Warum wird Energie mit hoher Spannung anstatt mit hohem Strom übertragen

Die Begründung für die Hochspannungs- und Niederstrom-StromübertragungFür die langstreckige Stromübertragung ist die Übertragung von elektrischer Energie mit hoher Spannung und niedrigem Strom die effizienteste und kosteneffektivste Strategie. Dieser Ansatz verringert erheblich die Widerstandsverluste, reduziert die Abhängigkeit von teuren Leitern und verbessert die Gesamtleistung des Stromnetzes. In diesem Artikel werden wir uns ausführlich mit den wichtigsten Gründen befassen, warum die Hochspannungsübertragung gegenüber der Niederspannungs- oder Hochstromalternative bevorzugt wird, unterstützt durch eine tiefgehende technische und wirtschaftliche Analyse.Es gibt mehrere praktische und wirtschaftliche Faktoren, die die Präferenz für Hochspannung gegenüber Hochstrom übertragen fördern. In einem elektrischen System wird die Leistung (P) durch die Formel bestimmt:

1.P ist elektrische Leistung,

2.V ist Spannung, und

3.I ist elektrischer Strom.

Die Überlegenheit der Hochspannungs- und Niederstrom-StromübertragungDie Formel P = VI zeigt, dass die Leistung direkt proportional sowohl zur Spannung als auch zum Strom ist. Wenn es jedoch um die langstreckige Stromübertragung geht, bietet die Verwendung von hoher Spannung und niedrigem Strom aus mehreren überzeugenden Gründen erhebliche Vorteile:

Reduzierung der I^2R-VerlusteStromverluste in Leitungslinien folgen der I^2R-Formel, wobei I der Strom und R der Widerstand der Leitung ist. Ein hoher Strom führt zu unverhältnismäßig großen Verlusten, da diese Verluste exponentiell mit dem Quadrat des Stroms zunehmen. Während Wärme von den Leitern abstrahlt, wird eine beträchtliche Menge an Energie verschwendet.Durch das Erhöhen der Spannung bei konstanter Leistung kann der Strom verringert werden. Wenn beispielsweise die Spannung verdoppelt wird, halbiert sich der Strom für die gleiche Leistung. Diese Reduzierung des Stroms führt zu einer erheblichen Verringerung der I^2R-Verluste und verbessert die Gesamteffizienz des Stromübertragungssystems.

Minimierung des SpannungsabfallsDer Spannungsabfall tritt aufgrund des Widerstands der Übertragungsleitung auf und steht in direktem Zusammenhang mit dem durchfließenden Strom. Höhere Ströme verursachen größere Spannungsabfälle, die die Qualität der Energie und die Effizienz der Übertragung beeinträchtigen können.Die Übertragung von Energie mit hoher Spannung hilft, dieses Problem zu mildern. Bei geringerem Strom wird der Spannungsabfall entlang der Leitung minimiert, wodurch gewährleistet wird, dass die am Endverbraucher angenommene Spannung nahezu identisch mit der erzeugten Spannung ist. Diese Konsistenz ist entscheidend, um die Zuverlässigkeit elektrischer Systeme aufrechtzuerhalten.

Kostengünstige LeiterverwendungDie Herstellung und Installation von Leitern (Drähten) in Stromübertragungssystemen verursacht erhebliche Kosten. Höhere Ströme erfordern Leiter mit größeren Querschnitten, um die erhöhte elektrische Belastung zu bewältigen. Diese größeren Leiter sind nicht nur teurer herzustellen, sondern erfordern auch mehr Material, was die Kosten weiter erhöht.

Wenn Energie mit hoher Spannung übertragen wird, ermöglicht der reduzierte Strom die Verwendung kleinerer, kostengünstigerer Leiter. Mathematisch gesehen, wenn Faktoren wie Leistung (W), Länge der Übertragungsleitung (L), spezifischer Widerstand ρ und Energieverluste konstant gehalten werden, ist das Volumen des Leiters umgekehrt proportional zum Quadrat der Spannung VcosΦ. Hohe Spannungsniveaus ermöglichen also eine erhebliche Reduktion der benötigten Leitermaterialmenge, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.

Verbesserung der Transformator-Effizienz

Transformator, die für die Steigerung oder Reduzierung von Spannungsniveaus unerlässlich sind, arbeiten bei höheren Spannungen effizienter. Die Hochspannungsübertragung reduziert die Häufigkeit der Spannungsumwandlungen entlang des Übertragungswegs. Weniger Umwandlungsschritte bedeuten weniger Möglichkeiten für Energieverluste innerhalb der Transformator selbst, was zur Gesamtsystemeffizienz beiträgt.

Einhaltung von Regulierungsstandards

Nationale und internationale Vorschriften legen oft Grenzwerte für Spannungsabfall und Mindestanforderungen an den Leistungsfaktor in der Stromübertragung fest. Die Hochspannungsübertragung erleichtert es Versorgungsunternehmen, diesen Standards zu entsprechen. Durch die Minimierung des Spannungsabfalls und die Optimierung des Leistungsfaktors stellen Hochspannungssysteme eine konsistente Stromqualität sicher und erfüllen regulatorische Erwartungen.

Es ist wichtig zu beachten, dass obwohl hohe Spannungen zahlreiche Vorteile bieten, sie innerhalb sicherer Grenzen verwendet werden müssen. Das Überschreiten angemessener Spannungsniveaus kann zu erhöhten Kosten führen, da verstärkte Isolierung, größere Transformator, robustere Schaltanlagen, zusätzliche Blitzableiter und stärkere Tragkonstruktionen wie Masten und Türme erforderlich sind. Darüber hinaus können höhere Spannungen das Ausfallniveau erhöhen und damit die Wahrscheinlichkeit und Schwere von elektrischen Fehlern steigern.

Die Folgen der Hochstromübertragung

Würde anstelle von Hochspannung für die Stromübertragung und -verteilung Hochstrom verwendet, würde das Stromsystem eine Reihe von Herausforderungen stellen:

Erhöhung der I^2R-VerlusteWie bereits besprochen, führen hohe Ströme zu erheblichen I^2R-Verlusten. Diese Verluste verschwenden nicht nur Energie, sondern erfordern auch zusätzliche Stromerzeugung zur Kompensation, was die Betriebskosten und den Umweltaufwand erhöht.

Größerer Spannungsabfall

Höhere Ströme führen zu einem deutlicheren Spannungsabfall entlang der Übertragungsleitungen. Dies kann zu inkonsistenter Stromqualität, Geräteschäden und reduzierter Systemeffizienz führen.

Anforderung an größere Geräte

Um hohe Ströme zu bewältigen, müssen elektrische Geräte wie Wechselrichter, Transformator, Schaltanlagen und Leiter für größere kVA-Kapazitäten ausgelegt sein. Diese größeren Geräte sind teurer zu kaufen, zu installieren und zu warten, was die Gesamtkosten des Stromsystems erhöht.

Kompatibilitätsprobleme

Viele elektrische Geräte und Systeme sind so konzipiert, dass sie innerhalb bestimmter Spannungs- und Strombereiche arbeiten. Die Hochstromübertragung kann zu Kompatibilitätsproblemen führen, die kostenintensive Aktualisierungen oder Ersetzungen vorhandener Geräte erfordern.

Reduzierte Übertragungseffizienz

Die kombinierten Effekte erhöhter Verluste, Spannungsabfall und größerer Geräte führen zu einer erheblichen Verringerung der gesamten Übertragungseffizienz. Mehr Energie wird verschwendet, und weniger Leistung erreicht die Endverbraucher, was das System weniger wirtschaftlich und nachhaltig macht.

Sicherheitsbedenken

Hohe Ströme bergen größere Sicherheitsrisiken sowohl für Personal, das an dem elektrischen System arbeitet, als auch für die Allgemeinheit. Die erhöhte Gefahr von elektrischen Schlägen, Bränden und Geräteausfällen erfordert zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, die die Kosten und Komplexität des Systems weiter erhöhen.

Eingeschränkte Übertragungsweite

Aufgrund der erheblichen Verluste und Spannungsabfälle, die mit der Hochstromübertragung verbunden sind, ist die praktische Übertragungsweite erheblich eingeschränkt. Dies begrenzt die Fähigkeit, Energie über weite Strecken zu liefern, wodurch die Hochstromübertragung für groß angelegte, vernetzte Stromnetze ungeeignet ist.

Im Gegensatz dazu bietet die Hochspannungsübertragung eine effizientere, kostengünstigere und zuverlässigere Lösung für die Übertragung von elektrischer Energie über weite Strecken. Sie findet einen Ausgleich zwischen der Minimierung von Verlusten, der Reduzierung von Kosten und der kontinuierlichen Bereitstellung hochwertiger Energie, was sie zur bevorzugten Wahl für moderne Stromsysteme macht.