Fra kraftverk til stikkontakt

Kraftverk ligger ofte langt fra menneskene som bruker elektrisiteten. Vannkraftdammer ligger i fjellene, vindparker på vindfulle steder og store kraftverk nær vann for kjøling. Noe må føre effekten over titalls eller hundrevis av kilometer, og ledningene mister litt av den som varme.

De viktigste formlene. Elektrisk effekt er P = V × I, spenning ganger strøm. En ledning har en liten motstand R, og en strøm I gjennom den bruker effekt som varme:

P_loss = I² × R

Nå kommer trikset. For å levere en fast effekt P kan du bruke høy spenning og liten strøm, eller lav spenning og stor strøm. Fordi tapet følger I i andre, lønner liten strøm seg mye. Øk spenningen 10 ganger, så blir strømmen en tidel for den samme effekten, og tapet blir en hundredel.

Regneeksempel (antatt linje). Send 100 MW langs en linje med en samlet motstand på 10 Ω. Dette er en forenklet modell med én krets, og tallene er valgt for undervisning; virkelige trefaselinjer er mer kompliserte.

• Ved 11 kV: I = 100 MW / 11 kV ≈ 9 091 A. Tap = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW. Det er mer enn de 100 MW du ville sende: Det kan ikke fungere.
• Ved 110 kV: I ≈ 909 A. Tap ≈ 909² × 10 ≈ 8,3 MW, omtrent 8 prosent.
• Ved 400 kV: I = 250 A. Tap = 250² × 10 = 0,625 MW, omtrent 0,6 prosent.

Derfor bruker lange linjer hundrevis av kilovolt.

Hvordan endrer man spenningen? Med en transformator: to trådspoler på en felles jernkjerne. En vekselstrøm i den første spolen skaper en magnetisk fluks i endring, som induserer en EMK i den andre spolen. Forholdet mellom spenningene er lik forholdet mellom antall viklinger: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. En transformator virker bare med magnetisk fluks i endring, og derfor bruker strømnettet vekselstrøm (AC). (For noen svært lange eller undersjøiske linjer brukes HVDC med elektroniske omformere i stedet.) Field Lab har en transformatorbenk hvis du vil vikle dine egne spoler.

Det vanlige trinnsystemet (spenningene varierer fra land til land):

• Generator: rundt 11 til 25 kV.
• Trapp opp til overføring på omtrent 110 til 400 kV eller mer.
• Trapp ned til distribusjon, ofte 11 til 33 kV.
• Trapp ned igjen til stikkontakten: 230 V i store deler av verden, 120 V i Nord-Amerika.

Hva går tapt? Langs hele veien, fra gjerdet rundt kraftverket til stikkontakten din, er tapene vanligvis omtrent 5 til 10 prosent av elektrisiteten i mange land, og høyere i noen land. En stor del går tapt i de lokale ledningene med lavere spenning, ikke i høyspentlinjene.