Proč přenos elektřiny na dálku probíhá při zvýšeném napětí
Přenos elektrické energie na dálku se dnes provádí vždy při zvýšeném napětí, které se měří v desítkách a stovkách kilovoltů. Po celém světě vyrábějí elektrárny různých typů gigawatty elektřiny. Tato elektřina je ve městech a vesnicích distribuována pomocí drátů, které můžeme vidět například na dálnicích a železnicích, kde jsou vždy upevněny na vysokých sloupech s dlouhými izolátory. Ale proč je přenos vždy vysoké napětí? Promluvíme si o tom později.
Představte si, že musíte přenášet elektrickou energii prostřednictvím drátů o výkonu alespoň 1000 wattů na vzdálenost 10 kilometrů ve formě střídavého proudu s minimálními ztrátami výkonu, výkonný kilowattový světlomet. Co budeš dělat? Je zřejmé, že napětí bude muset být převedeno, sníženo nebo zvýšeno tak či onak. pomocí transformátoru.
Předpokládejme, že zdroj (malý benzínový generátor) produkuje napětí 220 voltů, přičemž máte k dispozici dvoužilový měděný kabel o průřezu každého jádra 35 mm2. Na 10 kilometrů bude takový kabel dávat aktivní odpor asi 10 ohmů.
Zátěž 1 kW má odpor asi 50 ohmů. A co když přenášené napětí zůstane na 220 voltech? To znamená, že jedna šestina napětí (poklesne) na přenosovém drátu, což bude asi 36 voltů. Cestou se tedy ztratilo asi 130 W — jen zahřály vysílací dráty. A na světlometech nedostáváme 220 voltů, ale 183 voltů. Účinnost přenosu se ukázala být 87%, a to stále ignoruje indukční odpor vysílacích drátů.
Faktem je, že aktivní ztráty v přenosových vodičích jsou vždy přímo úměrné druhé mocnině proudu (viz Ohmův zákon). Pokud je tedy přenos stejného výkonu prováděn při vyšším napětí, pak úbytek napětí na vodičích nebude takovým škodlivým faktorem.
Předpokládejme nyní jinou situaci. Máme stejný benzínový generátor produkující 220 voltů, stejných 10 kilometrů drátu s aktivním odporem 10 ohmů a stejné světlomety o výkonu 1 kW, ale navrch ještě dva kilowattové transformátory, z nichž první zesiluje 220 -22000 voltů. Nachází se v blízkosti generátoru a je k němu připojen přes nízkonapěťovou cívku a přes vysokonapěťovou cívku - připojenou k přenosovým vodičům. A druhý transformátor, ve vzdálenosti 10 kilometrů, je snižovací transformátor 22 000-220 voltů k nízkonapěťové cívce, ke které je připojen světlomet, a vysokonapěťová cívka je napájena přenosovými dráty.
Takže při zátěži 1000 wattů při napětí 22000 voltů bude proud ve vysílacím drátu (zde se můžete obejít bez zohlednění reaktivní složky) pouze 45 mA, což znamená, že 36 voltů nedopadne to (jak to bylo bez transformátorů), ale jen 0,45 voltu! Ztráty již nebudou 130 W, ale pouze 20 mW. Účinnost takového přenosu při zvýšeném napětí bude 99,99 %. To je důvod, proč je přepětí účinnější.
V našem příkladu je situace zvažována hrubě a použití drahých transformátorů pro tak jednoduchý domácí účel by bylo jistě nevhodným řešením. Ale v měřítku zemí a dokonce regionů, pokud jde o vzdálenosti stovek kilometrů a obrovské přenášené výkony, náklady na elektřinu, kterou lze ztratit, jsou tisíckrát vyšší než všechny náklady na transformátory. Proto se při přenosu elektřiny na dálku vždy aplikuje zvýšené napětí měřené ve stovkách kilovoltů — aby se snížily ztráty energie při přenosu.
Neustálý růst spotřeby elektřiny, koncentrace výrobních kapacit v elektrárnách, zmenšování volných ploch, zpřísňování požadavků na ochranu životního prostředí, inflace a zdražování pozemků, stejně jako řada dalších faktorů, silně diktuje nárůst v přenosové kapacitě elektrických přenosových vedení.
Návrhy různých elektrických vedení jsou přezkoumány zde: Zařízení různých elektrických vedení s různým napětím
Propojování energetických soustav, zvyšování kapacity elektráren a soustav jako celku jsou doprovázeny nárůstem vzdáleností a toků energie přenášené po elektrickém vedení.Bez výkonného vysokonapěťového vedení není možné dodávat energii z moderních velkých elektráren.
Jednotný energetický systém umožňuje zajistit přesun záložního výkonu do těch oblastí, kde je jeho potřeba, související s opravnými pracemi nebo havarijními stavy, bude možné převést přebytečný výkon ze západu na východ nebo naopak, v důsledku výměny pásu včas.
Díky dálkovým přenosům bylo možné stavět superelektrárny a naplno využívat jejich energii.
Investice do přenosu 1 kW výkonu na danou vzdálenost při napětí 500 kV jsou 3,5krát nižší než při napětí 220 kV a o 30 – 40 % nižší než při napětí 330 – 400 kV.
Náklady na přenos 1 kW • h energie při napětí 500 kV jsou dvakrát nižší než při napětí 220 kV a o 33 — 40 % nižší než při napětí 330 nebo 400 kV. Technické možnosti napětí 500 kV (přirozený výkon, přenosová vzdálenost) jsou 2 — 2,5krát vyšší než u 330 kV a 1,5krát vyšší než u 400 kV.
Vedení 220 kV může přenášet výkon 200 — 250 MW na vzdálenost 200 — 250 km, vedení 330 kV — výkon 400 — 500 MW na vzdálenost 500 km, vedení 400 kV — výkon 600 — 700 MW na vzdálenost až 900 km. Napětí 500 kV zajišťuje přenos výkonu 750 — 1000 MW jedním okruhem na vzdálenost až 1000 — 1200 km.