Uma rede típica usa linhas de 110 a 500 quilovolts para fornecer eletricidade a subestações que abaixam para 6 a 20 quilovolts e, em seguida, as linhas com essa tensão mais baixa chegam aos consumidores onde outras subestações estão localizadas que finalmente abaixam esses 6 a 20 quilovolts para o consumidor tensão (100 ou 230 volts ou qualquer que seja o padrão local).

Essas linhas de 110 a 500 kilovolt passam frequentemente pelas áreas em que esses consumidores estão localizados. Os consumidores podem ser conectados a essas linhas por meio de transformadores que aceitam, digamos, 110 quilovolts e produzem tensão no consumidor. Em vez disso, essas linhas correm para lugares distantes e, em seguida, outra linha de energia volta com alguma voltagem mais baixa e o consumidor é ligado a ela. Isso é muita fiação extra.

Qual o motivo deste design? Por que não conectar os consumidores à rede elétrica mais próxima?

HV (66kV - 500kV) é ... difícil de lidar.

Vou descrever as razões pelas quais consigo pensar do alto da minha cabeça.

Todos os números a seguir (pesos, dólares) são estimativas de estimativa de magnitude.

Afastamentos

Vamos usar 220kV como exemplo. A subestação australiana de alta tensão AS 2067 indica as seguintes folgas necessárias para equipamentos de 220kV:

• Fase à terra - 2100mm. Ou seja, nenhum condutor de 220kV pode estar a 2 metros de qualquer condutor aterrado (por exemplo, um tanque de transformador ou um poste de aço). Edit: Na verdade, eu deveria ter citado a Distância sem Flashover (N) aqui.
• Distância entre fases - 2.415mm. Ou seja, os condutores aéreos de 220kV devem estar pelo menos 2,4 m afastados o tempo todo.
• Distância de segurança horizontal - 4.125 mm. Todas as partes vivas devem estar pelo menos 4.125 mm acima de qualquer superfície em que uma pessoa possa se apoiar.
• Distância de segurança vertical - 3.565 mm.

Ou seja, não existe uma subestação 'compacta' de 220kV. (Bem, existem; subestações baseadas em painéis isolados a gás podem ser muito compactas, mas você não quer saber quanto elas custam.)

O tamanho mínimo para uma subestação de 220kV, contendo o equipamento necessário e mantendo todas essas folgas, é de pelo menos 20m × 20m quadrado, ou seja, o tamanho de um bloco de terra suburbano.

Teria também que ter estruturas com pelo menos 4 metros de altura, o que é difícil de combinar com a paisagem suburbana.

Além das folgas acima necessárias para impedir que as pessoas sejam eletrocutadas diretamente, você também precisa lidar com:

• Raio de segurança contra incêndio no caso de um transformador deixar cair 10.000 litros de óleo isolante e pegar fogo. De memória, pelo menos 10 metros.
• Raio em caso de explosão elétrica. O raio limite típico para receber queimaduras de segundo grau 'sobrevivíveis' pode exceder 10 metros para alguns tipos de falhas energéticas. Definitivamente, nenhuma habitação civil é permitida dentro deste raio.

Protecção

Uma falha na rede de 220kV deve ser eliminada rapidamente, ou isso levará toda a rede a um estado instável (ou seja, apagão.)

Esquemas de proteção muito caros (diferencial de linha com pilotos de fibra óptica, proteção à distância) são usados ​​para garantir essa alta velocidade de proteção. Esses esquemas de proteção devem ser instalados em todos os terminais da linha de 220kV.

Depois de contabilizarmos o custo de -

• Disjuntores de 220kV - cerca de US $ 200.000 cada, são necessários no mínimo três por subestação - dois para o circuito de entrada / saída que continua após a subestação e um para o desligamento = US $ 600.000
• dois conjuntos de transformadores de corrente de proteção trifásicos com classificação de 220kV e amplificadores contínuos "suficientes" - cerca de US $ 50.000 por conjunto (estimativa) = US $ 100.000
• dois conjuntos de relés de proteção - cada um com uma duplicata redundante - cerca de US $ 20.000 cada = US $ 80.000. (Nota: a proteção duplicada "X" e "Y" é padrão para subestações de alta tensão.)

... chegamos a cerca de US $ 780.000, apenas em equipamentos de proteção, por subestação. E nem começamos a comprar hardware de terminação de linha de transmissão, desviadores de sobretensão, barramentos, estruturas de suporte, terraplenagem, cercas, concreto, PLCs de controle, cabana de controle ...

(Compare a proteção do transformador de distribuição de 22kV, que geralmente é apenas um conjunto de fusíveis de interrupção de expulsão trifásicos, o custo total talvez US $ 2.000.)

Transformadores

Os transformadores de 220kV são grandes, devido a todo o isolamento necessário dentro deles para evitar o flashover. Não existe um transformador "pequeno" de 220kV - o menor que já vi tem 60 MVA e pesa cerca de 10 toneladas.

Transforme os transformadores típicos de pólo superior 22 / 0.415kV com classificação de 500kVA ou menos. O peso é importante porque há um limite máximo para o que você pode ter em cima de um poste de madeira. Eu não sou engenheiro estrutural, mas você certamente não gostaria de montar algo além de uma tonelada.

Isso é suficiente?

Um dos principais motivos é que essas linhas são para transmissão de longa distância e interligação de grandes redes.

Imagine uma estrada. Na maioria das vezes, eles saem a cada poucos quilômetros em áreas construídas e, às vezes, com mais freqüência do que um quilômetro em casos particularmente estranhos, mas, na maior parte dos casos, pretendem permitir viagens rápidas e eficientes a longas distâncias. Embora haja claramente casas e empresas próximas às rodovias, se cada uma tivesse sua própria onramp e offramp, os recursos de infraestrutura não apenas seriam significativos, mas toda vez que você tiver um problema com uma onramp ou offramp que acabe fechando uma seção ou faixa da estrada por um período de tempo, você afeta muitas, muito mais pessoas.

Se você começar a construir mais subestações, aumenta o risco de tempo de inatividade da linha de transmissão devido a problemas nas subestações.

Além disso, redes menores são realmente conectadas a várias redes maiores com comutadores, que às vezes são conectadas a mais de uma linha de transmissão com comutadores. Isso permite que um problema em qualquer linha ou grade seja roteado e resulta em perda de energia localizada no problema. As linhas de transmissão são mais difíceis e mais caras para trabalhar e reparar e são uma infraestrutura essencial para as redes elétricas nacionais. Quando as usinas de energia ficam off-line por qualquer motivo, as usinas de energia muito mais longe podem ocupar a folga devido a essas linhas.

Por fim, eletricamente, eles são balanceados em fases para a transmissão mais eficiente de eletricidade. Subestações e grades individuais são projetadas para que o fator de potênciaé o mais próximo possível de 1. Fatores de potência mais baixos resultam em perda de energia nas linhas e nos transformadores, o que requer condutores mais substanciais. Essas linhas não são destinadas a cargas CA de baixa correspondência. Os clientes industriais que se conectam às linhas de alta tensão geralmente precisam adicionar a correção do fator de potência se suas plantas não estiverem adequadamente equilibradas. Conectar uma casa ou vizinhança mais diretamente a uma linha de transmissão exigiria um investimento ainda maior na subestação necessária para atendê-los, para que as linhas de transmissão não sejam afetadas. Outras linhas de alta tensão mesclam muitos clientes com baixo fator de potência, mas, misturando pequenos usuários industriais (muitos motores) com usuários domésticos (muitas fontes de alimentação comutadas), as subestações podem equilibrar o fator de potência por um custo muito menor e instalações menores .

Eles realmente não foram projetados para pequenos consumidores.

Imagine se realmente fizéssemos isso, e tivéssemos linhas de energia passando por uma vizinhança ou ao lado, e todas as casas conectadas diretamente a essas linhas de energia em vez de uma subestação, seria muito bobo

Eu desenhei uma imagem para demonstrar o quão tolo pode ser:

Felizmente, os suecos construíram coisas muito melhores do que minhas habilidades de desenho:

A propósito, esses são os cabos telefônicos, eles podem se aproximar um pouco sem que coisas terríveis ocorram nos fios (e nas pessoas próximas).

Agora imagine que esses cabos são cabos de linha de força para serviços pesados. Imagine que você não poderia empacotá-los com tanta densidade e tivesse que dar folga individual a cada linha. Imagine os suportes adicionais para quando blocos de torre e prédios de apartamentos bloqueiam a linha de visão direta, estruturas adicionais ao longo do caminho para suportar todo o cabeamento adicional e o peso e a tensão necessários para mantê-lo no lugar.

Imagine o impacto que todos esses cabos de alta tensão para serviços pesados ​​têm na recepção e nas transmissões de rádio e nas inúmeras subestações de cada casa.

Eu desenhei outra foto, é uma pequena vila com linhas de energia adjacentes:

Poderíamos enterrar as linhas de energia na maior parte do caminho, mas isso é muito trabalhoso para estabelecer linhas de energia bem perigosas, tudo vai ficar muito caro (o que já é).

Uma solução simples seria que várias casas adjacentes compartilhassem um cabo e uma subestação. Estações de tamanho suficiente seriam baratas o suficiente para apoiar bairros inteiros, economizando em custos de construção e reduzindo o número de cabos. Tudo isso está começando a parecer familiar ...

Estou pensando mais que é devido à proteção do sistema. Se você desativar a transmissão e reduzi-la com êxito à tensão de sua casa, seria muito caro para a concessionária se ocorrer uma falha no local.

Também é econômico ter um sistema central protegendo o transformador central e a linha de transmissão principal. Além disso, o custo do transformador para diminuir a tensão da linha de transmissão de cerca de 69Kv, 138Kv, e assim por diante, para 120V, seria muito caro.

Portanto, possui benefícios técnicos e econômicos para ter o layout como é hoje.

Eu acho que é porque o objetivo principal de uma linha de alta tensão é a transmissão. Isso ocorre porque, em altas tensões, a energia perdida causada pelo I2R é menor do que a tensão mais baixa (para a mesma potência [W], tensão mais alta => corrente mais baixa)

Além disso, você pode conectar à linha de alta tensão usando um transformador, talvez 500 / 0,4 kV, que seria inaceitavelmente expansivo.