Sieci energetyczne, faza, wartość skuteczna

Ten artykuł jest pisanym odpowiednikiem mojego filmu na YT, oznaczonego S013. Zawiera elementarne wiadomości dotyczące sieci energetycznych. Wyjaśnia, co to jest faza. Przedstawia te elementarne ale niezbędne każdemu informacje o wartości skutecznej napięcia i prądu elektrycznego.

W poprzednich filmach z tej serii – S010, S011 oraz S012, a także w artykułach S010 oraz S011 przypomniałem podstawowe informacje – omówiłem analogie hydrauliczne dotyczące prądu stałego i zmiennego. Pokazałem, jak można wytworzyć napięcie i prąd zmienny. W języku potocznym wymiennie używamy określeń „prąd zmienny” oraz „napięcie zmienne”, a także „prąd przemienny” i „napięcie przemienne”. Ale napięcie i prąd to nie jest to samo. W analogii hydraulicznej odpowiednikiem napięcia elektrycznego jest ciśnienie wody (związane z wysokością), a odpowiednikiem prądu elektrycznego jest przepływ wody.

Podkreśliłem, że w sieci energetycznej mamy do czynienia ze specyficzną odmianą prądu zmiennego – z prądem przemiennym o przebiegu sinusoidalnym o częstotliwości 50 herców.

Napięcie i prąd o takim kształcie można wytworzyć za pomocą różnego rodzaju prądnic – generatorów. W drugiej części mojego innego filmu – B004 – pokazałem, że za pomocą wkrętarki i specyficznego silnika (tzw. bezszczotkowego – BLDC) można łatwo wytworzyć napięcie trójfazowe. Pokazałem też, że za pomocą starego rowerowego dynama można wytworzyć napięcie przemienne podobne do sinusoidalnego i zbudować minisieć energetyczną.

Sieci wysokiego napięcia

W pierwszych, stałoprądowych sieciach Edisona układ był prosty: napięcie wytwarzane przez generator za pośrednictwem miedzianych przewodów było doprowadzane wprost do odbiorników, a konkretnie do żarówek zainstalowanych w mieszkaniach odbiorców. Rysunek 1 pokazuje podstawową koncepcję, a także praktyczną realizację, w postaci sieci trzyprzewodowej, pozwalającej przesłać energię do odbiorcy przy nieco mniejszych stratach.

Stałoprądowe sieci Edisona szybko ustąpiły sieciom prądu zmiennego (sieciom Westinghouse’a i Thomsona, a nie Tesli) ze względów praktycznych. Otóż sieci prądu zmiennego (przemiennego) pozwalały lokalizować elektrownie z dala od odbiorców. Aby straty przy przesyłaniu energii były małe trzeba podwyższyć napięcie.

Podwyższanie i obniżanie napięcia nie jest problemem w przypadku prądu przemiennego, bo wystarczy zastosować transformatory, najpierw do podwyższenia napięcia, a potem do jego obniżenia. Pokazuje to w uproszczeniu rysunek 2.

I tego rodzaju model wykorzystałem w filmie S013, co przedstawia fotografia 3.

W XIX wieku nie było możliwości analogicznego podwyższania i obniżania napięcia stałego, dlatego stałoprądowe sieci Edisona szybko „przestawiono” na prąd przemienny według idei z rysunku 2.

Otóż zgodnie ze wzorem P = U × I daną moc P można przesłać do odbiorcy albo przy małym, niskim napięciu U i dużym prądzie I, albo przy wysokim napięciu U i małym prądzie I.

Z punktu widzenia przesyłanej mocy nie ma to znaczenia, byle u odbiorcy taki sam był iloczyn U × I. Ma to natomiast ogromne znaczenie z punktu widzenia strat, bo o stratach decyduje wartość prądu I.

Otóż przewody – druty przesyłowe mają jakąś niezerową rezystancję R_D. Prąd I płynąc przez tę rezystancję R_D wywołuje na niej jakiś spadek napięcia U_D. Wielkość tego spadku napięcia wyraża prosty wzór U_D = R_D × I. Czym większy prąd, tym większy ten niepożądany spadek napięcia, ale co gorsze, powoduje to też straty mocy, bo w rezystancji przewodów R_D wydziela się energia cieplna. Wartość mocy strat określa zależność P_D = U_D × I = (R_D × I) × I,
czyli

P_D = I² × R_D – moc strat rośnie „z kwadratem prądu”.

Przykładowo dziesięciokrotne zmniejszenie wartości prądu powoduje stukrotne zmniejszenie strat przesyłania. Stukrotne zmniejszenie prądu powoduje zmniejszenie strat przesyłania aż 10 000 razy!

Aby daną moc P przesłać przy prądzie 100-krotnie mniejszym, trzeba zwiększyć napięcie 100-krotnie.

Przypomnijmy, że w naszych gniazdkach i liniach niskiego napięcia (nn) mamy napięcie 230 V, natomiast w liniach wysokiego napięcia (WN) wynosi ono do 110 000 woltów, czyli 500 razy więcej. W liniach najwyższego napięcia (NN) wynosi ono 220 000 V (220 kV) albo 400 000 V (400 kV), a są linie o jeszcze wyższym napięciu.
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze majowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 5/2024). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite i dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 5/2024 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) moimi stałymi Patronami, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając mi kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 4/2024.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (weTransfer) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.