Una red típica usa líneas de 110..500 kilovoltios para suministrar electricidad a las subestaciones que bajan a 6..20 kilovoltios y luego las líneas con ese voltaje más bajo llegan a los consumidores donde se encuentran otras subestaciones que finalmente bajan esos 6-20 kilovoltios al consumidor voltaje (100 o 230 voltios o cualquiera que sea el estándar local).

Esas líneas de 110..500 kilovoltios a menudo pasan por áreas donde se encuentran esos consumidores. Los consumidores podrían conectarse a esas líneas a través de transformadores que acepten, digamos, 110 kilovoltios y que emitan voltaje de consumo. En cambio, esas líneas corren a un lugar lejano en algún lugar y luego otra línea eléctrica corre con un voltaje más bajo y un consumidor está conectado a esta última. Eso es mucho cableado extra.

¿Cuál es la razón de este diseño? ¿Por qué no enganchar a los consumidores a la línea eléctrica más cercana?

HV (66kV - 500kV) es ... difícil de manejar.

Voy a contar razones que se me ocurren desde la cabeza.

Todas las cifras que siguen (pesos, dólares) son estimaciones aproximadas de orden de magnitud.

Autorizaciones

Usemos 220kV como ejemplo. El estándar australiano de subestación de alto voltaje AS 2067 designa las siguientes autorizaciones requeridas para equipos de 220 kV:

• Fase a tierra - 2100 mm. Es decir, ningún conductor de 220kV puede estar a menos de 2 metros de cualquier conductor conectado a tierra (por ejemplo, un tanque transformador o un poste de acero). Editar: En realidad, debería haber citado aquí la Distancia de no destello (N).
• Separación de fase a fase: 2.415 mm. Es decir, los conductores aéreos de 220kV deben estar separados al menos 2.4m en todo momento.
• Espacio de seguridad horizontal - 4,125 mm. Todas las partes vivas deben estar al menos 4,125 mm por encima de cualquier superficie en la que una persona pueda pararse.
• Distancia de seguridad vertical - 3.565 mm.

Es decir, no existe una subestación 'compacta' de 220kV. (Bueno, lo hay; las subestaciones basadas en celdas aisladas en gas pueden ser muy compactas, pero no querrá saber cuánto cuestan).

El tamaño mínimo para una subestación de 220kV, que contiene el equipo requerido y mantiene todos estos espacios libres, es al menos un cuadrado de 20m × 20m, es decir, el tamaño de un bloque de tierra suburbano.

También tendría que tener estructuras de al menos 4 metros de altura, lo que es difícil de combinar con el paisaje suburbano.

Además de las autorizaciones anteriores requeridas para evitar que las personas se electrocuten directamente, también debe lidiar con:

• Radio de seguridad contra incendios en caso de que un transformador arroje 10.000 litros de aceite aislante y se incendie. De memoria, al menos 10 metros.
• Radio en caso de explosión eléctrica. El radio de umbral típico para recibir quemaduras de segundo grado 'sobrevivientes' puede exceder los 10 metros para algunos tipos de fallas energéticas. Definitivamente no se permiten viviendas civiles dentro de este radio.

Proteccion

Una falla en la red de 220kV debe borrarse rápidamente, o conducirá a toda la red a un estado inestable (es decir, apagón). El 'tiempo crítico de eliminación de fallas' para evitar un apagón suele ser mucho menor que 1 segundo.

Se utilizan esquemas de protección muy costosos (diferencial de línea con pilotos de fibra óptica, protección de distancia) para garantizar esta alta velocidad de protección. Estos esquemas de protección deben instalarse en cada terminal de la línea de 220kV.

Una vez que tenemos en cuenta el costo de -

• Disyuntores de 220kV - aproximadamente $ 200,000 cada uno, se requieren un mínimo de tres por subestación - dos para el circuito entrante / saliente que continúa más allá de la subestación, y uno para el T-off = $ 600,000
• dos juegos de transformadores de corriente de protección trifásica con capacidad nominal de 220 kV y "suficientes" amplificadores continuos: alrededor de $ 50,000 por juego (estadio) = $ 100,000
• dos juegos de relés de protección, cada uno con un duplicado redundante, alrededor de $ 20,000 cada uno = $ 80,000. (Nota: la protección duplicada "X" e "Y" es estándar para las subestaciones de AT).

... tenemos hasta $ 780,000, solo en equipo de protección, por subestación. Y ni siquiera hemos comenzado a comprar hardware de terminación de línea de transmisión, desviadores de sobretensión, barras colectoras, estructuras de soporte, movimiento de tierras, cercas, concreto, PLC de control, cabaña de control ...

(Compare la protección del transformador de distribución de 22kV, que generalmente es solo un conjunto de fusibles de expulsión trifásicos, el costo total puede ser de $ 2,000).

Transformadores

Los transformadores de 220kV son grandes, a fuerza de todo el aislamiento requerido dentro de ellos para evitar descargas eléctricas. No existe un transformador "pequeño" de 220kV: el más pequeño que he visto tiene una capacidad de 60 MVA y pesa alrededor de 10 toneladas.

Contraste los transformadores típicos de poste superior 22 / 0.415kV que tienen una capacidad nominal de 500kVA o menos. El peso es importante porque hay un límite máximo de lo que puede tener encima de un poste de madera. No soy un ingeniero estructural, pero ciertamente no querrás montar en poste más de una tonelada.

¿Son suficientes razones?

Una razón importante es que estas líneas son para la transmisión a larga distancia y para interconectar grandes redes.

Imagina una carretera. En su mayoría, tienen salidas cada pocas millas en áreas urbanizadas, y a veces con más frecuencia que una milla en casos particularmente extraños, pero en su mayor parte están destinadas a permitir un viaje rápido y eficiente desde largas distancias. Si bien hay claramente casas y negocios cerca de las autopistas, si cada uno tuviera su propia rampa de entrada y salida, no solo los recursos de infraestructura serían significativos, sino que cada vez que tenga un problema con una rampa de entrada o salida que termine cerrando una sección o un carril de la autopista por un período de tiempo que impacta a muchas, muchas más personas.

Si comienza a construir más subestaciones, aumenta el riesgo de tiempo de inactividad de la línea de transmisión debido a problemas de subestación.

Además, las redes más pequeñas están realmente conectadas a varias redes más grandes con interruptores, que a veces se conectan a más de una línea de transmisión con interruptores. Esto permite que se enrute un problema en cualquier línea o rejilla, y da como resultado una pérdida de energía localizada al problema. Las líneas de transmisión son más difíciles y costosas de trabajar y reparar, y son una infraestructura troncal crítica para las redes eléctricas nacionales. Cuando las plantas de energía se desconectan por cualquier motivo, las plantas de energía mucho más lejos pueden tomar el relevo debido a estas líneas.

Por último, eléctricamente están balanceados en fase para la transmisión de electricidad más eficiente. Las subestaciones y redes individuales están diseñadas para que el factor de potenciaestá lo más cerca posible de 1. Los factores de potencia más bajos provocan pérdidas de energía en las líneas y los transformadores, lo que requiere conductores más importantes. Estas líneas no están diseñadas para cargas de CA mal adaptadas. Los clientes industriales que se conectan a las líneas de mayor voltaje a menudo tienen que agregar la corrección del factor de potencia si sus plantas no están equilibradas adecuadamente. Conectar una casa o vecindario más directamente a una línea de transmisión requeriría una inversión aún mayor en la subestación necesaria para darles servicio para que las líneas de transmisión no se vean afectadas. Otras líneas de alto voltaje fusionan a muchos clientes con un factor de potencia deficiente, pero al mezclar pequeños usuarios industriales (muchos motores) con usuarios domésticos (muchas fuentes de alimentación conmutadas), las subestaciones pueden equilibrar el factor de potencia para un costo mucho menor e instalaciones más pequeñas. .

Realmente no están diseñados para pequeños consumidores.

Imagínese si realmente hiciéramos esto, y tuviéramos líneas eléctricas a través de un vecindario o al costado, y cada casa conectada directamente a estas líneas eléctricas en lugar de una subestación, sería bastante tonto

Dibujé una imagen para demostrar lo tonto que podría ser:

Afortunadamente, los suecos construyeron cosas mucho mejor que mis habilidades de dibujo:

Esos son cables telefónicos, por cierto, pueden acercarse un poco sin que sucedan cosas terribles y terribles a los cables (y a las personas cercanas).

Ahora imagine que esos cables son cables de línea de alta resistencia. Imagina que no pudieras empacarlos tan densamente y tener que dar a cada línea autorización individual. Imagine los soportes adicionales para cuando los bloques de torres y los edificios de apartamentos bloquean la línea de visión directa, estructuras adicionales en el camino para soportar todo el cableado adicional y el peso y la tensión necesarios para mantenerlo en su lugar.

Imagine el impacto que todos estos cables de alta tensión de servicio pesado tienen en la recepción y las transmisiones de radio, y las numerosas micro subestaciones para cada hogar.

Dibujé otra imagen, es un pequeño pueblo con líneas eléctricas adyacentes:

Podríamos enterrar las líneas eléctricas la mayor parte del tiempo, pero es mucha excavación para colocar líneas eléctricas bastante peligrosas, todo se volverá muy costoso (lo que ya es).

Una solución simple sería que varias casas adyacentes compartan un cable y una subestación. Las estaciones de tamaño suficiente serían lo suficientemente baratas como para soportar vecindarios enteros mientras se ahorra en costos de construcción y se reduce la cantidad de cables. Todo esto empieza a sonar familiar ...

Estoy pensando más que se debe a la protección del sistema. Si desconecta la transmisión y la baja con éxito al voltaje de su hogar, sería muy costoso para la empresa de servicios públicos si ocurre una falla en su ubicación.

También es rentable tener un sistema central que proteja el transformador central y la línea de transmisión principal. Además, el costo del transformador para reducir el voltaje de la línea de transmisión de alrededor de 69Kv, 138Kv, y así sucesivamente, a 120V sería muy costoso de perseguir.

Por lo tanto, tiene beneficios tanto técnicos como económicos tener el diseño tal como está hoy.

Creo que es porque el objetivo principal de una línea de alto voltaje es la transmisión. Esto se debe a que a altos voltajes, la pérdida de energía causada por I2R es menor que el uso de un voltaje más bajo (para la misma Potencia [W], voltaje más alto => corriente más baja)

Además de eso, puede conectarse a una línea de alto voltaje utilizando un transformador, tal vez 500 / 0.4 kV, que sería inaceptablemente costoso.