Tap ved elektrisk transport av energi

[metyo]

Hei! Har følgende spørsmål: "Hva er det som er avgjørende for overføringstapene i nettet?"

 

Jeg har følgende punkter så langt:

- Lengden på lederen

- Materialet av lederen

- Tversnittarealet av lederen

- Spenningen (P=UI=RI^2)

 

Finnes det noen andre punkter? Vær, klima, induksjon, osv. hva som helst?

 

[PROuser]

Temperatur

Is og snø på åpne ledere

Induksjon til metaller, særlig ved enkeltledere.

Vind er kjølende ved lavere temp.

Endret 10. november 2013 av PROuser

[Twinflower]

Kapasitans til jord og andre ledere.

Reaktans i lederen.

 

De to elemente vil vanligvis oppheve hverandre, men kapasitansen er jo tilstede selv om det ikke trekkes strøm i linja, ergo trekkes der kapasitiv strøm som gir aktive tap i form av varmeutvikling i lederne.

 

De induktive tapene som følge av induktansen i linja er egentlig helt pervers. Ettersom man bruker 50 Hz betyr det at strømmen endrer styrke og retning tilnærmet kontinuerlig, og enhver induktans vil motsette seg en slik endring ved å sette opp et motfelt. Dette krever en god del reaktiv strøm som fører til varmetap i linja. Den reaktive strømmen i seg selv krever ikke aktiv effekt fra turbin, men ettersom P=R*I^2 så blir det litt svinn i R-komponenten for å si det slik.

 

Både de kapasitive og induktive tapene kan elimineres ved å kjøre DC istedenfor AC, men dette koster en del penger i form av konverteringsstasjoner pluss at man faktisk får en del tap i konverteringsprosessen. Dette gjøres derfor (foreløpig) kun for ekstremt lange linjer på svært høy spenning eller ved sjøkabler.

 

En annen stor fordel med å kjøre DC er at man kan regulerer strømmen som går i den uavhengig av hva lassten trekker. Dette forutsetter selvsagt at det er andre forsyninger til lasten, men det er det alltid. DC forbindelser er alltid noe som kommer i tillegg.

Det er viktig å merke seg at lastreguleringen ikke kommer som direkte følge av at det er DC alene, men fordi man ved DC bruker kraftelektronikk som lar deg regulerer DC'en. Det er altså kraftelektronikken man justerer ved å regulerer pulsbreddemoduleringen av transistorene som "hakker til" AC'en i en eller begge endene av linja.

[Andrull]

Ikke direkte realtert til strømnettet, da de er få strømnett som har så ekstreme krav til strømmengden at det er lønnsomt. CERN har dog noen kilometer med slike kabler.

For ved å kjøle ned kobber til rundt -270 grader (flytende helium kan bli så kaldt), så vil den inta en superledende tilstand hvor den ikke lengre har noen resitiv motstand, og selv syltynne ledninger kan nå lede nesten "ubegrensede" mengder strøm uten tap.

 

Såkalt superleder.

[Twinflower]

Temperatur

Is og snø på åpne ledere

Induksjon til metaller, særlig ved enkeltledere.

Vind er kjølende ved lavere temp.

 

• Temperatur har marginal effekt på ledningsevnen i Norge.
• Skjønner ikke helt hvordan is og snø på lederne gir mer tap? Tvert i mot burde du vite at når metallet er kaldt å leder det bedre.
• Induksjon er internt i leder. Kapasitans er mot andre metalldeler og ledere.

[Luske_Ludvig]

Dersom trådstarter går på yrkesskole, så tror jeg oppgaven er enkel og innebærer ledningsevne og beregning av resiestiv effekttap.

 

Som andre her har nevnt, så har vi også kapasitivt tap.

 

Står noe om strømnett og ulike tap på wikipedia.

[Twinflower]

I så fall gjelder R = (rho*L)/A hvor R = resulterende resistans i kabel, rho = konstant for ledermaterialet, L = lengden på kabel (husk å ta hensyn til tur/retur i enkelte tilfeller), A = ledertverrsnitt.

 

Når du har R, så bruker man du den i "P = R * I * I" for å få effekttapet. I'en er gjerne maksimalt strømtrekk for linjen/kursen.

[metyo]

Tusen takk for bra innspill! For å presisere litt så har jeg bare to minutt for å presentere saken, så jeg må være presis og kortfattet. I utgangspunktet har jeg tenkt å fokusere nemlig på , hvor jeg forklarer hvordan dette ser ut på mikronivå, og deretter nevner litt om resistivitetskonstanten (rho), strømstetthet, og "Skin effect".

 

Til slutt har jeg tenkt å nevne noen andre faktorer som påvirker tapene.

 

- Temperatur: Er det slik at en leder vil alltid ha en bedre ledningsevne ved lavere temperaturer? (Jeg vet hva en superleder er, men har ikke tenkt å begynne å snakke om det). Hva skjer hvis vi øker temperaturen?

"Temperatur har marginal effekt på ledningsevnen i Norge." - Kan du gjerne utdype litt her?

 

- Det var litt vanskelig for meg å forstå det med kapasitive og induktive tap. Er det mulig å formulere det på en kort og forståelig måte? (Induktive tap - er det slik at det skjer når det blir indusert strøm i ledningen som setter opp et magnetfelt som i seg selv hindrer flyten av strømmen i ledningen og dermed resulterer til tap?)

Endret 10. november 2013 av metyo

[Twinflower]

Skin-effekt kan du bare se bort i fra. Selv på 50 Hz er den tilnærmet neglisjerbar.

 

Temperaturen i Norge er hovedsaklig lav, mellom 15 og -10 grader om man ser bort fra noen få dager/timer om sommeren og de verste kuldesjokkene i vinter. Det er mer problematisk i ørkener hvor man har 50-60 grader i ørkenen.

 

Temperatur har uansett lite å si i slike sammenhenger. Når det blir kaldt så øker dessuten strømforbruket såpass at det man har vunnet i økt lederevne forsvinner i dragsuget av P=R*I^2, Altså at det går så mye mer strøm som følge av økt oppvarming at en liten reduksjon i R er ubetydelig i forhold til den store økningen i I som i tillegg er kvadrert.

 

 

Induktive tap:

Alle ledninger har en reaktiv komponent. I lavspent anlegg har den veldig lite å si, men på overføringslinjer og i distribusjon så begynner denne komponenten å bli mye større enn den resistive komponenten (opptil ti ganger større).

 

Kapasitive tap:

Dette gjelder også overalt, men er stort sett neglisjerbart i hjemmet og typiske lavspenningsanlegg.

Poenget er uansett at alle ledere som er i nærheten av hverandre vil se på hverandre som ledende "plater" og dermed danne en kondensator. Jo større lederne er, jo større plateareal får man. Det samme gjelder bakken under linjen - den blir også en kondensatorplate.

Så lenge det er spenning på linja vil det altså være "virituelle" kondensatorer "overalt". For hver cm er det en liten kondensator mellom fase-fase og fase-jord (både linjejord og bakken under).

Summerer man de sammen får man en komponent som trekker en del strøm når linja ellers er strømløs.

 

kapasitive tap blir "spist opp" av induktive tap, og ved linjer er de kapasitive tapene mye mindre enn de induktive. Ved kablet overføring er kapasitansen mye, mye større (kortere avstand mellom ledere og jord), så der kan de faktisk oppheve hverandre ved bestemte belastninger).

[metyo]

Ok, takk for svar. Nå skjønner jeg litt bedre induktive og kapasitive tap. Vanligvis så balanserer de hverandre, rett og slett. Men kan jeg si at: "Induktive tap à oppstår når den elektromagnetiske feltet rundt lederen passerer gjennom noen nærliggende metallgjenstand og en strøm blir indusert i gjenstanden. Den induserte strømmen setter opp et motfelt, og det fører til tap av elektrisk energi." ??

[Twinflower]

Ok, takk for svar. Nå skjønner jeg litt bedre induktive og kapasitive tap. Vanligvis så balanserer de hverandre, rett og slett. Men kan jeg si at: "Induktive tap à oppstår når den elektromagnetiske feltet rundt lederen passerer gjennom noen nærliggende metallgjenstand og en strøm blir indusert i gjenstanden. Den induserte strømmen setter opp et motfelt, og det fører til tap av elektrisk energi." ??

 

Nei, nei, nei. Det må du ikke finne på å si!

 

 

Du kan heller lire av deg noe slik:

 

I alle strømførende ledninger eller liner vil det oppstå et magnetisk kraftfelt som roterer rundt linen. Det er strømmen i linen som induserer dette magnetiske feltet rundt seg. Magnetfelt blir beskrevet som induktansen til linen og er et usynlig magnetisk felt som skapes i luften rundt linene.

Rotasjonsretningen til dette feltet er gitt av strømmes retningen igjennom linen. Dette beskrives best ved høyrehåndsregelen som vist under:

 

Forskjellen mellom det elektriske feltet som går inn i linen og det magnetiske feltet er at det magnetiske feltet roterer rundt det elektriske feltet inne i linen. Det elektriske feltet går fra en positiv nordpol til en negativ sydpol i generatoren og danner en krets. Man kan si at størrelsen til det magnetiske feltet er et produkt av strømmen inne i linen.

 

L=λ\I

 

L= Induktansen [Henry]

λ= Styrken til Magnet feltet [Weber]

I= Strømmen i linen [Ampere]

 

Strømmen og den magnetiske fluksen ϕ avhenger sterkt av hverandre. Formelen for størrelsen til fluksen kan også uttrykkes ved formelen:

 

dϕ/dt = L di/dt

 

 

Det oppstår også et magnetisk felt i hver enkelt kordel i linen. Dette lager i tillegg til det ytre magnetiske feltet et egent indre magnetisk felt rundt kordelene. Størrelsen på denne indre induktansen er liten i forhold til den ytre induktansen. Magnetfeltet kan beskrives med blant annet Maxwells likning (de trenger du ikke gå inn på da det er langt langt langt forbi pensumet ditt).

Bare nevn at den totale indre induktansen til linen er summen av alle disse små induktansene i kordelene lagt sammen til en indre induktans.

 

 

Forklar også at feltstyrken avtar med økt tverrsnitt til kordelene. Og at også strømmen er avgjørende for intensiteten til induktansen. Dette betyr at strømmen og de fysiske størrelsene på kordelene er med å påvirke linens induktans. Har man en hel kordel som line vil den indre induktansen blir borte. Kordelfasonger som er mer firkantet, pakker seg bedre sammen og tillater mindre luft i mellom hver enkelt kordel. Det vil også redusere den indre induktans.

 

Den letteste måten å få ned tapene på er ved å øke spenningen for å redusere strømmen i linen. Dette er to observasjoner som er meget nyttige å ha med seg da induktansen i høyspenningsnettet ofte er opp til 10 ganger størrelsen til resistansen.

Til vanlig er man mest interessert i den ytre induktansen som skapes i luften rundt linen da denne er av betydelig størrelse i forhold til den indre induktansen. Det er stor forskjell på den indre og ytre induktansen og det er vanskeligere å gjøre noe med den ytre induktansen uten å redusere strømmen eller påvirke magnetfeltet med et annet magnetfelt. Siden magnetfeltet går i luften og ikke i et metall må permeabiliteten μ0 til luft ganges inn. Det er her den store forskjellen ligger (Det er derfor liner som pakker kordelene mer sammen har mindre luft også har noe lavere induktans) Det sees bort ifra skinneffekten som oppstår i et vekselstrømsnett da denne er så liten ved 50 Hz.

 

 

Bx blir da feltstyrken til det induserte feltet en gitt avstand x gjennom luft fra kordelens ytterkant Hx. Man kan si det slik at der Hx slutter begynner Bx .

Permeabiliteten til luft er å se på som det samme som vakuum og er oppgitt til μ 0 = 4π*10^-7 H/m.

Luften fungerer som en kraftig barriere da magnetfeltet reduseres med den økt avstand fra linen. Magnetfeltet er derfor sterkest inntil lineoverflaten. Dette er illustrert her:

 

Man kan se at avstanden mellom de magnetiske fluksringene blir større og større med økt avstand fra linen. Dette symboliserer et svakere felt rundt linen med økt avstand. Legg merke til pilene som roterer mot klokka, strømmen går ut av planet.

 

 

 

Det skal nå forklares hvorfor dette magnetiske feltet fører til økt overføringstap på linestrekket og hvorfor dette tapet er det definitivt største ved vanlig drift (her starter det essensielle).

Magnetfeltet rundt linen får linen til å virke som en spole. Dette betyr at spolen motsetter seg strømendringer i gjennom linen. Spenningen og strømmen retning 100 ganger i sekundet. Det er denne konstante forandringen som induktansen i linen motsetter seg. I SINTEF sitt datablad er induktansen oppgitt til en fast verdi og effekten som frigis i linen blir beskrevet som P=X*I^2 hvor X er angitt i ohm pr kilometer.

Dette er da økningen i "resistansen" i linjen som induktansen gir i form av å motsette seg strømmens forandring i linen.

 

Når spenningen skifter retning i andre halvdel av perioden skal også strømmen ideelt sett forandre retning og følge spenningen. Det er spenningen som bestemmer strømretning i linen. Denne forandringen i strømmen motvirkes av det induserte magnetfeltet rundt linen som nekter strømmen å snu med spenningen. Dette skaper en forsinkelse mellom spenningen og strømmen. Denne faseforskyvning oppstår i linen hver gang spenningen snur og prøver å snu strømretningen, altså 100 ganger i sekundet da frekvensen er 50 Hz. Resultatet blir da at spenningen snur retning i linen mens strømmen fortsetter som før, men nå mot spenningen. Så lenge det magnetiske feltet har energi nok lagret opp i seg vil den prøve å hindre en forandring i strømmen. Magnetfeltet induserer en ny

spenning inne i linen som nå driver elektronene mot nettspenningen helt til magnetfeltet dør ut. Da har all energien blitt tilbakeført til linen. Magnetfeltet har nå levert tilbake energien den tok opp i første halvdel av sinusperioden.

 

Det kreves ekstra energi fra nettet for å motvirke magnetfeltet rundt linen. Etter at det magnetiske feltet har dødt helt ut og strømmen igjen begynner å gå i riktig retning med nettspenningen lades induktansen opp igjen på nytt rundt linen og magnetfeltet roterer med strømretningen. Dette krever også energi som må hentes fra linen. Den energien som lagres opp i linen er den samme som lades ut mot spenningen igjen. Når spenningen igjen snur med frekvensen i tredje halvdel skjer denne syklusen om igjen. Dette fører til store overføringstap linen og en kraftig økning av resistansen som skyldes at de frie elektronenes økte kollisjoner inne i linen da nettspenningen motarbeider seg dem. Denne økte resistansen i linen fører til ekstra varmeutvikling som også øker resistansen som tidligere nevnt.

 

Magnetfeltet kan også sees på som et usynlig svinghjul som roterer rundt linen. Svinghjulet har da et treghetsmoment. Når strømmen går igjennom linen brukes energi på å spinne opp hastigheten på svinghjulet. En stor strøm fører til en høyere hastighet enn en liten strøm. Når spenningen snur må svinghjulet bremses opp helt for å kunne spinne i den andre retningen. Treghetsmomentet i svinghjulet krever energi for å stoppe og ny energi for og akselereres opp igjen andre veien. Slik fortsetter prosessen.

 

Da frekvensen på 50Hz ikke er mulig for energiselskapene å gjøre noe med, er en reduksjon i strømmen det absolutt beste alternative for å redusere induktansen. Det er også andre måter å redusere induktansen på ved å kjøre sammen linen i større bunter, men en strømreduksjon er det absolutt beste alternativet.

 

Oppbunting av liner: (digresjon)

Det kan se ut til at en enkel måte og redusere magnetfeltet som skaper induktansen i linen er å bunte opp linene sammen i et oppheng. Opphenget består da av flere liner som vist i figur 46. Det er mulig å lage oppheng med bunter på opp til seks eller åtte liner sammen. Her bunter man sammen en og en fase i luftstrekket for å forbedre de elektriske egenskapene med hensyn på overføringstapene. Hensikten er å redusere magnetfeltet til linene ved å oppheve dem mot hverandre. Dette skjer da magnetfeltene roterer i samme retning rundt hver enkelt line i bunten, men feltet roterer motsatt retning på innsiden av bunten. Dette fører til at magnetfeltene kansellerer hverandre ut på innsiden slik som kordelene i en line gjør, noe som gir en reduksjon av induktansen på linestrekket og øker kapasitansen mot jord noe. Den økte kapasitansen skyldes linens økte areal mot omgivelsene. Dette reduserer også induktansen da disse to også motvirker hverandre.

(Oppbunting av liner)

 

Når line buntes sammen må de holdes fra hverandre med spesielle buntet dempere som vist over. Disse er elastiske og tar derfor opp noe av påkjenningene som vær og vind utsetter linen for.

 

Figuren over viser tydelig hvordan magnetfeltene går i motsatt retning på innsiden av bunten.

[metyo]

Tusen takk for et så omfattende og detaljert svar. Jeg skal se på det en gang til imorgen, og tenke gjennom hva kan jeg ta ut fra det i mine 2-minuttene.

[Twinflower]

Takk for det.

 

Husk også å forandre evt tittel til "tap ved transport av elektrisk energi". Det er ingenting som heter "elektrisk transport" med mindre du snakker om elbiler og slikt

[Andrull]

Takk for det.

 

Husk også å forandre evt tittel til "tap ved transport av elektrisk energi". Det er ingenting som heter "elektrisk transport" med mindre du snakker om elbiler og slikt

Hehe, det var jo en meget god ide. Å begynne å overføre elektrisitet i el-biler, eller kanskje store El-lastebiler. :-P

En kjempemessig forretningside. ^^

[metyo]

Hehe ja takk. Det var litt dårlig formulert ja, har ikke tenkt å bruke det nei.

[metyo]

Jeg har et spørsmål til: "Forklar kort hva ulike nivåer i spenning og strøm betyr for utstyr (komponenter) som overfører el eller som benytter seg av el."

På hvilke punkter burde man fokusere her? (Jeg tenker f.eks umiddelbart på isolasjon)

[Twinflower]

Ja, isolasjonsavstander, isolatorer, faseavstander, sikkerhet til personnel, etc.

[PROuser]

Hvordan beregnes tapet i sjøkabel/sjøen, hvis minus går i vannet?

[Twinflower]

Hvordan beregnes tapet i sjøkabel/sjøen, hvis minus går i vannet?

 

Minus går ikke i vannet. Hvorfor skulle vi kastet bort milliarder av kroner på å varme opp havet?

[Simen1]

Ikke direkte realtert til strømnettet, da de er få strømnett som har så ekstreme krav til strømmengden at det er lønnsomt. CERN har dog noen kilometer med slike kabler.

 

For ved å kjøle ned kobber til rundt -270 grader (flytende helium kan bli så kaldt), så vil den inta en superledende tilstand hvor den ikke lengre har noen resitiv motstand, og selv syltynne ledninger kan nå lede nesten "ubegrensede" mengder strøm uten tap.

 

Såkalt superleder.

Fortsatt en digresjon, men det største energitapet ved superledere er som regel energien som går med til kjøling. Derfor egner de seg mest i forholdsvis kompakte enheter. En km superleder i en spole er for eksempel mye mindre energikrevende å kjøle enn en km superleder i et langt strekk.