เหตุใดการส่งกระแสไฟฟ้าในระยะไกลจึงเกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น

ทุกวันนี้ การส่งพลังงานไฟฟ้าในระยะไกลมักจะดำเนินการด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นซึ่งวัดเป็นสิบและหลายร้อยกิโลโวลต์ ทั่วโลก โรงไฟฟ้าหลายประเภทผลิตไฟฟ้ากิกะวัตต์ ไฟฟ้านี้กระจายไปตามเมืองและหมู่บ้านต่างๆ โดยใช้สายไฟที่เราพบเห็นได้ เช่น บนทางหลวงและทางรถไฟ ซึ่งสายไฟจะยึดไว้บนเสาสูงที่มีฉนวนยาวอย่างสม่ำเสมอ แต่ทำไมการส่งไฟฟ้าแรงสูงอยู่เสมอ? เราจะพูดถึงเรื่องนี้ในภายหลัง

ลองนึกภาพว่าต้องส่งพลังงานไฟฟ้าผ่านสายไฟอย่างน้อย 1,000 วัตต์เป็นระยะทาง 10 กิโลเมตร ในรูปของไฟฟ้ากระแสสลับ ด้วยการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด สปอร์ตไลท์กิโลวัตต์ทรงพลัง คุณกำลังจะทำอะไร? เห็นได้ชัดว่าแรงดันไฟฟ้าจะต้องถูกแปลง ลดหรือเพิ่มไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง โดยใช้หม้อแปลงไฟฟ้า.

สมมติว่าแหล่งที่มา (เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเบนซินขนาดเล็ก) สร้างแรงดันไฟฟ้า 220 โวลต์ ในขณะที่คุณใช้สายทองแดงแบบสองแกนที่มีหน้าตัดของแต่ละแกนขนาด 35 ตร.มม. เป็นเวลา 10 กิโลเมตร สายเคเบิลดังกล่าวจะให้ความต้านทานที่ใช้งานอยู่ประมาณ 10 โอห์ม

โหลด 1 กิโลวัตต์มีความต้านทานประมาณ 50 โอห์ม แล้วถ้าแรงดันส่งยังคงอยู่ที่ 220 โวลต์ล่ะ? ซึ่งหมายความว่าหนึ่งในหกของแรงดันไฟฟ้าจะ (ลดลง) บนสายส่งซึ่งจะอยู่ที่ประมาณ 36 โวลต์ ประมาณ 130 W หายไประหว่างทาง — พวกเขาเพิ่งทำให้สายส่งสัญญาณอุ่นขึ้น และบนฟลัดไลท์เราไม่ได้ 220 โวลต์ แต่เป็น 183 โวลต์ ประสิทธิภาพการส่งสัญญาณกลายเป็น 87% และยังคงเพิกเฉยต่อความต้านทานแบบเหนี่ยวนำของสายส่งสัญญาณ

ความจริงก็คือการสูญเสียที่ใช้งานอยู่ในสายส่งนั้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของกระแสเสมอ (ดู กฎของโอห์ม). ดังนั้นหากมีการถ่ายโอนพลังงานเดียวกันที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า แรงดันไฟฟ้าที่ตกบนสายไฟจะไม่เป็นปัจจัยที่เป็นอันตราย

ให้เราสมมติสถานการณ์ที่แตกต่างออกไป เรามีเครื่องกำเนิดน้ำมันเบนซินแบบเดียวกันที่ผลิตไฟฟ้า 220 โวลต์ ลวดยาว 10 กิโลเมตรเดียวกันที่มีความต้านทาน 10 โอห์มและฟลัดไลท์ 1 กิโลวัตต์เท่าเดิม แต่ยิ่งไปกว่านั้นยังมีหม้อแปลงสองกิโลวัตต์ซึ่งตัวแรกขยาย 220 -22000 โวลต์ ตั้งอยู่ใกล้กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเชื่อมต่อกับมันผ่านขดลวดแรงดันต่ำและผ่านขดลวดไฟฟ้าแรงสูง - เชื่อมต่อกับสายส่ง และหม้อแปลงตัวที่สองที่ระยะทาง 10 กิโลเมตรคือหม้อแปลงแบบ step-down ขนาด 22,000-220 โวลต์ไปยังขดลวดแรงดันต่ำที่เชื่อมต่อกับฟลัดไลท์และขดลวดไฟฟ้าแรงสูงถูกป้อนโดยสายส่ง

ดังนั้นด้วยกำลังโหลด 1,000 วัตต์ที่แรงดันไฟฟ้า 22,000 โวลต์กระแสในสายส่ง (ที่นี่คุณสามารถทำได้โดยไม่คำนึงถึงส่วนประกอบปฏิกิริยา) จะเหลือเพียง 45 mA ซึ่งหมายความว่า 36 โวลต์จะไม่ตก มัน (เหมือนไม่มีหม้อแปลง) แต่เพียง 0.45 โวลต์! การสูญเสียจะไม่เป็น 130 W อีกต่อไป แต่เพียง 20 mW ประสิทธิภาพของการส่งที่แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นจะเท่ากับ 99.99% ด้วยเหตุนี้คลื่นจึงมีประสิทธิภาพมากกว่า

ในตัวอย่างของเรา สถานการณ์นี้ถูกพิจารณาอย่างหยาบๆ และการใช้หม้อแปลงราคาแพงเพื่อจุดประสงค์ในครัวเรือนง่ายๆ เช่นนั้นย่อมเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ไม่เหมาะสมอย่างแน่นอน แต่ในระดับของประเทศและแม้แต่ภูมิภาค เมื่อพูดถึงระยะทางหลายร้อยกิโลเมตรและกำลังส่งมหาศาล ค่าไฟฟ้าที่อาจสูญเสียไปนั้นสูงกว่าต้นทุนของหม้อแปลงทั้งหมดเป็นพันเท่า นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมเมื่อส่งกระแสไฟฟ้าในระยะไกล จึงมีการใช้แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นซึ่งวัดเป็นหลายร้อยกิโลโวลต์เสมอ เพื่อลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการส่ง

การเติบโตอย่างต่อเนื่องของการใช้ไฟฟ้า, ความเข้มข้นของกำลังการผลิตในโรงไฟฟ้า, การลดลงของพื้นที่ว่าง, ข้อกำหนดด้านการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดขึ้น, อัตราเงินเฟ้อและการเพิ่มขึ้นของราคาที่ดิน รวมถึงปัจจัยอื่นๆ อีกหลายประการ ในกำลังส่งของสายส่งไฟฟ้า.

การออกแบบสายไฟต่างๆ ได้รับการทบทวนที่นี่: อุปกรณ์ของสายไฟต่าง ๆ ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่างกัน

การเชื่อมต่อระหว่างกันของระบบพลังงาน การเพิ่มกำลังการผลิตของโรงไฟฟ้าและระบบโดยรวมนั้นมาพร้อมกับระยะทางและการไหลของพลังงานที่ส่งไปตามสายไฟที่เพิ่มขึ้นหากไม่มีสายไฟฟ้าแรงสูงที่ทรงพลัง ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะจ่ายพลังงานจากโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ทันสมัย

ระบบพลังงานแบบครบวงจร ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการถ่ายโอนพลังงานสำรองไปยังพื้นที่ที่มีความจำเป็นที่เกี่ยวข้องกับงานซ่อมแซมหรือสภาวะฉุกเฉิน จะสามารถถ่ายโอนพลังงานส่วนเกินจากตะวันตกไปตะวันออกหรือในทางกลับกันได้เนื่องจากการเปลี่ยนสายพาน ภายในเวลาที่กำหนด.

ด้วยการส่งสัญญาณทางไกล จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างโรงไฟฟ้าพลังพิเศษและใช้พลังงานอย่างเต็มที่

การลงทุนสำหรับการส่งกำลังไฟฟ้า 1 กิโลวัตต์ในระยะทางที่กำหนดที่แรงดันไฟฟ้า 500 กิโลโวลต์จะต่ำกว่าที่แรงดันไฟฟ้า 220 กิโลโวลต์ 3.5 เท่า และต่ำกว่าที่แรงดันไฟฟ้า 330-400 กิโลโวลต์ 30 — 40%

ค่าใช้จ่ายในการถ่ายโอนพลังงาน 1 kW • h ที่แรงดัน 500 kV นั้นต่ำกว่าที่แรงดัน 220 kV ถึงสองเท่า และต่ำกว่าที่แรงดัน 330 หรือ 400 kV ถึง 33 — 40% ความสามารถทางเทคนิคของแรงดันไฟฟ้า 500 kV (กำลังไฟฟ้าธรรมชาติ ระยะการส่งข้อมูล) สูงกว่า 330 kV 2 — 2.5 เท่า และสูงกว่า 400 kV 1.5 เท่า

สาย 220 kV ส่งกำลังได้ 200 — 250 MW ที่ระยะทาง 200 — 250 กม. สาย 330 kV — กำลัง 400 — 500 MW ที่ระยะทาง 500 กม. สาย 400 kV — กำลัง 600 — 700 MW ที่ระยะทางสูงสุด 900 กม. แรงดันไฟฟ้า 500 kV ให้กำลังส่ง 750 — 1,000 MW ผ่านวงจรเดียวที่ระยะทางสูงสุด 1,000 — 1200 กม.