چرا انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا و نه جریان بالا منتقل می‌شود

دلایل استفاده از انتقال قدرت با ولتاژ بالا و جریان کم برای انتقال قدرت در مسافت‌های طولانی، ارسال انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا و جریان کم به عنوان راهبردی کارآمد و اقتصادی ترین شناخته می‌شود. این رویکرد به طور قابل توجهی زیان‌های مقاومتی را کاهش می‌دهد، به کاهش وابستگی به هادی‌های گران‌قیمت کمک می‌کند و عملکرد کلی شبکه الکتریکی را بهبود می‌بخشد. در این مقاله به دلایل اصلی ترجیح دادن انتقال قدرت با ولتاژ بالا نسبت به ولتاژ پایین یا جریان بالا با تحلیل فنی و اقتصادی عمیق خواهیم پرداخت.

۱. P برابر با قدرت الکتریکی است،

۲. V برابر با ولتاژ است، و

۳. I برابر با جریان الکتریکی است.

مزایای انتقال قدرت با ولتاژ بالا و جریان کم فرمول P = VI نشان می‌دهد که قدرت مستقیماً با ولتاژ و جریان متناسب است. اما در مورد انتقال قدرت در مسافت‌های طولانی، استفاده از ولتاژ بالا و جریان کم به دلایل مختلفی مزیت‌های قابل توجهی دارد:

کاهش زیان‌های I^2R زیان‌های قدرت در خطوط انتقال بر اساس فرمول I^2R اتفاق می‌افتد، که در آن I جریان و R مقاومت خط است. جریان بالا منجر به زیان‌های غیرمتناسب می‌شود، زیرا این زیان‌ها با مربع جریان افزایش می‌یابند. وقتی ولتاژ افزایش یافته و قدرت ثابت نگه داشته می‌شود، جریان کاهش می‌یابد. برای مثال، اگر ولتاژ دو برابر شود، جریان به نصف کاهش می‌یابد. این کاهش جریان منجر به کاهش قابل توجه زیان‌های I^2R و بهبود کلی کارایی سیستم انتقال قدرت می‌شود.

کاهش حداقلی فروپاشی ولتاژ فروپاشی ولتاژ به دلیل مقاومت خطوط انتقال اتفاق می‌افتد و مستقیماً با جریان عبوری از آن مرتبط است. جریان‌های بالاتر منجر به فروپاشی ولتاژ بیشتر می‌شود که می‌تواند کیفیت قدرت را کاهش دهد و کارایی انتقال را کاهش دهد. انتقال قدرت با ولتاژ بالا به کاهش این مشکل کمک می‌کند. با جریان کمتر، فروپاشی ولتاژ در طول خط کاهش می‌یابد و مطمئن می‌شویم که قدرت رسیده به مصرف‌کنندگان به صورت نزدیک به ولتاژ تولید شده است. این سازگاری برای حفظ قابلیت اطمینان سیستم‌های الکتریکی حیاتی است.

استفاده اقتصادی از هادی‌ها تولید و نصب هادی‌ها (سیم‌ها) در سیستم‌های انتقال قدرت هزینه‌های قابل توجهی دارد. جریان‌های بالاتر نیازمند هادی‌های با مقطع مقطعی بزرگتر برای تحمل بار الکتریکی افزایش یافته می‌باشند. این هادی‌های بزرگتر نه تنها هزینه تولید بیشتری دارند بلکه نیاز به مواد بیشتری دارند که هزینه‌ها را بیشتر می‌کند.

وقتی قدرت با ولتاژ بالا منتقل می‌شود، جریان کمتر اجازه استفاده از هادی‌های کوچکتر و ارزان‌تر را می‌دهد. ریاضیاً، وقتی عواملی مانند قدرت (W)، طول خط انتقال (L)، مقاومت هادی ρ و زیان قدرت ثابت باقی می‌مانند، حجم هادی معکوس مربع ولتاژ VcosΦ متناسب است. بنابراین، سطوح ولتاژ بالاتر امکان کاهش قابل توجه مقدار مواد هادی لازم را فراهم می‌کند و به صرفه‌جویی قابل توجهی می‌انجامد.

کارایی بهتر ترانسفورماتورها

ترانسفورماتورها که برای بالا یا پایین آوردن سطوح ولتاژ ضروری هستند، در ولتاژ‌های بالاتر به طور کارآمدتری عمل می‌کنند. انتقال قدرت با ولتاژ بالا تعداد مراحل تغییر ولتاژ در طول مسیر انتقال را کاهش می‌دهد. تعداد کمتری از مراحل تغییر ولتاژ به معنای فرصت‌های کمتری برای زیان‌های انرژی در داخل ترانسفورماتورها است که به کارایی کلی سیستم کمک می‌کند.

پذیرش استانداردهای نظارتی

قوانین ملی و بین‌المللی اغلب حدودی برای فروپاشی ولتاژ و نیازهای حداقلی عامل قدرت در انتقال قدرت تعیین می‌کنند. انتقال قدرت با ولتاژ بالا امکان راحت‌تری برای مطابقت با این استانداردها را فراهم می‌کند. با کاهش فروپاشی ولتاژ و بهینه‌سازی عامل قدرت، سیستم‌های ولتاژ بالا از کیفیت قدرت یکنواخت و مطابقت با انتظارات نظارتی مطمئن می‌شوند.

مهم است که توجه داشته باشیم که اگرچه ولتاژ بالا مزایای متعددی دارد، باید در حدود ایمنی استفاده شود. تجاوز از سطوح ولتاژ مناسب می‌تواند به هزینه‌های اضافی منجر شود به دلیل نیاز به عایق‌بندی بهتر، ترانسفورماتورهای بزرگتر، دستگاه‌های سوئیچ‌گیری قوی‌تر، محافظ‌های برق‌آبی بیشتر و ساختارهای پشتیبان قوی‌تر مانند ستون‌ها و برج‌ها. علاوه بر این، ولتاژ‌های بالاتر می‌توانند سطح خطای را افزایش دهند و احتمال و شدت خطاهای الکتریکی را افزایش دهند.

پیامدهای انتقال قدرت با جریان بالا

اگر جریان بالا به جای ولتاژ بالا برای انتقال و توزیع قدرت استفاده شود، سیستم قدرت با مجموعه‌ای از چالش‌ها مواجه می‌شود:

افزایش زیان‌های I^2R همانطور که قبلاً بحث شد، جریان‌های بالا منجر به زیان‌های I^2R قابل توجه می‌شود. این زیان‌ها نه تنها انرژی را تلف می‌کنند بلکه نیاز به تولید بیشتر قدرت برای جبران آن را دارند که هزینه‌های عملیاتی و تأثیرات محیطی را افزایش می‌دهد.

فروپاشی ولتاژ بیشتر

جریان‌های بالاتر منجر به فروپاشی ولتاژ بیشتر در طول خطوط انتقال می‌شود. این می‌تواند منجر به عدم سازگاری کیفیت قدرت، خرابی تجهیزات و کاهش کارایی سیستم شود.

نیاز به تجهیزات بزرگتر

برای مدیریت جریان‌های بالا، تجهیزات الکتریکی مانند مولد‌ها، ترانسفورماتورها، دستگاه‌های سوئیچ‌گیری و هادی‌ها باید برای ظرفیت‌های kVA بزرگتر طراحی شوند. این دستگاه‌های بزرگتر هزینه‌های خرید، نصب و نگهداری بیشتری دارند که هزینه کلی سیستم قدرت را افزایش می‌دهند.

مشکلات سازگاری

بسیاری از دستگاه‌ها و سیستم‌های الکتریکی برای کار در محدوده‌های خاصی از ولتاژ و جریان طراحی شده‌اند. انتقال قدرت با جریان بالا ممکن است منجر به مشکلات سازگاری شود که نیازمند به‌روزرسانی یا جایگزینی دستگاه‌های موجود با هزینه بالا باشد.

کاهش کارایی انتقال

اثرات ترکیبی زیان‌های افزایش یافته، فروپاشی ولتاژ و تجهیزات بزرگتر منجر به کاهش قابل توجه کارایی کلی انتقال می‌شود. انرژی بیشتری تلف می‌شود و قدرت کمتری به مصرف‌کنندگان می‌رسد که سیستم را کم‌اقتصادی‌تر و کم‌پایدارتر می‌کند.

نگرانی‌های ایمنی

جریان‌های بالا خطرات ایمنی بیشتری را برای کارکنان سیستم الکتریکی و عموم مردم ایجاد می‌کنند. افزایش خطر شوک الکتریکی، آتش‌سوزی و خرابی تجهیزات نیازمند اقدامات ایمنی اضافی است که هزینه و پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد.

محدودیت مسافت انتقال

به دلیل زیان‌های قابل توجه و فروپاشی ولتاژ مربوط به انتقال قدرت با جریان بالا، مسافت عملی انتقال به طور شدید محدود می‌شود. این محدودیت امکان انتقال قدرت در مسافت‌های طولانی را محدود می‌کند و انتقال قدرت با جریان بالا برای شبکه‌های قدرت بزرگ و مرتبط مناسب نیست.

به طور متقابل، انتقال قدرت با ولتاژ بالا راه حلی کارآمدتر، اقتصادی‌تر و قابل اعتمادتر برای انتقال قدرت الکتریکی در مسافت‌های طولانی ارائه می‌دهد. این روش تعادلی بین کاهش زیان‌ها، کاهش هزینه‌ها و تضمین انتقال مداوم قدرت با کیفیت بالا ایجاد می‌کند و به عنوان انتخاب مورد ترجیح برای سیستم‌های قدرت مدرن شناخته می‌شود.