Miksi sähkön siirto matkan yli tapahtuu korotetulla jännitteellä
Nykyään sähköenergian siirto matkan yli tapahtuu aina korotetulla jännitteellä, joka mitataan kymmenissä ja sadoissa kilovolteissa. Kaikkialla maailmassa erityyppiset voimalaitokset tuottavat gigawattia sähköä. Tämä sähkö jaetaan kaupungeissa ja kylissä johtojen avulla, joita voimme nähdä esimerkiksi moottoriteillä ja rautateillä, joissa ne on aina kiinnitetty korkeisiin pylväisiin pitkillä eristeillä. Mutta miksi lähetyksessä on aina korkea jännite? Puhumme siitä myöhemmin.
Kuvittele, että sinun on siirrettävä sähköenergiaa vähintään 1000 watin johtojen kautta 10 kilometrin etäisyydellä vaihtovirran muodossa minimaalisilla tehohäviöillä, voimakas kilowatin valonheitin. Mitä aiot tehdä? Ilmeisesti jännitettä on muutettava, vähennettävä tai lisättävä tavalla tai toisella. käyttämällä muuntajaa.
Oletetaan, että lähde (pieni bensiinigeneraattori) tuottaa 220 voltin jännitteen, kun taas käytettävissänne on kaksijohtiminen kuparikaapeli, jonka jokaisen sydämen poikkileikkaus on 35 neliömetriä. 10 kilometrin matkalla tällainen kaapeli antaa aktiivisen vastuksen noin 10 ohmia.
1 kW:n kuorman resistanssi on noin 50 ohmia. Entä jos lähetetty jännite pysyy 220 voltissa? Tämä tarkoittaa, että kuudesosa jännitteestä laskee (laskee) siirtojohdossa, joka on noin 36 volttia. Joten noin 130 W hävisi matkan varrella - ne vain lämmittivät lähetysjohdot. Ja valonheittimissä emme saa 220 volttia, vaan 183 volttia. Lähetystehoksi osoittautui 87%, ja tämä jättää edelleen huomioimatta lähetysjohtojen induktiivisen vastuksen.
Tosiasia on, että siirtojohtojen aktiiviset häviöt ovat aina suoraan verrannollisia virran neliöön (katso Ohmin laki). Siksi, jos saman tehon siirto suoritetaan suuremmalla jännitteellä, johtojen jännitteen pudotus ei ole niin haitallinen tekijä.
Otetaan nyt toinen tilanne. Meillä on sama bensageneraattori, joka tuottaa 220 volttia, samat 10 kilometriä johtoa aktiiviresistanssilla 10 ohmia ja samat 1 kW valonheittimet, mutta sen päälle on vielä kaksi kilowattimuuntajaa, joista ensimmäinen vahvistaa 220 -22000 volttia. Sijaitsee lähellä generaattoria ja liitetty siihen pienjännitekelan kautta ja suurjännitekäämin kautta - kytketty siirtojohtoihin. Ja toinen muuntaja, 10 kilometrin etäisyydellä, on 22000-220 voltin alennusmuuntaja pienjännitekelaan, johon valonheitin on kytketty, ja suurjännitekäämi syötetään siirtojohdoilla.
Joten 1000 watin kuormateholla 22000 voltin jännitteellä lähetysjohdon virta (tässä voit tehdä ottamatta huomioon reaktiivista komponenttia) on vain 45 mA, mikä tarkoittaa, että 36 volttia ei putoa. se (kuten se oli ilman muuntajia), mutta vain 0,45 volttia! Häviöt eivät ole enää 130 W, vaan vain 20 mW. Tällaisen lähetyksen tehokkuus korotetulla jännitteellä on 99,99%. Tästä syystä ylivirtaus on tehokkaampi.
Esimerkissämme tilannetta tarkastellaan karkeasti, ja kalliiden muuntajien käyttö niin yksinkertaiseen kotitalouskäyttöön olisi varmasti sopimaton ratkaisu. Mutta maiden ja jopa alueiden mittakaavassa, kun on kyse satojen kilometrien etäisyyksistä ja valtavista lähetystehoista, menetettävän sähkön hinta on tuhat kertaa korkeampi kuin muuntajien kaikki kustannukset. Siksi sähköä kaukaa siirrettäessä käytetään aina satoissa kilovolteissa mitattua korotettua jännitettä – tehohäviöiden vähentämiseksi lähetyksen aikana.
Sähkön kulutuksen jatkuva kasvu, tuotantokapasiteetin keskittyminen voimalaitoksiin, vapaiden alueiden väheneminen, ympäristönsuojeluvaatimusten tiukentuminen, inflaatio ja maan hintojen nousu sekä monet muut tekijät sanelevat voimakkaasti kasvun. sähkönsiirtolinjojen siirtokapasiteetissa.
Eri voimalinjojen suunnitelmia tarkastellaan täällä: Laite eri voimalinjoista eri jännitteillä
Energiajärjestelmien yhteenliittämiseen, voimalaitosten ja järjestelmien kapasiteetin kasvuun liittyy voimalinjaa pitkin siirrettyjen etäisyyksien ja energiavirtojen kasvu.Ilman tehokkaita suurjännitelinjoja on mahdotonta toimittaa energiaa nykyaikaisista suurista voimalaitoksista.
Yhtenäinen energiajärjestelmä mahdollistaa varavoiman siirron niille alueille, joissa sitä tarvitaan korjaustöihin tai hätätilanteisiin liittyen, on mahdollista siirtää ylimääräistä tehoa lännestä itään tai päinvastoin hihnan vaihdon vuoksi ajallaan.
Pitkän matkan lähetysten ansiosta oli mahdollista rakentaa suurvoimalaitoksia ja hyödyntää niiden energiaa täysimääräisesti.
Investoinnit 1 kW:n tehon siirtämiseen tietyllä etäisyydellä 500 kV jännitteellä ovat 3,5 kertaa pienemmät kuin 220 kV jännitteellä ja 30 - 40 % pienemmät kuin 330 - 400 kV jännitteellä.
1 kW • h energian siirtokustannukset 500 kV jännitteellä ovat kaksi kertaa pienemmät kuin 220 kV jännitteellä ja 33 - 40 % pienemmät kuin 330 tai 400 kV jännitteellä. 500 kV jännitteen tekniset ominaisuudet (luonnollinen teho, siirtoetäisyys) ovat 2 – 2,5 kertaa korkeammat kuin 330 kV ja 1,5 kertaa 400 kV:n.
220 kV johto voi siirtää tehoa 200 — 250 MW etäisyydellä 200 — 250 km, 330 kV johto — 400 — 500 MW teho 500 km etäisyydellä, 400 kV johto — 600 km etäisyydellä — 700 MW jopa 900 km:n etäisyydellä. 500 kV:n jännite mahdollistaa 750–1000 MW:n tehonsiirron yhden piirin kautta jopa 1000–1200 km:n etäisyydellä.