Sebuah jaringan tipikal menggunakan 110..500 kilovolt jalur untuk mengirimkan listrik ke gardu induk yang lebih rendah ke 6..20 kilovolt dan kemudian saluran dengan tegangan yang lebih rendah sampai ke konsumen di mana gardu lain berada yang akhirnya menurunkan 6-20 kilovolt ke konsumen. tegangan (100 atau 230 volt atau apa pun standar lokal).

Garis 110..500 kilovolt itu sering melewati daerah di mana konsumen berada. Konsumen dapat dihubungkan ke saluran-saluran tersebut melalui transformator yang menerima katakanlah 110 kilovolt dan menghasilkan tegangan konsumen. Alih-alih jalur tersebut berjalan ke suatu tempat yang jauh dan kemudian saluran listrik lain berjalan kembali dengan tegangan yang lebih rendah dan konsumen terhubung ke yang terakhir. Itu banyak kabel ekstra.

Apa alasan desain ini? Mengapa tidak menghubungkan konsumen ke saluran listrik terdekat?

HV (66kV - 500kV) ... sulit untuk ditangani.

Saya akan mengemukakan alasan yang bisa saya pikirkan dari atas kepala saya.

Semua angka yang mengikuti (bobot, dolar) adalah perkiraan waktu urutan-besarnya.

Kelonggaran

Mari kita gunakan 220kV sebagai contoh. Standar gardu HV Australia AS 2067 menominasikan izin berikut yang diperlukan untuk peralatan 220kV:

• Fase ke bumi - 2100mm. Artinya, tidak ada konduktor 220kV yang mungkin berada dalam jarak 2 meter dari konduktor yang dibumikan (katakanlah, tangki transformator, atau tiang baja). Sunting: Sebenarnya, saya seharusnya mengutip Non Flashover Distance (N) di sini.
• Jarak fase ke fase - 2,415mm. Artinya, konduktor udara 220kV harus terpisah setidaknya 2,4 m setiap saat.
• Jarak aman horizontal - 4.125mm. Semua bagian aktif harus sekurangnya 4,125mm di atas permukaan yang bisa ditinggali.
• Jarak aman vertikal - 3,565 mm.

Artinya tidak ada yang namanya gardu 220kV 'kompak'. (Ya, ada; gardu yang didasarkan pada switchgear yang diinsulasi gas bisa sangat kompak, tetapi Anda tidak ingin tahu berapa biayanya.)

Ukuran minimum untuk gardu 220kV, yang berisi peralatan yang diperlukan dan mempertahankan semua kelonggaran ini, setidaknya seluas 20 mx 20 m persegi, yaitu ukuran blok tanah pinggiran kota.

Itu juga harus memiliki struktur setidaknya 4 meter, yang sulit untuk berbaur dengan lanskap pinggiran kota.

Selain izin yang diperlukan untuk mencegah orang tersengat listrik secara langsung, Anda juga harus bersaing dengan -

• Jari-jari keselamatan kebakaran jika transformator menjatuhkan 10.000 liter minyak isolasi dan terbakar. Dari memori, setidaknya 10 meter.
• Radius jika terjadi ledakan listrik. Radius ambang batas tipikal untuk menerima luka bakar tingkat dua yang 'dapat bertahan' dapat melebihi 10 meter untuk beberapa jenis gangguan yang energetik. Jelas tidak ada perumahan sipil yang diizinkan di dalam radius ini.

Perlindungan

Kesalahan pada jaringan 220kV harus dibersihkan dengan cepat, atau itu akan membuat seluruh jaringan menjadi tidak stabil (yaitu pemadaman.) 'Waktu pembersihan kesalahan kritis' untuk menghindari pemadaman biasanya jauh lebih sedikit dari 1 detik.

Skema perlindungan yang sangat mahal (garis diferensial dengan pilot serat optik, perlindungan jarak) digunakan untuk memastikan kecepatan perlindungan yang tinggi ini. Skema perlindungan ini harus dipasang di setiap terminal jalur 220kV.

Setelah kami memperhitungkan biaya -

• Pemutus sirkuit 220kV - masing-masing sekitar $ 200.000, minimal diperlukan tiga per gardu - dua untuk sirkuit masuk / keluar yang terus melewati gardu, dan satu untuk T-off = $ 600.000
• dua set transformator arus proteksi tiga fase dengan nilai 220kV, dan ampli kontinyu "cukup" - sekitar $ 50.000 per set (rata-rata) = $ 100.000
• dua set relay perlindungan - masing-masing dengan duplikat berlebihan - masing-masing sekitar $ 20.000 = $ 80.000. (Catatan: perlindungan duplikat "X" dan "Y" adalah standar untuk gardu induk HV.)

... kita mencapai sekitar $ 780.000, hanya dalam peralatan perlindungan, per gardu. Dan kami bahkan belum mulai membeli perangkat keras terminasi saluran transmisi, surge diverters, busbar, struktur pendukung, pengerjaan tanah, pagar, beton, PLC kontrol, pondok kontrol ...

(Bandingkan perlindungan transformator distribusi 22kV, yang biasanya hanya satu set sekering putus fase pengusiran tiga fase, total biaya mungkin $ 2.000.)

Transformer

Trafo 220kV berukuran besar, karena tidak semua isolasi diperlukan di dalamnya untuk mencegah flashover. Tidak ada yang namanya transformator 220kV "kecil" - yang terkecil yang saya lihat diberi nilai 60 MVA dan berat sekitar 10 ton.

Kontras tipikal transformer puncak-top 22 / 0.415kV yang berperingkat 500kVA atau kurang. Bobotnya penting karena ada batas maksimum untuk apa yang bisa Anda miliki di atas tiang kayu. Saya bukan insinyur struktural, tetapi Anda tentu tidak ingin memasang tiang lebih dari satu ton.

Apakah itu cukup alasan?

Alasan utama adalah bahwa saluran ini untuk transmisi jarak jauh dan menghubungkan jaringan besar.

Bayangkan sebuah jalan raya. Sebagian besar mereka telah keluar setiap beberapa mil di daerah yang dibangun, dan kadang-kadang lebih sering dari satu mil dalam kasus-kasus khusus, tetapi untuk sebagian besar titik mereka dimaksudkan untuk memungkinkan perjalanan yang cepat dan efisien dari jarak jauh. Meskipun jelas ada rumah dan bisnis di dekat jalan raya, jika masing-masing memiliki onramp dan offramp masing-masing, tidak hanya sumber daya infrastruktur akan signifikan, tetapi setiap kali Anda memiliki masalah dengan onramp atau offramp yang akhirnya menutup bagian atau jalur jalan bebas hambatan untuk periode waktu Anda berdampak banyak, lebih banyak orang.

Jika Anda mulai membangun lebih banyak gardu, Anda meningkatkan risiko waktu henti untuk saluran transmisi karena masalah gardu induk.

Selanjutnya, kisi-kisi yang lebih kecil sebenarnya terhubung ke beberapa kisi yang lebih besar dengan sakelar, yang kemudian kadang-kadang terhubung ke lebih dari satu saluran transmisi dengan sakelar. Hal ini memungkinkan masalah pada setiap jalur atau kisi yang akan dirutekan, dan mengakibatkan hilangnya daya yang dilokalisasi ke masalah tersebut. Jalur transmisi lebih sulit dan lebih mahal untuk dikerjakan dan diperbaiki, dan merupakan infrastruktur tulang punggung yang penting untuk jaringan listrik nasional. Ketika pembangkit listrik menjadi offline karena alasan apa pun, pembangkit listrik yang jauh lebih jauh dapat mengambil kendur karena garis ini.

Terakhir, secara elektrik mereka seimbang fase untuk transmisi listrik paling efisien. Masing-masing gardu dan kisi dirancang sedemikian rupa sehingga menjadi faktor dayasedekat mungkin dengan 1. Faktor daya yang lebih rendah mengakibatkan hilangnya energi pada saluran dan transformator, yang membutuhkan konduktor yang lebih besar. Saluran ini tidak dimaksudkan untuk beban AC yang tidak cocok. Pelanggan industri yang terhubung ke saluran tegangan tinggi sering harus menambahkan koreksi faktor daya jika pabrik mereka tidak seimbang dengan baik. Menghubungkan rumah atau lingkungan lebih langsung ke saluran transmisi akan membutuhkan investasi yang lebih besar di gardu yang diperlukan untuk melayani mereka sehingga saluran transmisi tidak terpengaruh. Saluran tegangan tinggi lainnya menggabungkan banyak pelanggan dengan faktor daya yang buruk, tetapi dengan mencampur pengguna industri kecil (banyak motor) dengan pengguna rumahan (banyak mengganti pasokan listrik) gardu dapat menyeimbangkan faktor daya untuk biaya yang jauh lebih rendah dan fasilitas yang lebih kecil .

Mereka benar-benar tidak dirancang untuk konsumen kecil.

Bayangkan jika kita benar-benar melakukan ini, dan kita memiliki kabel listrik yang melewati sebuah lingkungan atau di samping, dan setiap rumah terhubung langsung ke kabel listrik ini daripada sebuah gardu, itu akan sangat konyol

Saya membuat gambar untuk menunjukkan betapa konyolnya itu:

Untungnya, Swedia membangun segalanya jauh lebih baik daripada keterampilan menggambar saya:

Omong-omong, itu adalah kabel telepon, mereka bisa agak dekat tanpa hal-hal buruk yang mengerikan terjadi pada kabel (dan orang-orang di dekatnya).

Sekarang bayangkan kabel-kabel itu adalah kabel saluran listrik tugas berat. Bayangkan Anda tidak dapat mengemasnya begitu padat dan harus memberikan setiap garis izin individu. Bayangkan dukungan tambahan untuk ketika menara blok dan bangunan apartemen memblokir garis pandang langsung, struktur tambahan di sepanjang jalan untuk mendukung semua kabel tambahan dan berat dan ketegangan yang diperlukan untuk menahannya di tempat.

Bayangkan dampak semua kabel tegangan tinggi tugas berat ini terhadap penerimaan dan transmisi radio, dan banyak gardu mikro untuk setiap rumah.

Saya membuat gambar lain, itu adalah sebuah desa kecil dengan kabel listrik yang berdekatan:

Kita bisa mengubur kabel listrik sebagian besar, tapi itu banyak menggali untuk meletakkan kabel listrik yang cukup berbahaya, semuanya akan menjadi sangat mahal (yang sudah ada).

Solusi sederhana adalah agar beberapa rumah yang berdekatan berbagi kabel dan gardu. Stasiun dengan ukuran yang cukup akan cukup murah untuk mendukung seluruh lingkungan sekaligus menghemat biaya konstruksi dan mengurangi jumlah kabel. Ini semua mulai terdengar asing ...

Saya lebih berpikir bahwa itu karena perlindungan sistem. Jika Anda menekan transmisi dan berhasil menurunkannya ke tegangan rumah tangga Anda, itu akan sangat mahal untuk utilitas jika terjadi kesalahan di lokasi Anda.

Juga hemat biaya untuk memiliki sistem pusat yang melindungi transformator pusat, dan saluran transmisi utama. Selanjutnya biaya transformator untuk turunkan tegangan saluran transmisi dari sekitar 69Kv, 138Kv, dan seterusnya, ke 120V akan menjadi gila mahal untuk mengejar.

Jadi memiliki manfaat teknis dan ekonomis untuk memiliki tata letak seperti sekarang ini.

Saya pikir itu karena tujuan utama saluran tegangan tinggi adalah transmisi. Ini karena pada tegangan tinggi daya yang hilang yang disebabkan oleh I2R lebih rendah daripada menggunakan tegangan yang lebih rendah (untuk Daya yang sama [W], tegangan lebih tinggi => arus lebih rendah)

Selain itu, Anda dapat terhubung ke saluran tegangan tinggi dengan menggunakan transformator, mungkin 500 / 0,4 kV, yang akan sangat mahal.