ทำไมพลังงานถูกส่งผ่านด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงแทนที่จะเป็นกระแสไฟฟ้าสูง

เหตุผลเบื้องหลังการส่งกำลังไฟฟ้าแรงดันสูงและกระแสต่ำสำหรับการส่งกำลังไฟฟ้าทางไกล การส่งกำลังไฟฟ้าที่มีแรงดันสูงและกระแสต่ำถือเป็นกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่าที่สุด วิธีนี้ช่วยลดความสูญเสียจากการต้านทาน ลดความพึ่งพาตัวนำที่มีราคาแพง และเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไฟฟ้า ในบทความนี้ เราจะศึกษาเหตุผลหลักที่ทำให้การส่งกำลังไฟฟ้าแรงดันสูงได้รับความนิยมมากกว่าวิธีการอื่น ๆ โดยมีการวิเคราะห์ทางเทคนิคและเศรษฐกิจอย่างละเอียด

1. P คือกำลังไฟฟ้า

2. V คือแรงดัน และ

3. I คือกระแสไฟฟ้า

ความเหนือกว่าของการส่งกำลังไฟฟ้าแรงดันสูงและกระแสต่ำสูตร P = VI แสดงให้เห็นว่ากำลังมีความสัมพันธ์โดยตรงกับแรงดันและกระแส แต่เมื่อพูดถึงการส่งกำลังไฟฟ้าทางไกล การใช้แรงดันสูงและกระแสต่ำมีข้อดีหลายประการ:

การลดความสูญเสีย I^2Rความสูญเสียในสายส่งกำลังไฟฟ้าเกิดตามสูตร I^2R ซึ่ง I คือกระแสและ R คือความต้านทานของสาย สภาวะที่มีกระแสมากจะทำให้เกิดความสูญเสียที่ไม่สมดุล เนื่องจากความสูญเสียเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของกระแส เมื่อความร้อนกระจายออกจากตัวนำ จะทำให้พลังงานส่วนใหญ่สูญเสียไป

โดยการเพิ่มแรงดันและคงกำลังไว้ กระแสสามารถลดลงได้ ตัวอย่างเช่น ถ้าแรงดันเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า กระแสจะลดลงเหลือครึ่งหนึ่งสำหรับกำลังที่เท่ากัน การลดลงของกระแสทำให้ความสูญเสีย I^2R ลดลงอย่างมาก ทำให้ประสิทธิภาพในการส่งกำลังไฟฟ้าสูงขึ้น

การลดแรงดันตกแรงดันตกเกิดจากความต้านทานของสายส่งกำลังและมีความสัมพันธ์โดยตรงกับกระแสที่ไหลผ่าน กระแสที่สูงจะทำให้แรงดันตกมากขึ้น ซึ่งอาจทำให้คุณภาพของไฟฟ้าลดลงและลดประสิทธิภาพในการส่งกำลัง

การส่งกำลังไฟฟ้าที่มีแรงดันสูงช่วยลดปัญหานี้ ด้วยกระแสน้อย แรงดันตกตลอดสายจะลดลง ทำให้กำลังที่ถึงผู้ใช้ปลายทางใกล้เคียงกับแรงดันที่สร้างขึ้น ความคงที่นี้สำคัญในการรักษาความน่าเชื่อถือของระบบไฟฟ้า

การใช้งานตัวนำอย่างประหยัดการผลิตและการติดตั้งตัวนำ (สายไฟ) ในระบบส่งกำลังไฟฟ้ามีค่าใช้จ่ายสูง กระแสที่สูงต้องใช้ตัวนำที่มีพื้นที่ตัดขวางใหญ่ขึ้นเพื่อรับภาระไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ตัวนำขนาดใหญ่มีราคาสูงในการผลิตและต้องใช้วัสดุมากขึ้น ทำให้ค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้น

เมื่อส่งกำลังไฟฟ้าที่แรงดันสูง กระแสที่ลดลงทำให้สามารถใช้ตัวนำขนาดเล็กและประหยัดค่าใช้จ่ายได้ เมื่อพิจารณาค่าต่าง ๆ เช่น กำลัง (W) ความยาวสายส่ง (L) ความต้านทานเฉพาะของตัวนำ ρ และความสูญเสียกำลัง ปริมาณของตัวนำจะมีความสัมพันธ์แบบผกผันกับกำลังสองของแรงดัน VcosΦ ดังนั้น ระดับแรงดันที่สูงขึ้นทำให้ลดปริมาณวัสดุตัวนำที่ต้องใช้ได้มาก ทำให้ประหยัดค่าใช้จ่ายอย่างมาก

การเพิ่มประสิทธิภาพของหม้อแปลง

หม้อแปลงซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นในการเพิ่มหรือลดระดับแรงดันทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้นที่แรงดันสูง การส่งกำลังไฟฟ้าที่แรงดันสูงทำให้ความถี่ในการแปลงแรงดันตลอดเส้นทางส่งลดลง ขั้นตอนการแปลงแรงดันที่น้อยลงหมายความว่ามีโอกาสสูญเสียพลังงานภายในหม้อแปลงน้อยลง ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบสูงขึ้น

การปฏิบัติตามมาตรฐานการควบคุม

กฎระเบียบระดับชาติและระหว่างประเทศมักกำหนดข้อจำกัดสำหรับแรงดันตกและค่าปัจจัยกำลังขั้นต่ำในการส่งกำลังไฟฟ้า การส่งกำลังไฟฟ้าที่แรงดันสูงทำให้บริษัทสาธารณูปโภคสามารถปฏิบัติตามมาตรฐานเหล่านี้ได้ง่ายขึ้น ด้วยการลดแรงดันตกและปรับค่าปัจจัยกำลังให้เหมาะสม ระบบแรงดันสูงทำให้คุณภาพไฟฟ้าคงที่และสอดคล้องกับความคาดหวังทางกฎหมาย

ควรทราบว่าแม้แรงดันสูงจะมีประโยชน์มากมาย แต่ต้องใช้ในระดับที่ปลอดภัย หากเกินระดับที่เหมาะสมจะทำให้ค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้นเนื่องจากต้องใช้วัสดุฉนวนที่ดีขึ้น หม้อแปลงขนาดใหญ่ สวิตช์เกียร์ที่แข็งแกร่งขึ้น อุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าเพิ่มเติม และโครงสร้างรองรับที่แข็งแรงขึ้น เช่น ต้นเสาและหอส่ง นอกจากนี้ แรงดันที่สูงขึ้นยังเพิ่มระดับความผิดพลาด ทำให้ความเสี่ยงและความรุนแรงของการเกิดความผิดพลาดทางไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

ผลของการส่งกำลังไฟฟ้ากระแสสูง

หากใช้กระแสสูงแทนแรงดันสูงในการส่งและกระจายกำลังไฟฟ้า ระบบไฟฟ้าจะเผชิญกับปัญหาต่าง ๆ ดังนี้:

ความสูญเสีย I^2R ที่เพิ่มขึ้นเหมือนที่กล่าวมาแล้ว กระแสที่สูงทำให้เกิดความสูญเสีย I^2R อย่างมาก ความสูญเสียเหล่านี้ไม่เพียงแต่ทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน แต่ยังต้องการกำลังการผลิตเพิ่มเติมเพื่อชดเชย ทำให้ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเพิ่มขึ้น

แรงดันตกที่มากขึ้น

กระแสที่สูงทำให้แรงดันตกตลอดสายส่งเพิ่มขึ้น ซึ่งอาจทำให้คุณภาพไฟฟ้าไม่คงที่ เครื่องมือเสียหาย และประสิทธิภาพของระบบลดลง

ความต้องการอุปกรณ์ขนาดใหญ่

เพื่อรับกระแสสูง อุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หม้อแปลง สวิตช์เกียร์ และตัวนำต้องมีความจุ kVA ที่ใหญ่ขึ้น อุปกรณ์ขนาดใหญ่เหล่านี้มีราคาสูงในการซื้อ ติดตั้ง และบำรุงรักษา ทำให้ค่าใช้จ่ายโดยรวมของระบบไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

ปัญหาเรื่องความเข้ากันได้

อุปกรณ์และระบบไฟฟ้าหลายชนิดถูกออกแบบมาให้ทำงานในช่วงแรงดันและกระแสที่ระบุไว้ การส่งกำลังไฟฟ้ากระแสสูงอาจทำให้เกิดปัญหาเรื่องความเข้ากันได้ ต้องใช้เงินเพิ่มในการอัปเกรดหรือเปลี่ยนอุปกรณ์ที่มีอยู่

การลดประสิทธิภาพในการส่ง

ผลจากการสูญเสียเพิ่มขึ้น แรงดันตก และอุปกรณ์ขนาดใหญ่ ทำให้ประสิทธิภาพในการส่งกำลังไฟฟ้าลดลงอย่างมาก พลังงานส่วนใหญ่สูญเสียไป และกำลังที่ถึงผู้ใช้ปลายทางน้อยลง ทำให้ระบบไม่คุ้มค่าและไม่ยั่งยืน

ความกังวลเรื่องความปลอดภัย

กระแสสูงมีความเสี่ยงทางความปลอดภัยมากขึ้น ทั้งสำหรับเจ้าหน้าที่ที่ทำงานบนระบบไฟฟ้าและประชาชนทั่วไป ความเสี่ยงจากการช็อกไฟฟ้า ไฟไหม้ และการเสียหายของอุปกรณ์ทำให้ต้องใช้มาตรการความปลอดภัยเพิ่มเติม ทำให้ค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนของระบบเพิ่มขึ้น

ระยะทางการส่งที่จำกัด

เนื่องจากความสูญเสียและแรงดันตกที่สูงจากการส่งกำลังไฟฟ้ากระแสสูง ระยะทางการส่งที่เป็นไปได้ถูกจำกัดอย่างมาก ซึ่งทำให้ไม่สามารถส่งกำลังไฟฟ้าทางไกลได้ ทำให้การส่งกำลังไฟฟ้ากระแสสูงไม่เหมาะสมสำหรับระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่และเชื่อมโยงกัน

ในทางตรงกันข้าม การส่งกำลังไฟฟ้าแรงดันสูงนำเสนอโซลูชันที่มีประสิทธิภาพ คุ้มค่า และเชื่อถือได้สำหรับการส่งกำลังไฟฟ้าทางไกล มันทำให้สามารถลดความสูญเสีย ลดค่าใช้จ่าย และรับประกันการส่งมอบกำลังไฟฟ้าคุณภาพสูงอย่างต่อเนื่อง ทำให้เป็นทางเลือกที่ได้รับความนิยมสำหรับระบบไฟฟ้าสมัยใหม่