Joomla Free Template by FatCow Hosting

Elektrisch transport onder hoogspanning

Hoofdcategorie: Elektro Categorie: Transformatoren Gepubliceerd: donderdag 13 oktober 2016

Gebruikerswaardering: 5 / 5

Ster actiefSter actiefSter actiefSter actiefSter actief
 
Demo elektrisch transport onder hoogspanning

Waarom transporteren we stroom bij een hoge spanning?

Niveau

:

Mavo 2/3/4, Havo 2/3, VWO 2/3

Doel

:

Aantonen dat elektrisch transport onder laagspanning meer weerstandsverlies geeft dan onder hoogspanning.

Het loont zich om eerst om te vormen naar hoogspanning, dan te transporteren en dan weer omlaag te transformeren.

Nodig

:

  • 1x Demo hoogspanningstransport (zie afbeelding)
  • 1x ±12V Wisselspanning voedingskast
  • Naar wens voltmeters en stroommeters voor het meten van Icentrale, Ucentrale, Ihuis, Uhuis
  • 2x fietslampje 12V/50mA
  • 2x fietslampje 12V/250mA
  • 2x fietslampje 12V/500mA

Links

:

 

 

Waarom transformeer je elektriciteit???

Een energiecentrale produceert stroom met een spanning van 2000V (2 kV). Voordat de stroom wordt getransporteerd, wordt deze spanning eerst omhoog gewerkt tot zo'n 380.000V (380kV). De stroom wordt hierbij zo'n 200x kleiner! Bij een spanning van 380.000V wordt de stroom via hoogspanningskabels getransporteerd naar onze gemeente. Via tussenstations wordt de spanning trapsgewijs verlaagd naar de spanning die bij ons thuis kennen: 230V. WAAROM al dat op en neer getransformeer???

 

spanningsverloop van energiecentrale tot in huis

Klik hier voor een uitvergroting!

NB: de afbeelding hierboven is niet compleet. Tussen hoogspanningsmasten en transformatorhuisje zitten nog meer tussenstations waar de spanning transgewijs wordt verlaagd. Bron: https://www.hoogspanningsnet.com/techniek/transformators/

De spanning wordt onderweg niet alleen verlaagd, maar ook verdeeld. Uiteindelijk moet de stroom van één centrale immers worden gedeeld door zeer veel huishoudens en bedrijven.

Een prima antwoord op de WAAROM-vraag staat al op wikipedia:

Het voordeel van energietransport onder hoogspanning is een hogere transportcapaciteit en een lager transportverlies.

Bij het transport van eenzelfde vermogen is bij een 10 keer zo hoge spanning de stroomsterkte een tiende, waardoor de geleiders dunner kunnen zijn of waardoor bij gelijke dikte van de geleider de verliezen in het net een honderdste zijn.

De verliezen in een geleider als gevolg van de opwekking van warmte zijn namelijk afhankelijk van de weerstand van de geleider (R) en de stroomsterkte (I). Zij zijn dus niet rechtstreeks afhankelijk van de spanning.

De weerstand van een kabel is vervolgens weer afhankelijk van zijn lengte, zijn diameter en uiteraard van het materiaal.

Als er stroom door een geleider loopt, wordt er warmte gegenereerd en ontstaat er een potentiaalverschil: de spanning ten opzichte van aarde aan het begin van de geleider is hoger dan die aan het einde.

Volgens de Wet van Joule is de hoeveelheid energie afhankelijk van de stroomsterkte, de weerstand van de geleider en de tijd: W = I² x R x t . Hetzelfde kun je afleiden uit de formule P = I2 x R .

Uit bovenstaande formules blijkt de enorme invloed van de stroomsterkte, dus het is van belang deze waarde zo laag mogelijk te krijgen. Om dezelfde hoeveelheid energie per tijdseenheid te transporteren kan men de stroomsterkte laten afnemen door de spanning omhoog te brengen. Het vermogen is namelijk het product van de spanning en de stroomsterkte: P = U x I.

Omdat wisselstroom de eigenschap heeft dat de spanning eenvoudig is om te zetten ofwel te transformeren, is er na de uitvinding van de elektriciteit snel gekozen voor netwerken op basis van wisselspanning, om transport tussen de elektriciteitscentrale en de eindgebruiker zo efficiënt mogelijk te maken.


Bron: wikipedia

 

Dus laat ik me hier maar beperken tot het uitleggen hoe je deze demonstratie kunt gebruiken in je les.

Hoogspanning elektrisch Transport demonstratie 10

Wat zie je op deze foto?

Links zie je de energiecentrale, bestaand uit een oranje voeding die 12V wisselspanning constant houdt. De lampjes links zijn rechtstreeks aangesloten op de centrale.

  • lampje 1 = 12V / 500mA
  • lampje 2 = 12V / 100mA
  • lampje 3 = 12V / 50mA

 

Functie van deze lampjes: ze dienen ter vergelijking om te zien of de lampjes thuis al dan niet even hard branden als bij de centrale.

De centrale levert zijn stroom/spanning aan een blauwe trafo. Voor de trafo geldt:

  • n1 = 100
  • n2 = 1600

transport elektriciteit hoogspanning

 

Via de trafo wordt de stroom afgegeven aan 2 hoogspanningskabels. Echte hoogspanningskabels hebben weerstand. Om deze weerstand na te bootsen zijn in deze kabels 2 weerstanden van elk 47Ω ingebouwd.

De hoogspanningskabels leveren hun spanning aan de rechterkant af bij het huisje via een identieke trafo als bij de centrale, maar dan omgekeerd.

  • n1 = 1600
  • n2 = 100

 

In de ideale situatie, waarin je geen trafo-omzettingsverliezen en geen weerstandsverliezen hebt in de kabels, zou de spanning bij het huisje gelijk zijn als bij de centrale: 12V. Maar helaas, in de praktijk zijn er wel verliezen en blijkt de spanning bij het huisje 9V te zijn. Hierdoor branden de lampjes bij het huisje zichtbaar minder fel als bij de centrale.

Trafo-omzettingsverliezen en weerstandsverliezen in de kabels...

Maar dan gooi je die trafo's er toch gewoon tussenuit!? Dan ben je je trafo-omzettingsverliezen kwijt en heb je alleen nog maar weerstandsverliezen in de kabels! Deze oplossing lijkt voor de hand te liggen, dus laten we dat maar eens uitproberen.

Hoogspanning elektrisch Transport demonstratie 30


In de afbeelding hierboven zijn de hoogspannings­kabels links direct aangesloten op de uitgang van de centrale. Rechts zijn deze kabels direct verbonden met de lampjes van de woning. En wat zie je: terwijl de lampjes bij de centrale normaal branden zijn de lampjes bij de woning uit. Er gaat nog maar zo weinig stroom door deze lampjes dat ze niet eens meer opgloeien.lampje voor huisje Als je de 2 zwaarste lampjes van 500mA en 100mA bij het huisje uit zet, blijkt dat er nog net genoeg stroom/spanning over is om het lichtste lampje van 50mA iets op te laten gloeien. (Dat is helaas op de foto niet zichtbaar.)

Dus... als je zonder transformatoren wilt werken en toch genoeg licht wilt hebben thuis, zul je iets moeten ondernemen.

Optie 1:
We verhogen de spanning van de centrale! 

Dan zal de spanning thuis ook hoger worden. Dat heb ik in een impulsief moment uitgeprobeerd met deze opstelling.  Zie filmpje!

Wat je zag was veel warmteontwikkeling in de hoogspanningskabels. De weerstanden gingen roken. Maar omdat ik de stroom snel genoeg uitzette, zijn ze wel heel gebleven. Zwartgeblakerd, dat wel... Hier ging dus veel energie verloren. Hoeveel eigenlijk? Een berekening:

De 3 lampjes bij de woning verbruiken samen bij 12V 0,65mA.
U = I x R... Hun gezamenlijke weerstand bedraagd dus 18,5Ω. 
Hun gezamenlijke verbruikte vermogen: P = U x I = 12V x 0,65A = 7,8W 
 

De vervangingsweerstand van hoogspanningskabels + lampjes bedraagd 47Ω + 47Ω + 18,5Ω = 112,5Ω

De spanning van de centrale bedraagt 73V, de spanning over de lampjes bedraagd 12V, dus de rest van het spanningsverschil, 73V - 12V = 61V ontstaat over de weerstand van de hoogspanningsmasten.

Het vermogen dat door de weerstand van de hoogspanningskabels wordt opgenomen: Pkabels = 61V x 0,65A = 39,65 W. Deze energie gaat verloren als warmte voor de vogeltjes.

 

Met andere woorden: er gaat nu meer energie verloren door energietransport dan wat we thuis verbruiken. Dat kan niet de bedoeling zijn! Van alle opgewekte energie in de centrale ging ongeveer 84% verloren. De vogels op de hoogspanningskabels krijgen lekker warme voetjes! Ik hou ook van vogeltjes, maar dit is absurd!

Maar: je bent bent jong, je bent leerling, dus je bent eigenwijs! Je wil per se een oplossing hebben voor dit probleem waarbij je geen trafo's nodig hebt en waarbij je toch thuis genoeg stroom kunt ontvangen zonder al te veel energieverlies. Hoe los je het op?

Optie 2:  
Verlaag de weerstand van de hoogspanningskabels drastisch

Er resteert je nog maar 1 oplossing: minder weerstand. Maar, hoe bereik je dat? Bij ons demonstratiemodel is dat niet zo moeilijk: je haalt gewoon de weerstanden er tussen uit. Maar bij echte hoogspanningsmasten is het minder makkelijk. Mogelijke oplossingen:

  1. De kabels VEEEL dikker maken, bijvoorbeeld 50x zo dik. Zeker, dat helpt!!! Echter dat kost heel veel aluminium en bovendien worden de kabels hierdoor erg zwaar. Dus kunnen ze niet meer door de lucht maar moeten ze ondergronds worden aangelegd. Als we deze oplossing mondiaal uitvoeren stijgt de prijs per kg aluminiumprijs met sprongen.
  2. Kies een beter geleidend materiaal! Aluminium geleidt stroom prima. Koper geleid bijna 2x zo goed. Maar koper is tegelijk 6x zo duur. Dus dit biedt geen oplossing. Zilver geleidt elektriciteit een beetje beter dan koper... Ueh, laat maar...
  3. SUPERGELEIDING: supergeleiding is de ultieme vorm van stroomgeleiding... weerstandsloos!!! Een flinterdun draadje supergeleidend materiaal zou al volstaan. Helaas: supergeleiding vergt een temperatuur van bijna 0 graden Kelvin. En een superkoelkast van de centrale tot bij je huis is geen gezicht!!!

 

Zoals je ziet: in theorie is het mogelijk om zonder trafo's genoeg stroom zonder al te veel energieverlies van de centrale tot bij je huis te brengen. In de praktijk is het zo goed als onmogelijk.

 

Mijn uitleg

Af en toe vragen docenten mij om het verhaal over hoogspanning in de klas voor te dragen. Hartstikke leuk om te doen. Hoewel ik hierboven alles al heb uitgelegd, doe ik hieronder mijn verhaal zoals ik dat ook voor de klas doe.

Hoogspanningskabel onder de grondHoogspanning... jullie hebben allemaal wel eens hoogspanningsleidingen gezien. Het woordje 'hoog' uit hoogspanning heeft niets te maken met het feit dat die kabels zo hoog in de lucht hangen! Er bestaan ook hoogspanningleidingen onder de grond. (Ik toon een stukje aard-hoogspanningskabel).

Wie weet van welk materiaal die hoogspanningskabels gemaakt zijn? Doe eens een gok! (Koper, ijzer, aluminium???) Nee, niet van koper. Koper is een prima geleider en bijna alle stroomkabels zijn van koper gemaakt, maar deze juist niet. Koper is erg duur, erg zwaar en rekt in de loop van de tijd op waardoor de kabels zakken. Hoogspanningsleidingen zijn gemaakt van aluminium. Aluminium is na koper de beste stroomgeleider en geleidt stroom ook erg goed, het is niet zo duur en het is sterk.

Aluminium is een prima stroomgeleider, en hoogspanningskabels zijn erg dik. Maar toch geven deze kabels weerstand. En de afstand die de stroom moet afleggen van energiecentrale tot bij je huis is groot. Hoe groot is denk je de afstand tot jullie huis? (10 km, 40 km, 75 km???) Hoogspanningsleidingen geven weerstand. En op zo'n afstand, met zulke grote stromen, geeft dat toch de nodige verliezen. Wat gebeurt er met de energie die verloren gaat? Waarin wordt deze elektrische energie omgevormd? (Warmte!)

Laten we maar eens gaan kijken naar hoogspanningsleidingen! Ik toon de afbeelding en ik toon mijn opstelling. Elektriciteit wordt opgewekt in energiecentrales. Dit is de Clauscentrale in Maasbracht (Limburg). De Clauscentrale levert een spanning van ca 2000V (2 kV). Bij de Clauscentrale ligt een transformatorveld. Daar wordt de spanning omhoog gewerkt van 2000 V naar zo'n 380.000 V (van 2 kV naar 380 kV). In de buurt van je dorp/wijk of stad bevinden zich kleine transformator-velden en transformatorhuisjes (zie foto) die de spanning stapsgewijs weer omlaag brengen.

Bij de centrale transformeer je de spanning omhoog en dichter bij huis en zelfs in huis, transformeer je de spanning weer omlaag. Waar is al dat getransformeer goed voor?

Even terug naar de centrale. Op het transformatorveld naast de centrale wordt de spanning 200x zo hoog. Ik vraag aan de klas: "Wordt de hoeveelheid energie/vermogen die wordt geleverd dan ook 200x zo hoog?" (Lastige vraag!)

Transformatoren transformeren stroom. dat wil zeggen: ze vormen de stroom om. Transformatoren produceren zelf geen energie! Dus als de spanning stijgt, moet 'iets anders' dalen. Maar... wat dan??? Wat weten jullie over stroom, welke formule ken je over vermogen?

Antwoord: P = U x I

Dus als de transformator zelf geen energie/vermogen produceert, dus als P constant blijft en U stijgt... wat daalt er dan? Ja, de stroom I daalt! Als de spanning in een transformator 200x hoger wordt, dan wordt de stroom 200 x lager! Dankzij de transformator bij de energiecentrale wordt de stroom 200x lager. We sturen dus 200x minder stroom door die weerstand van 50 km lang. Wat is hiervan het voordeel???

Jullie hebben nog een formule geleerd! De formule over weerstand. In die formule zitten stroom, spanning en weerstand. Hoe ging die ook alweer?

R = U / I oftewel U = I x R

Die hoogspanningsleidingen van 50 km vormen een weerstand. Voor mijn demonstratie-opstelling vond ik het erg zinloos om kabels van 50 km te gebruiken, dus heb ik daar echte weerstanden in gebouwd. Je kunt ze zien zitten. 

Als je deze formule samenvoegt met die andere formule, krijg je het volgende:

P is gelijk aan I2xR.jpg

P = I2 x R... deze formule toont het energieverlies van een weerstand. Wat je ziet is:

  • Stroom I heeft een enorme invloed op het energieverlies van een weerstand (dus bij transport van elektriciteit).
  • Spanning U komt in deze formule niet eens voor!!! Spanning heeft dus geen invloed op de verliezen.

 

Door de stroom te verkleinen, nemen de energieverliezen van het transport enorm af. Maar om toch genoeg energie/vermogen over te kunnen brengen, moet je de spanning verhogen. Liefst zo hoog mogelijk!

Naar de demonstratie-opstelling...

In mijn demonstratie-opstelling wordt de spanning eerst 8x verhoogd. De stroom wordt hierbij 8x kleiner. Die stroom stuur ik via hoogspanningsleidingen (weerstanden dus) naar mijn huisje. Voor mijn huisje staat een transformator die de spanning weer 8x verlaagd. In de ideale situatie branden de lampen thuis nu even hard als de lampen bij de energiecentrale. (Ik zet de voeding aan). Ja hoor: de lampjes branden nu thuis bijna even fel als bij de centrale. Er is zichtbaar energieverlies, de lampjes branden thuis niet even fel als bij de centrale, maar er blijft genoeg energie over.

Nu laat ik jullie zien wat er gebeurt als ik de stroom niet transformeer. (Voeding  uit. Ik verplaats de aansluitpluggen van de hoogleidingskabels bij de centrale en bij het huisje zodat ik de transformatoren buiten spel zet. Voeding weer aan.) Je ziet het: zonder transformeren branden de lampjes thuis nauwelijks. (Ik draai de twee lampjes die het meeste vermogen nodig hebben uit.) Maar als ik de twee grootste stroomverbruikers uit zet, dan zie je dat er net genoeg vermogen wordt overgebracht om het kleinste lampje te kunnen zien branden. Zonder transformatie gaat dus bijna alle energie verloren. Waar blijft die energie? (Warmte)

Waarom transporteren we elektricitische energie (het liefst) onder hoogspanning?

We transporteren elektriciteit onder hoogspanning om energieverlies tegen te gaan. Hoe groter de stroom, hoe enorm veel groter het energieverlies. Door de elektriciteit onder hoge spanning te transporteren, kunnen we evenveel vermogen overbrengen met minder stroom en dus veel minder energieverlies.

Door de spanning bij de centrale 200x te verhogen (en dus de stroom 200x te verkleinen), is het energieverlies 40000 x kleiner!!!

Bij mijn demonstratieopstelling, waarbij ik de spanning slechts 8x verhoog (en dus de stroom 8x verklein) verlies ik met transformatie 64x minder energie.

NB: een transformator kan alleen wisselspanning transformeren. Op het hele hoogspanningscircuit staat wisselspanning!

 

 

Alternatieve opstelling bouwen met sloopmaterialen:

spanning trafos

Gebruik twee identieke trafo's (afval). Maar: maak van de rest van de opstelling wel iets leukers dan dit. Bijvoorbeeld met echtere hoogspanningsmastjes en koetjes in de weide en zo ;)

NB: links zie je de zwarte bananenbussen. Daar zet je de spanning op dit systeem. Dat hoeft dus niet 230V te zijn!

 

Hits: 8107
Reacties   
0 #2 PhysicsExperiments.org 21-04-2021 11:49
Beste Johan, als je spanning transformeert van van laagspanning naar hoogspanning, transformeer je tegelijk in omgekeerde richting een grote stroom naar een kleine stroom. Bij hoogspanning kun je hetzelfde vermogen overbrengen bij een lage stroom. Een lage stroom geeft minder weerstandsverlies (P = I2 x R) en je hebt minder dikke leidingen nodig.

Wat de invloed is op de snelheid van de elektronen, weet ik niet zeker, omdat je bij hoogspanning ook een dunnere draad neemt.

Ik denk dat je in dit verhaal je niet moet focussen op de snelheid van de elektronen, maar puur op de stroom.
Citeer
0 #1 Johan Haverkort 29-03-2021 11:28
Bewegen de elektronen zich sneller door een draad bij hoogspanning?
P=UxI: U 2 maal zo hoog, I 2x zo laag, P blijft gelijk. Dit is een reversibel proces.
Als bij hogere spanning de elektronen zich sneller bewegen, waarom heeft dit geen invloed op het energieverlies en warmteontwikkeling.
Ik vergelijk stroom met een stromend beekje, als deze sneller gaat stromen doordat het hoogteverschil groter wordt, dan wordt de hoeveelheid water minder en v.v.. Hoeveelheid water dat per tijdseenheid een bepaald punt passeert blijft gelijk. Is dit ook zo bij elektriciteit als de spanning verhoogd wordt?
Citeer
Plaats reactie


Beveiligingscode
Vernieuwen

Andere websites

Helaas, ik heb het ei van Columbus niet uitgevonden. Er zijn meer websites als PhysicsExperiments.org:

Doel

Physicsexperiments.org wil docenten en TOA's Natuurkunde inspireren. Physicsexperiments.org is een verzameling Natuur­kunde Experimenten. Welk experiment, simpel of gecompliceerd, verdient aandacht.

Vind je mijn initiatief positief en wil je een bijdrage leveren? Graag!!! Ik sta altijd open voor nieuwe ideeën, voor verbeteringen, aanvullingen en hulp bij vertaling.

Je collega-TOA