛЭП состоит из нескольких контуров: провод, который заключен в кожух с жидким гелием, опоясывающий их кожух из жидкого азота и менее экзотичная тепловая изоляция снаружи. Проектирование таких линий ведется ежедневно, но до практической реализации доходит не всегда. Самым успешным проектом можно считать линию, построенную American Superconductor в Нью-Йорке, а самым амбициозным проектом — ЛЭП в Корее, протяженностью около 3000 км.
Прощайте, провода!
Идеи не использовать провода вообще для передачи электрической энергии возникли уже достаточно давно. Разве не могут вдохновлять опыты, которые проводил Никола Тесла в конце XIX — начале XX века? По свидетельствам его современников, в 1899 году в Колорадо-Спрингс Тесла смог заставить загореться две сотни лампочек без использования каких-либо проводов. К сожалению, записей о его работах почти не осталось, и повторить подобные успехи смогли лишь спустя сотню лет. Технология WiTricity, разработанная профессором MIT Марином Солячичем, позволяет передавать электрическую энергию без использования проводов. Идея заключается в синхронной работе генератора и приемника. При достижении резонанса возбуждаемое переменное магнитное поле излучателем в приемнике преобразуется в электрический ток. В 2007 году был успешно проведен эксперимент подобной передачи электроэнергии на расстояние в несколько метров.
К сожалению, современный уровень развития технологий не позволяет эффективно использовать сверхпроводящие материалы и технологию беспроводной передачи электрической энергии. Линии электропередачи в привычном для нас виде будут еще долго украшать поля и окраины городов, но даже их правильное использование позволяет принести существенную выгоду для развития всей мировой энергетики.