في كل مرة تقوم فيها بتشغيل مفتاح، قد تكون الكهرباء قد سافرت أكثر من 1000 كيلومتر للوصول إليك من مزرعة رياح في الغرب إلى منزل في الشرق.هل التيار الكهربائي "يتسرب" من الأسلاك على طول الطريق، مثل الماء من الأنابيب؟
الإجابة القصيرة هي:لا، ليس بالطريقة التي تفكر بهالكن هناكهودعونا نزيل الغموض عن فيزياء نقل الطاقة على مسافات طويلة
1"التي لا تسرب"
في خط عالي الجهد يعمل بشكل صحيحيظل التيار داخل السائقالعزل والهواء حول الخط يعملان كحواجز فعالة لن ترى شرارة تقفز إلى الأرض
ومع ذلكالطاقة لا تزال ضائعةهذا ما يدعوه المهندسونالخسارة الخارجة (أو الخسارة التقنية)إنه الفرق بين الكهرباء المولدة في المحطة والكهرباء المقدمة إلى منزلك
2"المذنب الحقيقي: الحرارة"
لماذا يحدث هذا الخسارة؟المقاومةحتى أفضل الموصلات النحاس والألومنيوم لديهم بعض المقاومة عندما يتدفق التيار عبر المقاومةالحرارة.
هذا هو نفس المبدأ الذي يجعل محمصة الخبز تعمل، ولكن على خط الإرسال، فإنه يضيع الطاقة.P = I2R.
- أنا= حالياً
- R= المقاومة
المربع هو المفتاحلاحظ أن الخسارة متناسبة معمربعمن التيار. إذا قمت بقطع التيار بنصف، فإن فقدان الحرارة ينخفض إلىربعهذا هو أهم مفهوم في نقل الطاقة.
3. " الماسترستروك: لماذا نستخدم الجهد العالي "
إذا كان فقدان الحرارة يعتمد على مربع التيار، كيف يمكننا تقليله؟من خلال زيادة الجهد
For any given amount of power (P = V × I), if you increase the voltage (V), you can decrease the current (I). (لأي كمية معينة من الطاقة (P = V × I) ، إذا قمت بزيادة الجهد (V) ، يمكنك تقليل التيار (I).
- الجهد المنخفض (LV):التيار العالي → خسارة حرارة I2R الهائلة على مسافات طويلة.
- الجهد العالي (HV):التيار المنخفض → الحد الأدنى من فقدان الحرارة.
هذا هو السبب في أننا لدينا عملية "خطوة فوق / خطوة أسفل":
- الجيل:الطاقة مصنوعة (مثل 20 كيلو فولت).
- الخطوة التالية:المحولات تعزز الجهد إلى500كيلو فولت، 800كيلو فولت، أو حتى 1000كيلو فولت+ (UHV).
- ناقل:التيار المنخفض يسافر عبر البلاد مع خسارة ضئيلة جداً
- الخطوة إلى أسفل:بالقرب من المدينة، يتم خفض التيار الكهربائي لتوزيع آمن.
4لماذا لا نستمر في رفع التيار الكهربائي؟
إذا كانت الجهد العالي جيدة، لماذا لا تستخدم 1؟000ألف فولت في كل مكان؟
لأنالفيزياء لها سعركما التيار الكهربائي يزيد:
- تكاليف العزل تتصاعدتحتاج إلى عزل أكثر سمكاً، أبراج عمل، وفجوات أوسع بين الأسلاك.
- إطلاق سراح كورونا:عند الكهرباء العالية جداً، المجال الكهربائي يمكنه أن يُؤيّن الهواء، و يخلق إشراقاً لونياً و صوتاً صاخباً يضيع الطاقة.
- السلامة والتعقيد:المعدات تصبح ضخمة ومكلفة.
تصميم الشبكة هو عمل توازن:الخسائر مقابل الاستثمار مقابل السلامة
5"إنها ليست مجرد أسلاك"
While I2R is the biggest factor, other components also consume energy: بينما I2R هو أكبر عامل،
- المحولات:يستخدمون الحقول المغناطيسية لتغيير التيار الكهربائي، والذي يخلق الحرارة.
- المفاعلات:تستخدم لتحقيق الاستقرار في الشبكة، كما أنها تستهلك كمية صغيرة من الطاقة.
- التاج:كما ذكرنا، خطوط الجهد العالي يمكن أن "تسرب" الطاقة إلى الهواء كضوء وصوت الراديو.
6السلامة: لا "تسرب"، ولكن لا يزال خطرا
فقط لأن الكهرباء لا تتسرب إلى الأرض لا يعني أن المنطقة حول الخط آمنة
- المجال المغناطيسي:خطوط الجهد العالي تولد مجالات كهرومغناطيسية قوية
- القوس:إذا اقتربت كثيراً (مثل طيران الطائرة الورقية أو تشغيل الرافعة) ، يمكن أن تقفز الكهرباء عبر الهواء.
- خطوط مكسورة:إذا سقطت السلكةابق بعيداًالأرض نفسها يمكن أن تصبح طاقة.
ملخص
الكهرباء لا "تسرب" من خطوط النقل مثل الماء من خرطوم.حرارة غير مرئيةبواسطة استخدام فولتات عالية جداً، نقلل من هذه الخسارة، مما يجعل من الممكن إرسال جيجاواط من الطاقة عبر القارات بكفاءة.
"الشبكة ليست مجرد شبكة من الأسلاك؛ انها اقتصاد طاقة متناغمة بعناية حيث كل فولت يحتسب".
مناقشة:هل سبق لك أن رأيت "الوهج الأرجواني" لتفريغ التاج على خط عالية الجهد ليلاً؟
