Voimalasta pistorasiaan

Voimalat ovat usein kaukana ihmisistä, jotka käyttävät niiden tuottamaa sähköä. Vesivoimaloiden padot sijaitsevat vuorilla, tuulipuistot tuulisilla alueilla ja suuret voimalat usein veden lähellä jäähdytystä varten. Sähkö on kuljetettava kymmenien tai satojen kilometrien päähän, ja johdot hukkaavat hieman energiaa lämpönä.

Tärkeimmät kaavat. Sähköteho on P = V × I, eli jännitteen ja sähkövirran tulo. Johdolla on pieni resistanssi R, ja sen läpi kulkeva sähkövirta I hukkaa tehoa lämpönä:

P_loss = I² × R

Tässä on juju. Kun siirrät kiinteän tehon P, voit käyttää suurta jännitettä ja pientä sähkövirtaa tai pientä jännitettä ja suurta sähkövirtaa. Koska häviö riippuu I:n neliöstä, pieni sähkövirta on paljon parempi. Kun jännitettä nostetaan 10-kertaiseksi, sähkövirta pienenee saman tehon tapauksessa kymmenesosaan, joten häviö pienenee sadasosaan.

Laskuesimerkki (oletettu suora). Siirretään 100 MW tehoa suoraa pitkin, jonka kokonaisresistanssi on 10 Ω. Tämä on yksinkertaistettu yhden virtapiirin malli ja opetuksessa käytetty luku; todelliset kolmivaihesuorat ovat monimutkaisempia.

• 11 kV:n jännitteellä: I = 100 MW / 11 kV ≈ 9 091 A. Häviö = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW. Se on enemmän kuin siirrettäväksi haluttu 100 MW: tämä ei voi toimia.
• 110 kV:n jännitteellä: I ≈ 909 A. Häviö ≈ 909² × 10 ≈ 8,3 MW, noin 8 prosenttia.
• 400 kV:n jännitteellä: I = 250 A. Häviö = 250² × 10 = 0,625 MW, noin 0,6 prosenttia.

Siksi pitkillä siirtosuorilla käytetään satojen kilovolttien jännitettä.

Miten jännitettä muutetaan? Muuntajalla: kaksi lankakäämiä yhteisellä rautasydämellä. Ensimmäisen käämin vaihtosähkövirta synnyttää muuttuvan magneettivuon, joka indusoi toisessa käämissä sähkömotorisen voiman (EMF). Jännitteiden suhde on sama kuin kierroslukujen suhde: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. Muuntaja toimii vain muuttuvan magneettivuon kanssa, minkä vuoksi sähköverkossa käytetään vaihtosähkövirtaa (AC). (Joissakin erittäin pitkissä tai merenalaisissa siirtolinjoissa käytetään sen sijaan HVDC-järjestelmää elektronisten muuntimien avulla.) Field Labissa on muuntajapenkki, jos haluat käämiä omat käämisi.

Tavallinen jänniteporras (jännitteet vaihtelevat maittain):

• Generaattori: noin 11–25 kV.
• Jännite nostetaan siirtoverkkoa varten noin tasolle 110–400 kV tai korkeammalle.
• Jännite lasketaan jakeluverkkoa varten usein tasolle 11–33 kV.
• Jännite lasketaan vielä kerran pistorasiaan: 230 V suuressa osassa maailmaa, 120 V Pohjois-Amerikassa.

Mitä häviää? Koko matkalla voimalaitoksen aidalta pistorasiaasi häviää monissa maissa yleensä noin 5–10 prosenttia sähköstä, ja joissakin maissa enemmän. Suuri osa häviöstä syntyy pienemmän jännitteen paikallisissa johdoissa, ei suurjännitelinjoissa.