Γιατί η μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας σε απόσταση γίνεται με αυξημένη τάση

Σήμερα, η μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας σε απόσταση πραγματοποιείται πάντα με αυξημένη τάση, η οποία μετράται σε δεκάδες και εκατοντάδες kilovolt. Σε όλο τον κόσμο, σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής διαφόρων τύπων παράγουν γιγαβάτ ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια διανέμεται σε πόλεις και χωριά χρησιμοποιώντας καλώδια που μπορούμε να δούμε για παράδειγμα σε αυτοκινητόδρομους και σιδηροδρόμους, όπου είναι σταθερά στερεωμένα σε ψηλούς στύλους με μακρούς μονωτές. Γιατί όμως η μετάδοση είναι πάντα υψηλή τάση; Θα μιλήσουμε για αυτό αργότερα.

Φανταστείτε ότι πρέπει να μεταδίδετε ηλεκτρική ενέργεια μέσω καλωδίων τουλάχιστον 1000 watt σε απόσταση 10 χιλιομέτρων με τη μορφή εναλλασσόμενου ρεύματος με ελάχιστες απώλειες ισχύος, ισχυρός προβολέας κιλοβάτ. Τι θα κάνεις? Προφανώς η τάση θα πρέπει να μετατραπεί, να μειωθεί ή να αυξηθεί με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. χρησιμοποιώντας μετασχηματιστή.

Ας υποθέσουμε ότι μια πηγή (μια μικρή γεννήτρια βενζίνης) παράγει τάση 220 βολτ, ενώ στη διάθεσή σας είναι ένα διπύρηνο χάλκινο καλώδιο με διατομή κάθε πυρήνα 35 τ. χλστ. Για 10 χιλιόμετρα, ένα τέτοιο καλώδιο θα δώσει ενεργή αντίσταση περίπου 10 ohms.

Ένα φορτίο 1 kW έχει αντίσταση περίπου 50 ohms. Και τι γίνεται αν η μεταδιδόμενη τάση παραμένει στα 220 βολτ; Αυτό σημαίνει ότι το ένα έκτο της τάσης θα (πέσει) στο καλώδιο μετάδοσης, το οποίο θα είναι περίπου στα 36 βολτ. Έτσι, περίπου 130 W χάθηκαν στην πορεία — μόλις ζέσταιναν τα καλώδια εκπομπής. Και στους προβολείς δεν παίρνουμε 220 βολτ, αλλά 183 βολτ. Η απόδοση μετάδοσης αποδείχθηκε ότι είναι 87%, και αυτό εξακολουθεί να αγνοεί την επαγωγική αντίσταση των καλωδίων μετάδοσης.

Το γεγονός είναι ότι οι ενεργές απώλειες στα καλώδια μετάδοσης είναι πάντα ευθέως ανάλογες με το τετράγωνο του ρεύματος (βλ Νόμος του Ohm). Επομένως, εάν η μεταφορά της ίδιας ισχύος πραγματοποιείται σε υψηλότερη τάση, τότε η πτώση τάσης στα καλώδια δεν θα είναι τόσο επιζήμιος παράγοντας.

Ας υποθέσουμε τώρα μια διαφορετική κατάσταση. Έχουμε την ίδια γεννήτρια βενζίνης που παράγει 220 βολτ, τα ίδια 10 χιλιόμετρα σύρματος με ενεργή αντίσταση 10 ohms και τους ίδιους προβολείς 1 kW, αλλά πάνω από αυτό υπάρχουν ακόμα δύο μετασχηματιστές κιλοβάτ, ο πρώτος από τους οποίους ενισχύει 220 -22000 βολτ. Βρίσκεται κοντά στη γεννήτρια και συνδέεται με αυτήν μέσω πηνίου χαμηλής τάσης και μέσω πηνίου υψηλής τάσης — συνδεδεμένο με τα καλώδια μετάδοσης. Και ο δεύτερος μετασχηματιστής, σε απόσταση 10 χιλιομέτρων, είναι ένας μετασχηματιστής βήματος 22000-220 βολτ, στο πηνίο χαμηλής τάσης στο οποίο είναι συνδεδεμένος ένας προβολέας και το πηνίο υψηλής τάσης τροφοδοτείται από τα καλώδια μετάδοσης.

Έτσι, με ισχύ φορτίου 1000 watt σε τάση 22000 βολτ, το ρεύμα στο καλώδιο εκπομπής (εδώ μπορείτε να το κάνετε χωρίς να λάβετε υπόψη το αντιδραστικό εξάρτημα) θα είναι μόνο 45 mA, πράγμα που σημαίνει ότι τα 36 βολτ δεν θα πέσουν αυτό (όπως ήταν χωρίς μετασχηματιστές), αλλά μόνο 0,45 βολτ! Οι απώλειες δεν θα είναι πλέον 130 W, αλλά μόνο 20 mW. Η απόδοση μιας τέτοιας μετάδοσης σε αυξημένη τάση θα είναι 99,99%. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το κύμα είναι πιο αποτελεσματικό.

Στο παράδειγμά μας, η κατάσταση θεωρείται ωμή και η χρήση ακριβών μετασχηματιστών για έναν τόσο απλό οικιακό σκοπό θα ήταν σίγουρα μια ακατάλληλη λύση. Αλλά στις κλίμακες χωρών και περιοχών, όταν πρόκειται για αποστάσεις εκατοντάδων χιλιομέτρων και τεράστιες μεταδιδόμενες δυνάμεις, το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να χαθεί είναι χίλιες φορές υψηλότερο από όλα τα κόστη των μετασχηματιστών. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο κατά τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας σε απόσταση, εφαρμόζεται πάντα μια αυξημένη τάση, μετρούμενη σε εκατοντάδες kilovolt, για να μειωθούν οι απώλειες ισχύος κατά τη μετάδοση.

Η συνεχής αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, η συγκέντρωση της παραγωγικής ικανότητας σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, η μείωση των ελεύθερων περιοχών, η αυστηροποίηση των απαιτήσεων προστασίας του περιβάλλοντος, ο πληθωρισμός και η αύξηση των τιμών της γης, καθώς και ορισμένοι άλλοι παράγοντες, υπαγορεύουν έντονα την αύξηση στην ικανότητα μεταφοράς γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας.

Τα σχέδια διαφόρων γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας εξετάζονται εδώ: Η συσκευή διαφορετικών γραμμών ισχύος με διαφορετική τάση

Η διασύνδεση των ενεργειακών συστημάτων, η αύξηση της δυναμικότητας των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και των συστημάτων στο σύνολό τους συνοδεύονται από αύξηση των αποστάσεων και των ροών ενέργειας που μεταδίδεται κατά μήκος της γραμμής ηλεκτρικής ενέργειας.Χωρίς ισχυρές γραμμές υψηλής τάσης, είναι αδύνατη η παροχή ενέργειας από σύγχρονους μεγάλους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής.

Ενιαίο ενεργειακό σύστημα επιτρέπει τη διασφάλιση της μεταφοράς της εφεδρικής ισχύος σε εκείνες τις περιοχές όπου υπάρχει ανάγκη, που σχετίζεται με εργασίες επισκευής ή καταστάσεις έκτακτης ανάγκης, θα είναι δυνατή η μεταφορά υπερβολικής ισχύος από τα δυτικά προς τα ανατολικά ή αντίστροφα, λόγω της αλλαγής του ιμάντα εγκαίρως.

Χάρη στις μεταδόσεις μεγάλων αποστάσεων, κατέστη δυνατή η κατασκευή υπερηλεκτρικών σταθμών παραγωγής ενέργειας και η πλήρης χρήση της ενέργειάς τους.

Οι επενδύσεις για μετάδοση ισχύος 1 kW σε δεδομένη απόσταση σε τάση 500 kV είναι 3,5 φορές χαμηλότερες από ό,τι σε τάση 220 kV και 30 — 40% χαμηλότερες από ό,τι σε τάση 330 — 400 kV.

Το κόστος μεταφοράς 1 kW • h ενέργειας σε τάση 500 kV είναι δύο φορές χαμηλότερο από ό,τι σε τάση 220 kV και κατά 33 — 40% χαμηλότερο από ό,τι σε τάση 330 ή 400 kV. Οι τεχνικές δυνατότητες της τάσης 500 kV (φυσική ισχύς, απόσταση μετάδοσης) είναι 2 — 2,5 φορές υψηλότερες από αυτές των 330 kV και 1,5 φορές υψηλότερες από 400 kV.

Μια γραμμή 220 kV μπορεί να μεταδώσει ισχύ 200 — 250 MW σε απόσταση 200 — 250 km, γραμμή 330 kV — ισχύ 400 — 500 MW σε απόσταση 500 km, γραμμή 400 kV — ισχύ 600 — 700 MW σε απόσταση έως 900 km. Η τάση των 500 kV παρέχει μετάδοση ισχύος 750 — 1000 MW μέσω ενός κυκλώματος σε απόσταση έως 1000 — 1200 km.