¿Por qué se transmite energía eléctrica a alto voltaje y baja corriente?

Para minimizar las pérdidas por calentamiento Joule, también conocido como calentamiento óhmico y resistivo, proceso de calentamiento del conductor a medida que la corriente eléctrica fluye a través de él.

Según la primera ley de Joule, la corriente eléctrica que pasa a través de un conductor genera calor con una potencia proporcional a la resistencia eléctrica del conductor y al cuadrado de la corriente:

P ~ I² · R

Entonces, para minimizar este poder, que de otro modo se perdería al calentar la atmósfera, debe reducir la corriente. Para poder transmitir la misma potencia al destino con una corriente más baja, necesita aumentar el voltaje como se evidencia en la ecuación de potencia eléctrica:

P = V · I

Es decir, si desea mantener la potencia (P) igual, pero disminuir la corriente (I), debe aumentar proporcionalmente el voltaje (V).

Esta es la razón por la cual las compañías eléctricas usan transformadores para aumentar el voltaje en el sitio de generación (planta de energía), lo transmiten con bajas pérdidas térmicas a grandes distancias y luego usan transformadores localmente para reducir el voltaje y distribuir electricidad a los consumidores. De hecho, utilizan cascadas de transformadores, es decir, para cubrir distancias muy largas fuera de las ciudades, se utiliza un voltaje muy alto (cientos de kilovoltios hasta un megavoltio). Las líneas de alta tensión son inconvenientes en las zonas urbanas, por lo que cuando llega a una ciudad, el voltaje se reduce a decenas de kilovoltios para desplegarse dentro de la ciudad. Luego se reduce aún más para desplegarse dentro de un área / bloque y luego se baja al voltaje del receptáculo justo antes de ingresar a los hogares.

Dicho esto, nada es gratis y también hay pérdidas asociadas con la transmisión de alto voltaje, por ejemplo, descarga de corona que puede buscar por separado. Para mitigar esas pérdidas, utilizan conductores de haz: tres o cuatro alambres paralelos agrupados que actúan como un solo alambre de mayor diámetro:

La descarga de la corona ocurre en esquinas afiladas y la curvatura de un cable es demasiado fuerte en esos voltajes. Por lo tanto, los ingenieros han ideado varios cables que llevan el mismo voltaje cerca para reducir efectivamente la curvatura de la sección transversal del conductor. Esto reduce la descarga de la corona. Idealmente, querríamos tuberías de gran diámetro como conductores de alto voltaje por esa razón, pero esto es mecánicamente inviable.

George González hizo un buen trabajo resumiendo la razón. Me gustaría ampliar un poco la explicación y agregar otro factor importante.

La resistencia del cable causa pérdidas en la transmisión de energía eléctrica. Si mantiene constante la resistencia, las pérdidas son linealmente proporcionales al voltaje, pero proporcionales al cuadrado de la corriente. Entonces, si duplica el voltaje, para la misma potencia tiene la mitad de la corriente, y la disipación de potencia se reduce a la mitad para la misma potencia.

Otra razón importante es el peso . Para transmitir más corriente y mantener las pérdidas bajo control, uno necesitaría un cable más grande, con un área de sección más grande. Tal cable pesaría mucho más que el cable más delgado que puede transmitir corrientes más bajas. Los cables más pesados ​​usan más metal, son más caros y limitan la longitud del cable (la distancia entre las torres), lo que requiere que se transmitan más torres en la misma distancia.

Suponga que la planta de energía puede proporcionar una potencia fija P. La corriente en el cable de transmisión es

[matemáticas] I = \ frac {P} {V} [/ matemáticas]

Como el cable tiene una resistencia constante R, la pérdida en el cable debido a la resistencia es

[matemáticas] P_ {pérdida} = I ^ 2 R = \ frac {P ^ 2} {V ^ 2} R [/ matemáticas]

Cuanto mayor es el voltaje V, menor es la corriente I y, por lo tanto, una pérdida de potencia mucho menor. Con AC, por supuesto, [math] \ cos \ varphi [/ math] también necesita involucrarse, pero las fórmulas son muy similares. Puede encontrar las ecuaciones aquí: Fórmulas resistivas perdidas #

Además, cuanto menor es la corriente, más pequeño es el cable que puede usar, por lo tanto, menos peso para colocar los postes de alimentación y menos material para los postes también.

La transmisión de electricidad a alto voltaje reduce la fracción de energía perdida por la resistencia, que varía según los conductores específicos, el flujo de corriente y la longitud de la línea de transmisión. Por ejemplo, una línea de 100 millas 765 kV que transporta 1000 MW de potencia puede tener pérdidas de 1.1% a 0.5%. Una línea de 345 kV que lleva la misma carga a través de la misma distancia tiene pérdidas de 4.2%. [9] Para una cantidad dada de potencia, un voltaje más alto reduce la corriente y, por lo tanto, las pérdidas resistivas en el conductor. Por ejemplo, elevar el voltaje en un factor de 10 reduce la corriente en un factor correspondiente de 10 y, por lo tanto, las pérdidas I 2 R en un factor de 100, siempre que se usen conductores del mismo tamaño en ambos casos. Incluso si el tamaño del conductor (área de la sección transversal) se reduce 10 veces para que coincida con la corriente más baja, las pérdidas I 2 R aún se reducen 10 veces. La transmisión a larga distancia generalmente se realiza con líneas aéreas con voltajes de 115 a 1,200 kV.

Transmisión de energía eléctrica # Pérdidas

Gracias por la A2A

Supongo que está preguntando sobre las redes eléctricas.

Es principalmente para reducir los costos de transmisión. Estos incluyen el costo de los materiales y las pérdidas de energía (las pérdidas de energía significan una menor eficiencia y mayores costos).

Las pérdidas de energía ocurren principalmente debido a la resistencia. Estos se calculan comúnmente usando P (vatios) = I (amperios) * R ^ 2 (ohmios), y se deben al calentamiento del cable debido a la resistencia de la corriente.

La potencia se puede calcular usando P (vatios) = I (amperios) * V (voltios). Sin embargo, la corriente (I) es directamente proporcional a las pérdidas de resistencia y cuanto mayor sea la corriente, mayor será la necesidad de cables más gruesos para transferir la carga eléctrica (los cables más gruesos significan un mayor costo de los materiales para fabricarlos y soportarlos).

Cuanto mayor sea el voltaje, más largos pueden correr los cables con menos pérdidas de energía. Voltajes más altos significan que se necesitan más clasificaciones de aislamiento y técnicas, pero generalmente cuestan menos y representan un riesgo menor que los sistemas de alta corriente.

Entonces, la solución es aumentar el voltaje y disminuir la corriente. De esta manera, puede transmitir la misma cantidad de energía con menos costos.

Nota: La respuesta se mantuvo dentro del alcance de las líneas de transmisión debido al alcance percibido de la pregunta. Algunas pérdidas también ocurren en las subestaciones, como las pérdidas de transformadores.

Ok, esto me ha molestado algunas veces, así que trataría de responderlo. En cierto sentido, es algo para mí aprender 🙂 Los comentarios son muy esperados.

Comenzamos con una ecuación eléctrica bien conocida:

P = V * I

( P es energía eléctrica; V es voltaje; I es corriente eléctrica )

Al estudiar la ecuación, sabemos que podemos variar la misma cantidad de energía eléctrica (por ejemplo, la misma cantidad de recursos) a diferentes combinaciones de voltaje y corriente eléctrica. La pregunta es por qué queremos hacer eso, o cuál da el mejor resultado. Podemos imaginar el voltaje como la “presión” y la corriente como la “cantidad de agua”, pero queremos tener una mejor comprensión que eso. Si entendemos cómo podríamos llegar a esa ecuación, tendríamos una mejor comprensión de ese fenómeno de la electricidad, por lo que podríamos responder la pregunta con una explicación más clara. Esto es exactamente lo que vamos a hacer.

Si tenemos dos partículas cargadas, esas dos partículas ejercerían fuerza entre ellas. Digamos que una carga es q1 y la otra carga q2, y suponiendo que su distancia sea fija. La fuerza eléctrica (F) entre ellos es proporcional a la cantidad de carga de cada partícula, por lo que podemos escribir esta relación de la siguiente manera:

F = q1 * q2 * C

Donde C es una constante de proporcionalidad para relacionar la medición entre la carga (por ejemplo, en Coulomb), la fuerza (por ejemplo, en Newton) y la distancia entre ellas (por ejemplo, en el medidor). El voltaje (V) se define como el trabajo (W) realizado para mover una carga de un extremo al otro extremo del cable. Usando Newtonian podríamos calcular el trabajo realizado para la partícula q1 (o q2 si lo desea) de la siguiente manera:

W = F * ds = q1 * q2 * C * ds

Que podría escribirse como:

W = q1 * V, donde V = q2 * C * ds

El trabajo realizado por segundo es lo que llamamos energía eléctrica (P), por lo que podemos escribir energía eléctrica como:

P = dW / dt = q1 * V / dt

Pero q1 / dt (o dq / dt) es cuántas partículas cargadas fluyen por segundo, que es exactamente lo que llamamos corriente eléctrica (I). Entonces obtenemos nuestra ecuación de electricidad:

P = V * I

Ahora sabemos cómo podríamos llegar a esa ecuación. Vamos a usarlo en la situación más simple, que es una corriente eléctrica que fluye por el cable. Pero no solo fluyen libremente, sino que se topan con otros átomos del cable. Algunas de las partículas cargadas pasan a través de ellas, otras se reflejan, otras se ralentizan y así sucesivamente, pero se las arreglan para llegar al final del cable. Cuando chocan, transfieren la energía a esos átomos de alambre, por lo que esos átomos aumentan la velocidad, donde percibimos como calor. Este calor es, por supuesto, la pérdida de nuestra energía eléctrica. Por la conservación de la energía, sabemos que la energía total de las partículas cargadas que llegan al final del cable y la energía que se transfiere a los átomos del cable como calor, sería la misma. Vamos a denotar el poder de las partículas cargadas que logran llegar al otro extremo del cable como Peffective y el poder que se transfiere a los átomos en el cable como Ploss, por lo que podemos escribirlo como:

P = Ploss + Peffective

¿Por qué alto voltaje, por qué bajo voltaje? Como ya sabemos que la variación en el voltaje variaría la cantidad de partículas cargadas (o corriente eléctrica) que tienen que atravesar el cable. Estas partículas cargadas golpean átomos de alambre que no es difícil imaginar que la cantidad de partículas cargadas determinaría, por supuesto, cuántos átomos de alambre golpearían las partículas cargadas. Entonces, la corriente eléctrica afectará la cantidad de energía que perdemos como calor (Ploss) y la energía efectiva que obtenemos como energía eléctrica (Peffective).

Si quemamos cierto litro / segundo de gasolina en un generador de electricidad, obtendríamos cierta cantidad de energía eléctrica / segundo, y no hay forma de que podamos obtener más energía / segundo sin agregar más gasolina quemada por segundo. La energía generada en la fuente, sería la energía máxima recibida en el otro extremo. No hay forma de que podamos hacer algún “truco” de manera que podamos obtener energía adicional en el otro extremo, sin agregar más fuente de energía (o mejorar la eficiencia del generador).

Por supuesto, nuestro interés es obtener la mayor cantidad de energía eléctrica posible. Entonces podemos cambiar la pregunta de “por qué alto voltaje, por qué bajo voltaje” a “cuál es más eficiente para suministrar energía eléctrica”. Nos gustaría responder a esta pregunta estableciendo la cantidad de energía fija porque pagamos cuánta energía usamos, y es, por supuesto, lo que queremos maximizar su uso minimizando su pérdida.

Entonces, ¿cuánto es la pérdida de energía (Ploss) incurrida por cierto voltaje en el generador de electricidad? Esta pérdida de energía es la energía que las partículas cargadas transfieren a los átomos en el cable cuando chocan contra ellas. Es posible que el choque no ocurra en línea recta, pero queremos omitir la derivación compleja de la mecánica estadística simplemente asumiendo que la energía transferida debe ser proporcional a la energía transportada por las partículas cargadas. ( Tenga en cuenta que solo decimos “EN PROPORCIONAL”, ¡no significa que Ploss sea igual con P! ) Por lo tanto, la velocidad captada por los átomos en el alambre, sin importar qué, es proporcional a la velocidad de las partículas cargadas. Entonces podemos escribir la ecuación para Ploss igual que la ecuación para P de la siguiente manera:

Ploss = qloss / dt * V = Iloss * V = Iloss * (I * R)

R es la resistencia en el cable, por lo que está fija ( esta resistencia tiene que ver con la estructura de los átomos del cable con el que chocan nuestras partículas cargadas, por lo tanto, cada material tiene una R diferente ). Iloss es proporcional a I, por lo que cuanto mayor sea I, mayor será Iloss. Al estudiar solo la ecuación, sabemos que para aprovechar al máximo la energía eléctrica generada, tenemos que obtener menos corriente (I).

¡Pero queremos tener una mejor comprensión que eso! Entonces, la última pregunta es: ¿cómo podría suceder eso? Recuerde que la energía de la energía eléctrica (energía) que fluye por el cable se deriva de la fuerza ejercida por dos partículas cargadas. Entonces, al igual que P, podemos escribir Ploss de la siguiente manera:

Ploss = qloss / dt * q2 * C * ds

Entonces, cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la fuerza ejercida sobre las partículas cargadas. ¡Una mayor fuerza movería la partícula cargada con mayor aceleración, y esta es la clave de la explicación que estamos buscando! Al tener un voltaje mayor, pero con la misma cantidad de energía eléctrica, la partícula cargada recogería MÁS VELOCIDAD porque tiene que transportar la misma cantidad de energía CON un menor número de ellas. Menos cantidad de partículas cargadas obtendría MENOS BOMBARDEO con átomos en el cable, por lo tanto , pierde menos energía .

Manejar un voltaje más alto es más fácil que manejar una mayor cantidad de corriente. Esta declaración básica cubre la idea de transmitir potencia a granel a voltajes más altos. Agregue a esto el factor I ^ 2R.

Ahora, supongamos que la potencia de 1 MVA se transmitirá a un nivel de 230V en un sistema monofásico. La cantidad de corriente requerida en este caso será 1000/230 = 4,3 kA, es decir, alrededor de 4000A. Para transportar esta cantidad de corriente, el tamaño del conductor será enorme y el costo de dicho cable (si es que puede fabricarse) será astronómico.

El requisito actual para la misma potencia de 1MVA, si se va a transmitir a un nivel de 22 kV, será 1000/22 = 45A.

El cálculo anterior muestra que aumentar el voltaje en 10 veces ha reducido el requisito de corriente en 10 veces.

Supongamos que la resistencia del cable en ambos casos sea de 0.1 ohm / km y que la longitud del cable sea de 1 km. Entonces, la pérdida I ^ 2R en el caso de 230 V será 4000 * 4000 * 0.1 = 1.6 MW (más de la potencia prevista para ser transmitida) y lo mismo para el caso de 22kV será 45 * 45 * 0.1 = 202.5 vatios.

Sin embargo, no podemos seguir aumentando el nivel de voltaje ya que los voltajes más altos requieren un mejor nivel de aislamiento para las partes conductoras, lo que en sí mismo es un desafío. El aislamiento de las partes conductoras también aumenta el costo. En el ejemplo anterior, si la cantidad de energía a transmitir solo hubiera sido de 1kW, un sistema de 22 kV definitivamente será una solución costosa que un sistema de 230 V.

Por lo tanto, tiene que haber un equilibrio perfecto entre los valores de corriente y voltaje, dependiendo de la cantidad de energía que se transmita.

En primer lugar, algunos pueden pensar que es un deber, pero no, es una elección. El objetivo es transmitir tanta potencia como sea posible con pérdidas mínimas. La energía eléctrica es un producto de voltaje y corriente (P = IV). También es el producto de la resistencia y el cuadrado de la corriente (P = IxIxR). A medida que transmite energía eléctrica a través de los cables, encontrará pérdidas de energía de resistencia de los cables. Cuanto mayor sea la corriente, mayores serán las pérdidas de potencia de resistencia.

Por lo tanto, es más prudente mantener la corriente lo menos posible para evitar pérdidas de cables, pero para asegurarse de no reducir la potencia que transmite, querrá aumentar su voltaje.

Ventajas de la transmisión de potencia a mayor voltaje:

  • Menos pérdidas; mayor eficiencia
  • Menor corriente implica menor cu requerido para transmitir la misma potencia.
  • Mejor regulación de voltaje, ya que menor caída de voltaje.

Sin embargo alguna limitación:

  • Se necesita mayor aislamiento entre el conductor.
  • La separación entre el suelo y la línea y entre las fases debe ser mayor, por lo que las torres deben ser más largas y amplias, ¡costosas!

La transmisión de energía eléctrica a alta tensión tiene varias ventajas. En primer lugar, si el voltaje transmitido es alto, contribuye a una corriente más baja. Cuanto menor sea la corriente, menor será la pérdida como

Pérdida de potencia = I ^ 2 * R

Por lo tanto, la baja pérdida de potencia contribuirá a una mayor eficiencia.

en segundo lugar, si el voltaje transmitido es mayor, entonces el tamaño del conductor se reducirá para transmitir la misma cantidad de energía. Cuanto menor sea el tamaño del conductor, menor será el costo.

Para reducir la pérdida de energía.
El voltaje en esencia es la medida del campo eléctrico. La corriente, por otro lado, es en realidad el flujo de electrones. Es el flujo de electrones que resulta en la pérdida de energía.
Cuando se aplica un campo eléctrico a un conductor, los electrones comienzan a moverse hacia el terminal positivo del campo aplicado. Durante este movimiento, los electrones chocan continuamente con los átomos y rebotan de forma aleatoria. Durante la colisión, los electrones pierden parte de su energía cinética, lo que resulta en una pérdida de energía en forma de calor. Obviamente no queremos que esto suceda.

No estoy seguro de por qué hay todas las respuestas locas y complicadas (¡¿cálculo ?!). Esto es simple física de secundaria.

Tienes un trozo de cable de la planta de energía a la ciudad y otro que regresa. Tienen una resistencia combinada de R (sí, también tiene capacitancia e inductancia, pero eso es irrelevante para esta pregunta).

Digamos R = 10 ohmios

Si intenta enviar 100W a 100V, debe usar 1A. Entonces la potencia perdida en el cable es I ^ 2 * R = (1) ^ 2 * 10 = 10W.

Si intenta enviar los mismos 100W a 1000V, necesita usar 0.1A. Entonces la potencia perdida en el cable es (0.1) ^ 2 * 10 = 0.1W.

Menor pérdida = menos energía desperdiciada = buena.

Si estamos hablando de transportar corriente alterna trifásica a través de grandes distancias …

Esencialmente, cuando la electricidad se transmite desde la fuente (una central eléctrica, presa hidroeléctrica, parque eólico, etc.) a través de la red a los consumidores, en realidad estamos transmitiendo energía.

El poder viene dado por la expresión = V * I (como una expresión simplificada y no como una función del tiempo). Donde, V es el voltaje e I es la corriente.

Una cosa más para recordar, la impedancia durante la transmisión de potencia a través de la red es principalmente ‘resistencia óhmica pura’. Entonces, al sustituir ‘V’ en la expresión anterior de la ley de Ohm (V = Ir), tenemos

Potencia (P) = I * I * r; donde ‘r’ es la resistencia. Nosotros, usamos esta expresión para encontrar la pérdida de potencia durante la transmisión. La energía se pierde principalmente como calor.

La resistencia de un cable es casi constante. Pero, cuanto mayor sea la corriente en el cable, mayor será la pérdida, de hecho, ¡es proporcional al cuadrado de la corriente en el cable! Por lo tanto, reducir la corriente incluso un poco, nos daría un gran ahorro.

Puede ahorrar en la pérdida de calor optando por un cable de transmisión muy grueso, que reducirá la resistencia con seguridad, pero terminará aumentando el costo de los materiales, sin mencionar la mayor dificultad (y el costo, esa cosa sigue apareciendo) siempre!) de estructuras de soporte más pesadas. Pero, en cambio, es mucho más fácil reducir la corriente.

Volviendo a ‘P = V * I’; Si reduce la corriente en esta expresión y tuvo que mantener la potencia igual, la única alternativa que tiene es aumentar el voltaje. Y eso es lo que hacemos. Reducir el voltaje antes de que los consumidores lo usen se vuelve a hacer muy fácilmente.

Firstlt Debe conocer la carga del consumidor y la resistencia de los cables.

El punto es que la energía es el producto del voltaje y la corriente. Para transmitir la misma potencia a una carga de consumo, puede aumentar el voltaje y disminuir la corriente.

Si la luz en su casa necesita 100W, digamos 10A a 10V, esto puede transferirse directamente desde la planta de energía.

Digamos que el cable entre su casa y la planta tiene 10 Ohm. Si hunde 10 A de la planta, la planta debe proporcionar 110 V: a 10 A, se produce una caída de voltaje de 100 V en el cable, más los 10 V que necesita. Esto significa que consume 100W mientras que el cable desperdicia 1000W.

Ahora, digamos que su casa recibe 1000V.

¡Por supuesto, necesita un transformador para convertir el voltaje entregado al voltaje que necesita la luz!

La corriente consumida por la planta ahora es de solo 0.1A.

La caída de voltaje en el cable ahora es de solo 1V, lo que significa una pérdida de 0.1W para alimentar su luz de 100W. Esto es mucho mejor.

El punto es el uso del transformador que permite convertir voltajes y corrientes manteniendo la potencia:

U1⋅I1 = U2⋅I2 = const

Para bajar las pérdidas. La alta corriente genera más calor y necesita conductores gruesos para la transmisión. Bajar la corriente requeriría una menor cantidad de conductor, lo cual es económico.

La alta corriente genera más calor y requeriría materiales que no solo transmiten más corriente, sino que también toleran altas temperaturas. Una menor cantidad de conductores significa menos peso para que las torres puedan soportar. Por lo tanto, las torres se pueden construir con menos material y requerirían menos espacio (esto es importante especialmente para las torres en las regiones forestales, ya que resulta en una menor deforestación).

En resumen, es más económico y más eficiente transmitir potencia en baja corriente y alto voltaje.

Transmitir electricidad de esta manera es un uso eficiente de los materiales porque cuanto menor sea el voltaje y el consiguiente aumento de la corriente significaría aumentar el tamaño (diámetro) de cualquier conductor (cable). Los cables aéreos en el Reino Unido están hechos de aluminio ligero y transportan 400, 000 voltios de CA a baja corriente. Esto puede reducirse a 33,000 voltios a una corriente más alta cuando sea necesario para la industria pesada, luego a 11,000 voltios, etc.

Haz las matematicas. Para pérdidas iguales, igual potencia e igual distancia, el diámetro requerido de los cables es inversamente proporcional al voltaje. Por lo tanto, una línea de 10kV necesitaría cables de 50 veces el diámetro y 2500 veces el peso en comparación con una línea de 500kV, y las torres tendrían que ser mucho más pesadas. Por lo tanto, una línea de larga distancia de 10kV sería totalmente poco realista.

El alto voltaje es fácil de obtener, solo más vueltas en un transformador, y es una gran victoria para reducir las pérdidas de transmisión. Si duplica el voltaje, puede reducir a la mitad la corriente, y eso reduce las pérdidas en un factor de cuatro. O si triplica el voltaje, por un factor de nueve. Por lo tanto, vale la pena realmente, obtienes pérdidas más bajas y / o puedes usar un cable más delgado.

La electricidad se transmite a alto voltaje y baja corriente porque transmitirla a bajo voltaje y alta corriente requeriría cables muy, muy grandes.

La razón subyacente es que podemos entregar una gran cantidad de energía a largas distancias mediante el uso de cables de pequeño tamaño. Así es como funciona el sistema de transmisión de alto voltaje. Ejemplo: Uso de la Ley de Ohm P = I x E. Por simplicidad vamos a entregar una sola fase de 2 Megavatios de potencia desde un generador con un voltaje de salida de digamos 480v a una ciudad distante. En el generador, la corriente es I = P / E = 2,000,000 / 480 = 4166 amp. El tamaño del cable para dicha corriente será enorme y poco práctico, que es aproximadamente 100 veces el tamaño del cable en su hogar. Podemos reducir la corriente aumentando el voltaje con un transformador elevador que tenga una relación de 80. Entonces, el voltaje de transmisión sería 80 x 480 = 38.4 kvolts. Entonces la corriente solo será I = P / E = 2,000,000 / 38,400 = 51 a. Ahora podemos utilizar económicamente el mismo tamaño de cable en su hogar para transportar la energía a largas distancias. Nota: un sistema trifásico puede reducir el tamaño del cable aún más.

A2A

Esto se realiza en líneas de transmisión de larga distancia para minimizar las pérdidas de resistencia en los cables. Cuanto más baja es la corriente, más bajas son las pérdidas I ^ 2 R en los cables.