Jak do naszych domów trafia prąd, który oświecił nasze czasy.

Elemencik 
Cotygodniowa porcja wiedzy

Myślę, że każdy dobrze wie, że prąd powstaje w elektrowniach. Jednak jeśli powstaje w elektrowni, to skąd prąd znajduje się w naszym gniazdku? Pewnie wielokrotnie widzieliście wysokie betonowe słupy, połączone ze sobą kablem, który wędruje od jednego do drugiego i tak przez wiele kilometrów. Dla Was na wstępie wyjaśnię różnicę między kablem, a przewodem. Najprościej ujmując kabel to twór złożony z jednego lub kilku izolowanych przewodów, które są zaledwie prostymi elementami obwodów elektrycznych. Tutaj będę używał określenia „linia”, gdyż o liniach wysokiego(ale też niskiego) napięcia będę mówić w tym artykule.

Straty mocy na drodze przesyłu prądu

Czy to nie jest tak proste, że prąd generowany w elektrowniach trafia wprost do naszych domów?

Otóż nie, gdyż było by to nieopłacalne...

Przykład:
Wyobraźmy sobie ze prąd to czereśnie w worku, które należy zanieść z sadu, czyli źródła ich pochodzenia do domu. W worku jest dziura i po drodze gubimy czereśnie, a im dalej do domu tym więcej ich zgubimy.

Podobnie jest z mocą prądu. Przesyłowi prądu towarzyszy wydzielanie się ciepła, które to jest zużywane na ogrzanie przewodu, co wiąże się ze wzrostem oporu, który ogranicza wartości prądów, czyli także mocy prądu. Im dalej prąd musi być przesłany tym większe straty jego mocy.
Korzystamy ze wzoru na moc w najbardziej prostej postaci czyli moc jest równa iloczynowi napięcia i natężenia:

P =U * I

Oznaczenia:

P – moc
U – napięcie
I – natężenie

Na pierwszy rzut oka widać, że jeżeli chcemy zachować dużą moc ograniczając natężenie, musimy zastosować wysokie napięcie. Dzięki takiemu rozwiązaniu zmniejsza się spadki mocy na drodze przesyłu. Oczywiście ktoś mógłby powiedzieć, że wystarczy zmniejszyć opór linii przesyłowej i otrzymamy ten sam efekt. Owszem jest to możliwe ale nie ekonomiczne, gdyż problematyczne byłoby schładzanie linii, a kosztowne tworzenie przewodów o większych przekrojach. [1]

Z czego są wykonane przewody w liniach przesyłowych?

Zastanówcie się i odpowiedzcie sobie z czego wykonywane są przewody w liniach przesyłowych? Bardzo dobrymi przewodnikami są złoto srebro czy platyna, ale oczywiście są to materiały zbyt kosztowne!

Teraz pewnie obstawiacie miedź… Tutaj niespodzianka, ponieważ miedź jest również postrzegana jako materiał deficytowy, jako zamiennik stosuje się przewody aluminiowe oraz stalowo-aluminiowe.
Miedź wykorzystywana jest jest jedynie do przekrojów jednodrutowych ograniczonych przekrojem 10mm²

 

Tabela 1. Linie przesyłowe w krajowym systemie energetycznym

 

Linia średniego napięcia; fotografia-Piotr Kałuziak

 

Linia najwyższego napięcia

Sieci o najwyższym napięciu przeznacza się do przesyłu mocy wprost z elektrowni. Należy dodać, że energia generowana w elektrowniach jest niemożliwa do zmagazynowania, więc jej wytwarzanie przesył i przetwarzanie odbywa się  w tym samym czasie. Energia wyprodukowana, jest oddawana od razu do sieci, a po przebyciu drogi przesyłu po odliczeniu strat, jest przetwarzana w naszych domach.[2]
Prąd dociera do nas z wartością napięcia taką jaka jest nam potrzebna. Mogą to być wartości wysokie, średnie jak i niskie w zależności od potrzeb.

Wymieniłem różne typy napięć, ale nie wyjaśniłem jak są one zmieniane z jednych w drugie. Możliwe jest to dzięki urządzeniu zwanym transformatorem(nie mylić z transformersem, który jest robotem rodem z Sci-Fi) 🙂

Transformator

Transformator sam w sobie jest prostym urządzeniem, gdyż składa się z stalowego rdzenia, który przewodzi strumień magnetyczny oraz dwóch cewek. Cewki nie posiadają połączenia elektrycznego między sobą, więc cała energia przekazywana jest za pomocą pola magnetycznego.
Po krótce opiszmy sobie zasadę działania. Jedna z cewek nazywana uzwojeniem pierwotnym, zostaje podłączona do źródła prądu przemiennego. Prąd przemienny odpowiada za powstawanie zmiennego pola magnetycznego. Idąc związkiem przyczynowo-skutkowym zmienny strumień magnetyczny przewodzony przez rdzeń przepływa przez cewkę zwaną uzwojeniem wtórnym, co wywołuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej. W Uzwojeniu wtórnym powstaje napięcie.

Idealizując zagadnienie na potrzeby teoretyczne, czyli odrzucając wszelkie straty energetyczne opisano wzór nazywany przekładnia transformatora, który prezentuje się następująco:

U_we/U_wy=I_wy/I_we=n_we/n_wy

Indeks we oznacza wielkości parametrów w cewce pierwotnej, a indeks wy w cewce wtórnej

Dodatkowo zapisuje się zależność mówiącą, że moc na wejściu i wyjściu transformatora nie zmienia się.

P_we=P_wy

Podsumowując, zwiększając napięcie ograniczamy natężenie, czyli także straty mocy podczas, starając się zachować moc początkową, a jest to możliwe dzięki różniej liczbie zwojów tworzących cewkę określanych w powyższych wzorach przez symbol n. [1][2]

Pierwszy transformator w linii energetycznej znajduje się już w samej elektrowni, aby podwyższyć napięcie wychodzące z elektrowni.

Rozdzielnie transformatorów

Wiemy już że są transformatory, linie przesyłowe o różnych wartościach napięć, ale to jeszcze nie wyczerpuje zagadnienia, bo przecież jakby się rozejrzeć nie obserwujemy nigdzie samych transformatorów, dlaczego? A dlatego, że w okolicach fabryk, domów, wszystkiego co potrzebuje określonego napięcia, są one ukryte w strukturach zwanych rozdzielniami transformatorowymi. Istnieje kilka rodzajów takich rozdzielni, które chcę wam przybliżyć.

Dawniej rozdzielnie były umieszczane w ceglanych wieżach, konstrukcje te są już rzadko spotykane aczkolwiek wciąż używane.

Rozdzielnia wieżowa; fotografia-Piotr Kałuziak

Jak widać za więżą znajduję się słup, z którego do rozdzielni doprowadzany jest prąd średniego napięcia, a z rozdzielni do najbliższych domostw wychodzą linie o napięciu niskim.

Postęp technologiczny

Wraz z postępem technologicznym zaprzestano obudowywania rozdzielni i odpowiednio zabezpieczone umieszczano je na samych słupach skąd nazwa „napowietrzne słupowe stacje transformatorowe”. Taką stacje widzimy na kolejnej fotografii:

Obecnie najpowszechniejszymi stacjami są stacje kontenerowe, umieszczane przy osiedlach mieszkalnych przy lub na terenach zakładów pracy. Całość odgrodzono od zewnątrz metalową lub betonową zabudową o szarym kolorze.

Ciekawostka:
Zdarza się, ze za zgodą władz miejskich stacje są malowane, aby wpasować się design otoczenia.

Rozdzielnia kontenerowa; https://www.egsystem.pl/images/stacja-betonowa.jpg.

 

Rozdzielnia słupowa

Widzimy na zdjęcie poniżej transformatory słupowe, do których doprowadzono liniami przesyłowymi napięcie, ale z nich w żadnym widocznym kierunku nie odchodzą kolejne linie, więc gdzie jest nasz prąd?

Na drugim zdjęciu widzimy wyraźnie skrzynkę z napisem „Rozdzielnia nn” Znajduje się ona również na pierwszym zdjęciu i to właśnie przez nią przechodzi prąd, aby kablami ukrytymi pod zmienią trafia do docelowego miejsca użytkowania.

 

Rozdzielnia słupowa; fotografia-Piotr Kałuziak

Teraz już wiecie skąd mamy prąd w gniazdku. Tak oto w najbardziej uproszczonym wydaniu kształtuje się droga prądu od miejsca jego wytworzenia do naszych urządzeń, gdy dla nas to zaledwie pstryknięcie przełącznika, bądź wpięcie wtyczki do gniazdka.

Drodzy czytelnicy!

Napiszcie w komentarzu, czy temat jest dla Was ciekawy!
Gdybyście mieli do tej treści pytania, albo chcieli poznać więcej szczegółów o elektryczności i dlaczego mamy prąd w gniazdku to piszcie do nas na adres: elementum.edu@gmail.com
A tym czasem ELEMENTUM życzy wam świetlistego życia i dużo sukcesów w nowym roku szkolnym 🙂

Na koniec pamiętaj o tym…

• aby być na bieżąco z naukową wiedzą śledź nasz fanpage FB.
• że jeśli zainteresował Cię temat i chciałbyś dowiedzieć się więcej lub przygotować się do matury z fizyki to zapraszamy do umówienia się na lekcję z fizyki(korepetycje fizyka) do naszego eksperta!

Autor: Piotr Kałuziak, ELEMENTUM

Bibliografia

1. Kahl Tadeusz. Sieci elektroenergetyczne. Warszawa : Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1984.
2. Wasiak Irena. Elektroenergetyka w zarysie; Przesył i rozdział energii elektrycznej. Łódź : Politechnika Łódzka, 2010.