От электростанции до розетки

Электростанции часто находятся далеко от людей, которые используют их электричество. Гидроэлектростанции расположены в горах, ветропарки — в ветреных местах, а крупные электростанции — рядом с водой для охлаждения. Нужно передавать энергию на десятки или сотни километров, и провода теряют небольшую её часть в виде теплоты.

Главные формулы. Электрическая мощность — это P = V × I, то есть напряжение, умноженное на силу тока. У провода есть небольшое сопротивление R, а ток I, проходящий по нему, приводит к потерям мощности в виде теплоты:

P_loss = I² × R

А теперь самое важное. Чтобы передать фиксированную мощность P, можно использовать высокое напряжение и небольшую силу тока или низкое напряжение и большую силу тока. Поскольку потери зависят от квадрата I, небольшая сила тока намного выгоднее. Если увеличить напряжение в 10 раз, то при той же мощности сила тока уменьшится до одной десятой, а потери — до одной сотой.

Пример расчёта (условная линия). Передадим 100 MW по линии с общим сопротивлением 10 Ω. Это упрощённая модель с одной цепью, учебный пример; реальные трёхфазные линии устроены сложнее.

• При 11 kV: I = 100 MW / 11 kV ≈ 9 091 A. Потери = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW. Это больше, чем требуемые 100 MW: так работать не может.
• При 110 kV: I ≈ 909 A. Потери ≈ 909² × 10 ≈ 8,3 MW, около 8 процентов.
• При 400 kV: I = 250 A. Потери = 250² × 10 = 0,625 MW, около 0,6 процента.

Вот почему в длинных линиях используют напряжение в сотни киловольт.

Как изменить напряжение? С помощью трансформатора: это две катушки провода на общем железном сердечнике. Переменный ток в первой катушке создаёт изменяющийся магнитный поток, который индуцирует ЭДС во второй катушке. Отношение напряжений равно отношению числа витков: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. Трансформатор работает только с изменяющимся магнитным потоком, поэтому в электросети используется переменный ток (AC). (Для некоторых очень длинных или подводных линий вместо этого используют HVDC с электронными преобразователями.) В Field Lab есть стенд с трансформатором, если ты хочешь намотать свои катушки.

Обычная схема (напряжения зависят от страны):

• Генератор: примерно 11–25 kV.
• Повышение до уровня передачи — примерно 110–400 kV или выше.
• Понижение до уровня распределения — часто 11–33 kV.
• Ещё одно понижение до уровня розетки: 230 V в большей части мира, 120 V в Северной Америке.

Что теряется? На всём пути — от ограды электростанции до твоей розетки — потери обычно составляют около 5–10 процентов электроэнергии во многих странах, а в некоторых странах они выше. Большая часть теряется в местных проводах с низким напряжением, а не в линиях высокого напряжения.