من المولد إلى المقبس.

غالبًا ما تكون محطات توليد الكهرباء بعيدة عن الأشخاص الذين يستخدمون كهرباءها. تقع سدود الطاقة الكهرومائية في الجبال، ومزارع الرياح في الأماكن كثيرة الرياح، والمحطات الكبيرة بالقرب من المياه لتبريدها. لا بد من شيء ينقل الطاقة عبر عشرات أو مئات الكيلومترات، كما تهدر الأسلاك جزءًا صغيرًا منها على شكل حرارة.

الصيغ الأساسية. القدرة الكهربائية هي P = V × I، أي الجهد الكهربائي مضروبًا في التيار. للسلك مقاومة صغيرة R، ويمر فيه تيار I، فيبدد قدرة على شكل حرارة:

P_loss = I² × R

إليك الفكرة. لتوصيل قدرة ثابتة P، يمكنك استخدام جهد كهربائي مرتفع وتيار صغير، أو جهد كهربائي منخفض وتيار كبير. وبما أن الفقد يتناسب مع مربع I، فإن التيار الصغير أفضل بكثير. ارفع الجهد الكهربائي 10 مرات، وعند القدرة نفسها ينخفض التيار إلى عُشره، لذلك ينخفض الفقد إلى واحد من مئة.

مثال محلول (خط مفترض). أرسل 100 MW عبر خط ذي مقاومة كلية تبلغ 10 Ω. هذا نموذج مبسّط لدائرة واحدة، ورقم تعليمي؛ أما الخطوط الحقيقية ثلاثية الطور فهي أكثر تعقيدًا.

• عند 11 kV: I = 100 MW / 11 kV ≈ 9,091 A. الفقد = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW. وهذا أكثر من 100 MW التي أردت إرسالها: لا يمكن أن ينجح الأمر.
• عند 110 kV: I ≈ 909 A. الفقد ≈ 909² × 10 ≈ 8.3 MW، أي نحو 8 بالمئة.
• عند 400 kV: I = 250 A. الفقد = 250² × 10 = 0.625 MW، أي نحو 0.6 بالمئة.

لهذا تعمل الخطوط الطويلة عند مئات الكيلوفولتات.

كيف تغيّر الجهد الكهربائي؟ باستخدام المحوّل: ملفّان من الأسلاك على قلب حديدي مشترك. يكوّن التيار المتناوب في الملف الأول تدفقًا مغناطيسيًا متغيرًا، ما يحفّز قوة دافعة كهربائية في الملف الثاني. تساوي نسبة الجهود نسبة عدد اللفات: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. لا يعمل المحوّل إلا مع تدفق متغير، ولذلك تستخدم شبكة الكهرباء التيار المتناوب (AC). (أما في بعض الخطوط الطويلة جدًا أو الموجودة تحت البحر، فيُستخدم HVDC مع محوّلات إلكترونية بدلًا من ذلك.) يحتوي Field Lab على منصة للمحوّلات إذا أردت لفّ ملفاتك بنفسك.

السلم المعتاد (تختلف الجهود من بلد إلى آخر):

• المولد: نحو 11 إلى 25 kV.
• رفع الجهد إلى النقل عند نحو 110 إلى 400 kV أو أكثر.
• خفض الجهد إلى التوزيع، وغالبًا إلى 11 إلى 33 kV.
• خفض الجهد مرة أخرى إلى المقبس: 230 V في معظم أنحاء العالم، و120 V في أمريكا الشمالية.

ما الذي يُفقد؟ على طول المسار كله، من سياج محطة توليد الكهرباء إلى مقبسك، تبلغ الخسائر عادةً نحو 5 إلى 10 بالمئة من الكهرباء في كثير من البلدان، وتكون أعلى في بعضها. ويُفقد جزء كبير منها في الأسلاك المحلية ذات الجهد المنخفض، لا في خطوط الجهد العالي.