Prečo sa prenos elektriny na diaľku uskutočňuje pri zvýšenom napätí
Dnes sa prenos elektrickej energie na diaľku uskutočňuje vždy pri zvýšenom napätí, ktoré sa meria v desiatkach a stovkách kilovoltov. Po celom svete vyrábajú elektrárne rôznych typov gigawatty elektriny. Táto elektrina je distribuovaná v mestách a dedinách pomocou drôtov, ktoré môžeme vidieť napríklad na diaľniciach a železniciach, kde sú vždy pripevnené na vysokých stĺpoch s dlhými izolátormi. Ale prečo je prenos vždy vysoké napätie? O tom si povieme neskôr.
Predstavte si, že musíte prenášať elektrickú energiu cez drôty s výkonom najmenej 1000 wattov na vzdialenosť 10 kilometrov vo forme striedavého prúdu s minimálnymi stratami výkonu, výkonný kilowattový reflektor. Čo budeš robiť? Je zrejmé, že napätie bude musieť byť prevedené, znížené alebo zvýšené tak či onak. pomocou transformátora.
Predpokladajme, že zdroj (malý benzínový generátor) produkuje napätie 220 voltov, pričom máte k dispozícii dvojžilový medený kábel s prierezom každého jadra 35 mm2. Na 10 kilometrov dá takýto kábel aktívny odpor asi 10 ohmov.
Záťaž 1 kW má odpor asi 50 ohmov. A čo ak prenášané napätie zostane na 220 voltoch? To znamená, že jedna šestina napätia (poklesne) na prenosovom kábli, čo bude asi 36 voltov. Takže asi 130 W sa stratilo po ceste - práve zahriali vysielacie káble. A na svetlometoch dostaneme nie 220 voltov, ale 183 voltov. Účinnosť prenosu sa ukázala byť 87%, a to stále ignoruje indukčný odpor prenosových drôtov.
Faktom je, že aktívne straty v prenosových vodičoch sú vždy priamo úmerné štvorcu prúdu (pozri Ohmov zákon). Ak sa teda prenos rovnakého výkonu uskutoční pri vyššom napätí, potom pokles napätia na drôtoch nebude takým škodlivým faktorom.
Predstavme si teraz inú situáciu. Máme rovnaký benzínový generátor vyrábajúci 220 voltov, rovnakých 10 kilometrov drôtu s aktívnym odporom 10 ohmov a rovnaké 1 kW reflektory, ale navyše sú tu ešte dva kilowattové transformátory, z ktorých prvý zosilňuje 220 -22 000 voltov. Nachádza sa v blízkosti generátora a je k nemu pripojený cez nízkonapäťovú cievku a cez vysokonapäťovú cievku - pripojenú k prenosovým vodičom. A druhý transformátor, vo vzdialenosti 10 kilometrov, je znižovací transformátor 22 000 - 220 voltov k nízkonapäťovej cievke, ku ktorej je pripojený svetlomet, a vysokonapäťová cievka je napájaná prenosovými vodičmi.
Takže pri záťažovom výkone 1 000 wattov pri napätí 22 000 voltov bude prúd vo vysielacom drôte (tu môžete robiť bez zohľadnenia reaktívnej zložky) iba 45 mA, čo znamená, že 36 voltov nespadne na to (ako to bolo bez transformátorov), ale iba 0,45 voltov! Straty už nebudú 130 W, ale len 20 mW. Účinnosť takéhoto prenosu pri zvýšenom napätí bude 99,99 %. To je dôvod, prečo je nárazový prúd účinnejší.
V našom príklade je situácia zvážená hrubo a použitie drahých transformátorov na takú jednoduchú domácnosť by bolo určite nevhodným riešením. Ale v meradle krajín a dokonca aj regiónov, keď ide o vzdialenosti stoviek kilometrov a obrovské prenášané výkony, náklady na elektrinu, ktorá sa môže stratiť, sú tisíckrát vyššie ako všetky náklady na transformátory. Preto sa pri prenose elektriny na diaľku vždy aplikuje zvýšené napätie merané v stovkách kilovoltov — aby sa znížili straty energie pri prenose.
Neustály rast spotreby elektrickej energie, koncentrácia výrobných kapacít v elektrárňach, zmenšovanie voľných plôch, sprísňovanie požiadaviek na ochranu životného prostredia, inflácia a zvyšovanie cien pôdy, ako aj množstvo ďalších faktorov, silne diktujú zvyšovanie v prenosovej kapacite elektrických prenosových vedení.
Návrhy rôznych elektrických vedení sú preskúmané tu: Zariadenie rôznych elektrických vedení s rôznym napätím
Vzájomné prepojenie energetických systémov, zvyšovanie kapacity elektrární a sústav ako celku sú sprevádzané zvyšovaním vzdialeností a tokov energie prenášanej po elektrickom vedení.Bez výkonných vysokonapäťových vedení nie je možné dodávať energiu z moderných veľkých elektrární.
Jednotný energetický systém umožňuje zabezpečiť presun rezervného výkonu do oblastí, kde je to potrebné, v súvislosti s opravnými prácami alebo havarijnými stavmi bude možné previesť prebytočný výkon zo západu na východ alebo naopak, v dôsledku výmeny pásu na čas.
Vďaka diaľkovým prenosom bolo možné stavať superelektrárne a naplno využívať ich energiu.
Investície na prenos 1 kW výkonu na danú vzdialenosť pri napätí 500 kV sú 3,5-krát nižšie ako pri napätí 220 kV a o 30 – 40 % nižšie ako pri napätí 330 – 400 kV.
Náklady na prenos 1 kW • h energie pri napätí 500 kV sú dvakrát nižšie ako pri napätí 220 kV a o 33 – 40 % nižšie ako pri napätí 330 alebo 400 kV. Technické možnosti napätia 500 kV (prirodzený výkon, prenosová vzdialenosť) sú 2 – 2,5-krát vyššie ako pri 330 kV a 1,5-krát vyššie ako 400 kV.
Vedenie 220 kV môže prenášať výkon 200 — 250 MW na vzdialenosť 200 — 250 km, vedenie 330 kV — výkon 400 — 500 MW na vzdialenosť 500 km, vedenie 400 kV — výkon 600 — 700 MW na vzdialenosť až 900 km. Napätie 500 kV zabezpečuje prenos výkonu 750 — 1000 MW jedným okruhom na vzdialenosť až 1000 — 1200 km.