Una griglia tipica utilizza linee da 110 a 500 kilovolt per fornire elettricità alle sottostazioni che riducono a 6-20 kilovolt e quindi linee con quella tensione più bassa arrivano ai consumatori dove si trovano ancora altre sottostazioni che alla fine riducono quei 6-20 kilovolt al consumatore tensione (100 o 230 volt o qualunque sia lo standard locale).

Quelle linee da 110 a 500 kilovolt passano spesso attraverso aree in cui si trovano quei consumatori. I consumatori potrebbero essere collegati a tali linee tramite trasformatori accettando diciamo 110 kilovolt e producendo tensione di consumo. Invece quelle linee corrono lontano da qualche parte e poi un'altra linea elettrica torna indietro con un po 'di tensione più bassa e un consumatore è agganciato a quest'ultimo. Questo è un sacco di cavi extra.

Qual è la ragione di questo design? Perché non agganciare i consumatori al powerline più vicino?

L'HV (66kV - 500kV) è ... difficile da gestire.

Scuoterò le ragioni che mi vengono in mente dalla cima della mia testa.

Tutte le cifre che seguono (pesi, dollari) sono ipotesi di ordine di grandezza.

distanze

Usiamo 220kV come esempio. Lo standard australiano per sottostazione HV AS 2067 nomina i seguenti spazi richiesti per le apparecchiature a 220 kV:

• Fase a terra - 2100 mm. Cioè, nessun conduttore 220kV può trovarsi a meno di 2 metri da qualsiasi conduttore collegato a terra (ad esempio un serbatoio del trasformatore o un palo d'acciaio). Modifica: In realtà, avrei dovuto citare qui la distanza di non flashover (N).
• Gioco da fase a fase - 2.415 mm. Cioè, i conduttori di antenna 220kV devono essere sempre distanti almeno 2,4 m.
• Distanza di sicurezza orizzontale - 4.125 mm. Tutte le parti in tensione devono essere almeno 4.125 mm al di sopra di qualsiasi superficie su cui una persona possa stare in piedi.
• Gioco verticale di sicurezza - 3.565 mm.

Vale a dire che non esiste una sottostazione 220kV "compatta". (Bene, c'è; le sottostazioni basate su quadri isolati a gas possono essere molto compatte, ma non si vuole sapere quanto costano.)

La dimensione minima per una sottostazione da 220 kV, contenente le attrezzature necessarie e mantenendo tutte queste distanze, è di almeno 20 mx 20 m quadrati, ovvero la dimensione di un blocco di terra suburbano.

Dovrebbe anche avere strutture alte almeno 4 metri, che è difficile fondersi con il paesaggio suburbano.

Oltre alle autorizzazioni di cui sopra necessarie per evitare che le persone vengano folgorate direttamente, devi anche fare i conti con -

• Raggio di sicurezza antincendio nel caso in cui un trasformatore rilasci 10.000 litri di olio isolante e prenda fuoco. Dalla memoria, almeno 10 metri.
• Raggio in caso di esplosione elettrica. Il raggio di soglia tipico per la ricezione di ustioni di secondo grado "sopravvivibili" può superare i 10 metri per alcuni tipi energetici di guasti. Sicuramente nessun alloggio civile consentito all'interno di questo raggio.

Protezione

Un guasto sulla rete 220kV deve essere eliminato rapidamente, altrimenti porterà l'intera rete in uno stato instabile (ad es. Blackout). Il "tempo critico di eliminazione degli errori" per evitare un blackout è in genere molto inferiore a 1 secondo.

Schemi di protezione molto costosi (differenziale di linea con piloti in fibra ottica, protezione della distanza) sono utilizzati per garantire questa elevata velocità di protezione. Questi schemi di protezione devono essere installati su tutti i terminali della linea 220kV.

Una volta che rappresentiamo il costo di -

• Interruttori a 220 kV - circa $ 200.000 ciascuno, minimo tre richiesti per sottostazione - due per il circuito in entrata / uscita che continua oltre la sottostazione e uno per il T-off = $ 600.000
• due set di trasformatori di corrente di protezione trifase con tensione nominale di 220 kV e amplificatori continui "sufficienti" - circa $ 50.000 un set (ballpark) = $ 100.000
• due set di relè di protezione - ciascuno con un duplicato ridondante - circa $ 20.000 ciascuno = $ 80.000. (Nota: la protezione "X" e "Y" duplicata è standard per le sottostazioni HV.)

... siamo fino a circa $ 780.000, solo in dispositivi di protezione, per sottostazione. E non abbiamo nemmeno iniziato ad acquistare hardware di terminazione della linea di trasmissione, deviatori di sovratensione, sbarre collettrici, strutture di supporto, movimento terra, recinzioni, cemento, PLC di controllo, capanna di controllo ...

(Confronta la protezione del trasformatore di distribuzione a 22kV, che di solito è solo un insieme di micce a caduta di espulsione trifase, il costo totale è forse di $ 2.000.)

trasformatori

I trasformatori da 220kV sono grandi, a causa di tutto l'isolamento richiesto al loro interno per impedire il flashover. Non esiste un trasformatore "piccolo" da 220 kV: il più piccolo che abbia mai visto è valutato 60 MVA e pesa circa 10 tonnellate.

Trasformatori a polo tipici a contrasto 22 / 0,415 kV classificati a 500 kVA o meno. Il peso è importante perché esiste un limite massimo a ciò che puoi avere sopra un palo di legno. Non sono un ingegnere strutturista, ma sicuramente non vorresti montare un palo più di una tonnellata.

Sono abbastanza ragioni?

Uno dei motivi principali è che queste linee sono destinate alla trasmissione a lunga distanza e all'interconnessione di reti di grandi dimensioni.

Immagina un'autostrada. Principalmente hanno uscite ogni pochi chilometri in aree edificate, e talvolta più frequentemente di un miglio in casi particolarmente strani, ma per la maggior parte sono destinati a consentire viaggi veloci ed efficienti da lunghe distanze. Mentre ci sono chiaramente case e attività commerciali vicino alle autostrade, se ognuna avesse il proprio onramp e offramp, non solo le risorse infrastrutturali sarebbero significative, ma ogni volta che si verifica un problema con un onramp o offramp che finisce per chiudere una sezione o una corsia dell'autostrada senza pedaggio per un periodo di tempo impatti su molte, molte più persone.

Se si inizia a costruire più sottostazioni, si aumenta il rischio di downtime per la linea di trasmissione a causa di problemi di sottostazione.

Inoltre, griglie più piccole sono effettivamente collegate a più griglie più grandi con interruttori, che a volte sono quindi collegate a più di una linea di trasmissione con interruttori. Ciò consente di instradare un problema su una determinata linea o griglia e provoca una perdita di potenza localizzata al problema. Le linee di trasmissione sono più difficili e più costose su cui lavorare e riparare e sono infrastrutture cruciali per le reti elettriche nazionali. Quando le centrali elettriche rimangono offline per qualsiasi motivo, le centrali elettriche molto più lontane possono assorbire il gioco a causa di queste linee.

Infine, elettricamente sono bilanciati in fase per la trasmissione più efficiente dell'elettricità. Le singole sottostazioni e reti sono progettate in modo tale che il fattore di potenzaè il più vicino possibile a 1. Fattori di potenza inferiori comportano una perdita di energia nelle linee e nei trasformatori, che richiede conduttori più sostanziali. Queste linee non sono pensate per carichi CA scarsamente abbinati. I clienti industriali che si collegano alle linee a tensione più elevata spesso devono aggiungere la correzione del fattore di potenza se i loro impianti non sono adeguatamente bilanciati. Il collegamento di una casa o di un quartiere più direttamente a una linea di trasmissione richiederebbe un investimento ancora maggiore nella sottostazione necessaria per servirle in modo da non compromettere le linee di trasmissione. Altre linee ad alta tensione uniscono molti clienti con scarso fattore di potenza, ma mescolando piccoli utenti industriali (molti motori) con utenti domestici (molti alimentatori a commutazione) le sottostazioni possono bilanciare il fattore di potenza per un costo molto più basso e strutture più piccole .

In realtà non sono progettati per i piccoli consumatori.

Immagina se lo facessimo davvero, e avessimo delle linee elettriche attraversate da un quartiere o accanto, e ogni casa collegata direttamente a queste linee elettriche piuttosto che a una sottostazione, sarebbe piuttosto sciocca

Ho disegnato una foto per dimostrare quanto potrebbe essere sciocca:

Fortunatamente, gli svedesi hanno costruito le cose molto meglio delle mie capacità di disegno:

Questi sono fili telefonici a proposito, possono avvicinarsi un po 'senza che accadano cose terribili e terribili ai fili (e alle persone vicine).

Ora immagina che quei cavi siano cavi di linea elettrica per servizio pesante. Immagina di non poterle imballare così densamente e di dover dare a ciascuna linea spazio individuale. Immagina i supporti aggiuntivi per quando i palazzi e i condomini bloccano la linea di mira diretta, le strutture aggiuntive lungo la strada per supportare tutti i cavi aggiuntivi e il peso e la tensione necessari per tenerlo in posizione.

Immagina l'impatto che tutti questi cavi ad alta tensione per impieghi gravosi hanno sulla ricezione e sulle trasmissioni radio e sulle numerose micro-sottostazioni per ogni casa.

Ho disegnato un'altra foto, è un piccolo villaggio con linee elettriche adiacenti:

Potremmo seppellire le linee elettriche per la maggior parte del tempo, ma è un sacco di scavi per posare linee elettriche piuttosto pericolose, tutto diventerà molto costoso (che è già).

Una soluzione semplice sarebbe che diverse case adiacenti condividessero un cavo e una sottostazione. Stazioni di dimensioni sufficienti sarebbero abbastanza economiche da supportare interi quartieri risparmiando sui costi di costruzione e riducendo il numero di cavi. Tutto inizia a sembrare familiare ...

Sto pensando di più che è dovuto alla protezione del sistema. Se si annulla la trasmissione e la si riduce alla tensione di rete domestica, sarebbe molto costoso per l'utilità se si verifica un guasto nella propria posizione.

Inoltre è conveniente avere un sistema centrale che protegge il trasformatore centrale e la linea di trasmissione principale. Inoltre, il costo del trasformatore di ridurre la tensione della linea di trasmissione da circa 69 Kv, 138 Kv e così via, a 120 V sarebbe follemente costoso da perseguire.

Quindi ha sia vantaggi tecnici che economici per avere il layout come è oggi.

Penso che sia perché l'obiettivo principale di una linea ad alta tensione è la trasmissione. Questo perché alle alte tensioni la potenza persa causata da I2R è inferiore rispetto all'utilizzo di una tensione inferiore (per la stessa Potenza [W], una tensione maggiore => corrente inferiore)

Oltre a ciò, è possibile connettersi a una linea ad alta tensione utilizzando un trasformatore, forse 500 / 0,4 kV, che sarebbe inaccettabilmente costoso.