С чем связаны потери электроэнергии при передаче её на расстояние?

Потери электроэнергии при передаче на расстояние связаны с тем, что реальная линия электропередачи — это не “идеальный провод”, а набор физических элементов с сопротивлением, индуктивностью, ёмкостью и утечками на изоляции. Из-за этого часть мощности превращается в тепло, уходит на паразитные токи и компенсирующие режимы, а ещё теряется из-за особенностей оборудования по пути.

1) Нагрев проводов из-за сопротивления (основная причина)

У любого проводника есть активное сопротивление $R$. Когда по линии течёт ток $I$, часть мощности выделяется в виде тепла:

Это и есть самые “понятные” потери: провод нагревается, энергия превращается в тепло и уже не доходит до потребителя.

Отсюда важный вывод: чем больше ток, тем сильнее потери (квадратично). Именно поэтому электричество передают на высоком напряжении: при той же передаваемой мощности ток меньше, значит $I^2R$-потери резко падают.

Также сопротивление растёт при нагреве проводов, поэтому в жару или при перегрузе потери увеличиваются ещё сильнее.

2) Реактивные процессы в линии (индуктивность и ёмкость)

Линия электропередачи обладает:

• индуктивностью (особенно воздушные линии),

• ёмкостью относительно земли и между фазами (особенно кабели).

Из-за этого возникают реактивные токи (токи, которые “гоняют” энергию туда-сюда между электрическим и магнитным полями). Они не выполняют полезной работы у потребителя, но:

• увеличивают общий ток в линии,

• а значит повышают $I^2R$-потери в проводах,

• усложняют поддержание напряжения (падают/растут уровни напряжения вдоль трассы).

У кабельных линий ёмкостные токи особенно заметны, поэтому на больших длинах кабелей потери и ограничения по передаче могут резко вырасти.

3) Потери на корону и ионизацию воздуха (для высоких напряжений)

На линиях сверхвысокого напряжения вокруг проводов может возникать коронный разряд: воздух ионизируется, появляются микроскопические разряды, характерный шум и свечение.
Это приводит к потерям энергии и дополнительному нагреву, особенно:

• при высокой влажности, тумане, дожде,

• при загрязнённых или шероховатых проводах,

• при очень высоких напряжениях.

4) Утечки тока через изоляцию и по поверхности

Изоляция опор и кабелей не идеальна. Есть:

• объёмные утечки через материалы,

• поверхностные утечки по загрязнённой/влажной поверхности изоляторов.

В дождь, при солевых отложениях, пыли, промышленном загрязнении утечки увеличиваются. Это не всегда главный вклад, но на длинных и “грязных” участках может быть заметно.

5) Эффект “ток течёт по поверхности” (скин-эффект) и близостный эффект

При переменном токе ток распределяется по сечению провода неравномерно:

• на повышенной частоте ток сильнее смещается к поверхности (скин-эффект),

• в многопроводных системах добавляется близостный эффект (взаимное влияние проводников).

В результате “эффективное” сопротивление переменному току становится выше, чем у того же провода на постоянном токе, и потери растут. В обычных сетях 50 Гц это не катастрофа, но на больших токах и в специальных режимах учитывается.

6) Потери в оборудовании по пути: трансформаторы, выключатели, компенсаторы

Передача на расстояние почти всегда включает подстанции и преобразования напряжения. Там тоже есть потери:

• в трансформаторах: потери в меди обмоток (зависят от нагрузки) и в стали сердечника (почти постоянны при включённом трансформаторе),

• в коммутационной аппаратуре и соединениях: контактные потери,

• в устройствах компенсации реактивной мощности (реакторы, конденсаторные батареи): собственные потери.

Эти потери не “в проводах”, но входят в общие потери передачи.

7) Несимметрия, гармоники и низкий коэффициент мощности

Если нагрузка даёт:

• гармоники (например, много электроники/преобразователей),

• перекос фаз,

• низкий cosφ,

то растёт ток и дополнительные потери в линии и трансформаторах. Гармоники ещё и сильнее проявляют скин-эффект и нагрев.

Итог

Главная причина потерь при передаче на расстояние — нагрев проводов из-за сопротивления ($I^2R$), а всё остальное (реактивные токи из-за индуктивности/ёмкости, корона, утечки, особенности переменного тока, потери в трансформаторах и оборудование) либо добавляет свои потери напрямую, либо увеличивает ток и тем самым усиливает те же $I^2R$-потери. Поэтому и применяют высокие напряжения, хорошие проводники, компенсацию реактивной мощности и грамотную изоляцию.