Från växt till eluttag

Kraftverk ligger ofta långt från människorna som använder deras elektricitet. Vattenkraftsdammar ligger i berg, vindkraftsparker på blåsiga platser och stora kraftverk nära vatten för kylning. Något måste transportera kraften över tiotals eller hundratals kilometer, och ledningarna förlorar en liten del av den som värme.

De viktigaste formlerna. Elektrisk effekt är P = V × I, spänning gånger ström. En ledning har ett litet motstånd R, och en ström I genom den förlorar effekt som värme:

P_loss = I² × R

Nu kommer tricket. För att leverera en fast effekt P kan du använda hög spänning och liten ström, eller låg spänning och stor ström. Eftersom förlusten beror på I i kvadrat ger liten ström mycket mindre förlust. Höj spänningen 10 gånger, så minskar strömmen till en tiondel för samma effekt, och förlusten minskar till en hundradel.

Genomräknat exempel (antagen linje). Skicka 100 MW längs en linje med ett totalt motstånd på 10 Ω. Detta är en förenklad modell med en krets, ett undervisningsexempel; verkliga trefaslinjer är mer komplicerade.

• Vid 11 kV: I = 100 MW / 11 kV ≈ 9 091 A. Förlust = 9,091² × 10 Ω ≈ 826 MW. Det är mer än de 100 MW du ville skicka: det fungerar inte.
• Vid 110 kV: I ≈ 909 A. Förlust ≈ 909² × 10 ≈ 8,3 MW, ungefär 8 procent.
• Vid 400 kV: I = 250 A. Förlust = 250² × 10 = 0,625 MW, ungefär 0.6 procent.

Det är därför långa linjer drivs med hundratals kilovolt.

Hur ändrar man spänningen? Med en transformator: två trådspolar på en gemensam järnkärna. En växelström i den första spolen skapar ett föränderligt magnetiskt flöde, vilket inducerar en EMK i den andra spolen. Förhållandet mellan spänningarna är lika med förhållandet mellan antalet lindningsvarv: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. En transformator fungerar bara med ett föränderligt flöde, vilket är anledningen till att elnätet använder växelström (AC). (För vissa mycket långa eller undervattensledningar används i stället HVDC med elektroniska omvandlare.) Field Lab har en transformatorbänk om du vill linda dina egna spolar.

Den vanliga kedjan (spänningarna varierar mellan olika länder):

• Generator: omkring 11 till 25 kV.
• Höj till överföring på ungefär 110 till 400 kV eller mer.
• Sänk till distribution, ofta 11 till 33 kV.
• Sänk igen till vägguttaget: 230 V i stora delar av världen, 120 V i Nordamerika.

Vad går förlorat? Längs hela vägen, från kraftverkets stängsel till ditt vägguttag, är förlusterna vanligtvis omkring 5 till 10 procent av elektriciteten i många länder, och större i vissa länder. En stor del går förlorad i de lokala ledningarna med lägre spänning, inte i högspänningsledningarna.