الفيزياء

خطوط التوتر العالي

2013 تبسيط علم الإلكترونيات

ستان جيبيليسكو

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الفيزياء

عندما تنتقل الطاقةُ الكهربائية في الأسلاك على مسافات طويلة، تبدد المقاومةُ الأومية في النواقل بعضاً من هذه الطاقة على شكل حرارة.

ويحاول المهندسون تقليل هذا الضياع في طريقتين. أولاً، يجعلون مقاومة الأسلاك دنيا باستعمال أسلاك ذات أقطار كبيرة مصنوعة من معادن ذات ناقلية ممتازة وبتحديد مسار خطوط الطاقة لجعلها أقصر ما يمكن.

ثانياً، يجعل المهندسون فولطيةَ خطوط النقل أعلى ما يمكن. ويسمي بعض الناس خطوط الطاقة طويلة المسافة وعالية الفولطية بخطوط التوتر العالي(High-Tension Lines) .

يمكننا أن نفهم لماذا تقلل الفولطيةُ العالية هدر خطّ نقل الطاقة عندما نتفحص المعادلة التي تربط بين القدرة والتيار والفولطية والمقاومة. ويُعطى هدر الطاقة بدلالة الفولطية والمقاومة على الشكل

Ploss = I2R

 

حيث يمثل Ploss القدرة (بالواط) المبدّدة في الخط على شكل حرارة و Iالتيار في الخط (بالأمبير) و R مقاومة الخط (بالأوم). من أجل مسافة معينة لخط النقل الكهربائي، لنعتبر أن قيمة R تبقى ثابتة. عندها، تتغير قيمة Ploss بالتناسب مع مربع التيار في الخط، أي يتعلق بالحِمْل الصافي(Net Load) – أي القدرة الكلية التي يطلبها كلّ المستهلكون النهائيون كمجموعة.

يتعلّق أيضاً تيارُ خط نقل الطاقة بفولطية الخطّ، فالتيار يتغير بالتناسب مع مقلوب الفولطية من أجل حِمْل قدرة ثابت ومعين. وتكون الصيغة

I = Ploss/E

حيث يمثل I تيار الخطّ (بالأمبير) و Plossالقدرة الكلية المطلوبة من قبل المستهلكين النهائيين (بالواط) وE فولطية الخطّ (بالفولط).

وعندما نستبدل هذه المعادلةَ بما يوافقها في المعادلة السابقة، نحصل على

Ploss = I2 R

= (Pload/E)2 R

= (Pload)2 R/ E2

 

من أجل أي قيمتين ثابتتين لـ Pload وR، تُقلّل مضاعفةُ E مقدارَ Ploss إلى ربع (25%) قيمتها السابقة، وإذا ما ضربنا فولطيةَ الخط بمعامل 10، يتناقص هدر طاقة الخط النظري إلى 1/100  (1%) من قيمته السابقة.

وبوضوح، يصبح ذا معنى أن نولِّد أعلى فولطية ممكنة إذا رغبنا في الحصول على نقلِ طاقةٍ كهربائيةٍ فعّالٍ على مسافة طويلة، فكلما زدنا الفولطية، "نحصل على جائزة مضاعفة"!

يمكننا تخفيض هدر خطّ الطاقة أكثر أيضاً باستعمال التيار المستمرّ عوضاً عن التيار المتناوب من أجل نقل بعيد المسافة، فالتيار المستمرّ لا يولد حقولاً كهرطيسية(Electromagnatic)  (EM) مثل التيار المتناوب، ما يشكّل مصدراً ثانياً من عدم فعالية خطّ الطاقة يُعرف بهدر الإشعاع الكهرطيسي (Radiation Loss) الذي يُزال باستعمال التيار المستمر.

 

ألا تزال تكافح؟

أثبت نقل طاقة التيار المستمر أنه صعب ومكلف في التنفيذ ويتطلب طاقةً عالية ومقوِّماتِ فولطيةٍ عاليةٍ في مصنع التوليد ومُبدِّلاتِ طاقةٍ من تيار مستمر إلى تيار متناوب في محطات التوزيع عندما تتفرع خطوط التوتر العالي إلى خطوط توتر منخفض محلية.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق
إغلاق