Zašto se prijenos električne energije na daljinu odvija pri povišenom naponu
Danas se prijenos električne energije na daljinu uvijek odvija na povišenom naponu koji se mjeri desecima i stotinama kilovolti. U cijelom svijetu elektrane raznih vrsta proizvode gigavata električne energije. Ta se električna energija distribuira u gradovima i selima pomoću žica koje možemo vidjeti na primjer na autocestama i željeznicama, gdje su uvijek pričvršćene na visoke stupove s dugim izolatorima. Ali zašto je prijenos uvijek visok napon? O tome ćemo kasnije.
Zamislite da morate prenositi električnu energiju žicama od najmanje 1000 vata na udaljenosti od 10 kilometara u obliku izmjenične struje uz minimalne gubitke snage, snažan kilovatni reflektor. Što ćeš učiniti? Očito će se napon morati pretvoriti, smanjiti ili povećati na ovaj ili onaj način. pomoću transformatora.
Pretpostavimo da izvor (mali benzinski generator) proizvodi napon od 220 volti, dok vam je na raspolaganju dvožilni bakreni kabel s presjekom svake jezgre od 35 kvadratnih mm. Za 10 kilometara, takav kabel će dati aktivni otpor od oko 10 ohma.
Opterećenje od 1 kW ima otpor od oko 50 ohma. A što ako prijenosni napon ostane na 220 volti? To znači da će jedna šestina napona (pasti) na prijenosnoj žici, koja će biti na oko 36 volti. Tako je usput izgubljeno oko 130 W - samo su zagrijale žice za prijenos. A na reflektorima ne dobivamo 220 volti, već 183 volta. Pokazalo se da je učinkovitost prijenosa 87%, a to još uvijek zanemaruje induktivni otpor žica za prijenos.
Činjenica je da su aktivni gubici u prijenosnim žicama uvijek izravno proporcionalni kvadratu struje (vidi Ohmov zakon). Stoga, ako se prijenos iste snage provodi na višem naponu, tada pad napona na žicama neće biti tako štetan faktor.
Pretpostavimo sada drugačiju situaciju. Imamo isti benzinski generator od 220 volti, istih 10 kilometara žice s aktivnim otporom od 10 ohma i iste reflektore od 1 kW, ali povrh toga još dva kilovatna transformatora od kojih prvi pojačava 220 -22000 volti. Smješten u blizini generatora i povezan s njim kroz niskonaponsku zavojnicu, a preko visokonaponske zavojnice - spojen na prijenosne žice. A drugi transformator, na udaljenosti od 10 kilometara, je silazni transformator od 22000-220 volti, na niskonaponsku zavojnicu na koju je spojen reflektor, a visokonaponsku zavojnicu napajaju prijenosne žice.
Dakle, uz snagu opterećenja od 1000 vata pri naponu od 22000 volti, struja u prijenosnoj žici (ovdje možete učiniti bez uzimanja u obzir reaktivne komponente) bit će samo 45 mA, što znači da 36 volti neće pasti na to (kako je bilo bez transformatora), ali samo 0,45 volti! Gubici više neće biti 130 W, već samo 20 mW. Učinkovitost takvog prijenosa pri povećanom naponu bit će 99,99%. Zbog toga je val učinkovitiji.
U našem primjeru situacija se smatra grubom, a korištenje skupih transformatora za tako jednostavnu kućansku svrhu svakako bi bilo neprikladno rješenje. Ali na ljestvici država, pa i regija, kada je riječ o udaljenostima od stotina kilometara i ogromnim prijenosnim snagama, cijena električne energije koja se može izgubiti tisuću je puta veća od svih troškova transformatora. Zato se pri prijenosu električne energije na daljinu uvijek primjenjuje povećani napon, mjeren u stotinama kilovolti — kako bi se smanjili gubici energije tijekom prijenosa.
Kontinuirani rast potrošnje električne energije, koncentracija proizvodnih kapaciteta u elektranama, smanjenje slobodnih površina, pooštravanje zahtjeva zaštite okoliša, inflacija i rast cijena zemljišta, kao i niz drugih čimbenika, snažno diktiraju povećanje u prijenosnom kapacitetu dalekovoda električne energije.
Ovdje su pregledani dizajni različitih vodova: Uređaj različitih vodova s različitim naponom
Povezivanje energetskih sustava, povećanje kapaciteta elektrana i sustava u cjelini prati povećanje udaljenosti i tokova energije koja se prenosi duž dalekovoda.Bez snažnih visokonaponskih vodova nemoguće je opskrbljivati energijom iz suvremenih velikih elektrana.
Jedinstveni energetski sustav omogućuje prijenos rezervne snage u ona područja gdje postoji potreba za tim, u vezi s popravnim radovima ili izvanrednim uvjetima, bit će moguće prenijeti višak snage sa zapada na istok ili obrnuto, zbog promjene remena na vrijeme.
Zahvaljujući prijenosu na velike udaljenosti, postalo je moguće izgraditi supermoćne elektrane i u potpunosti iskoristiti njihovu energiju.
Ulaganja za prijenos 1 kW snage na zadanu udaljenost na naponu od 500 kV su 3,5 puta manja nego na naponu 220 kV, a 30 - 40% manja nego na naponu 330 - 400 kV.
Troškovi prijenosa 1 kW • h energije na naponu od 500 kV dvostruko su niži nego na naponu od 220 kV, a za 33 — 40% manji nego na naponu od 330 ili 400 kV. Tehničke mogućnosti napona 500 kV (prirodna snaga, udaljenost prijenosa) su 2 — 2,5 puta veće od napona 330 kV i 1,5 puta veće od 400 kV.
Vod od 220 kV može prenijeti snagu od 200 - 250 MW na udaljenost od 200 - 250 km, vod od 330 kV - snagu od 400 - 500 MW na udaljenost od 500 km, vod od 400 kV - snagu od 600 — 700 MW na udaljenosti do 900 km. Napon od 500 kV omogućuje prijenos snage od 750 - 1000 MW kroz jedan krug na udaljenosti do 1000 - 1200 km.