Un réseau typique utilise des lignes de 110 à 500 kilovolts pour fournir de l'électricité aux sous-stations qui la réduisent à 6 à 20 kilovolts, puis des lignes avec cette tension inférieure parviennent aux consommateurs là où d'autres sous-stations sont situées, ce qui réduit finalement ces 6 à 20 kilovolts au consommateur. tension (100 ou 230 volts ou quelle que soit la norme locale).

Ces lignes de 110 à 500 kilovolts traversent souvent des zones où se trouvent ces consommateurs. Les consommateurs pourraient être connectés à ces lignes via des transformateurs acceptant, par exemple, 110 kilovolts et produisant une tension de consommation. Au lieu de cela, ces lignes partent quelque part, puis une autre ligne électrique revient avec une tension plus basse et un consommateur est accroché à cette dernière. C'est beaucoup de câblage supplémentaire.

Quelle est la raison de cette conception? Pourquoi ne pas raccorder les consommateurs à la ligne électrique la plus proche?

HV (66kV - 500kV) est ... difficile à gérer.

Je vais balancer les raisons auxquelles je peux penser du haut de ma tête.

Tous les chiffres qui suivent (poids, dollars) sont des estimations par ordre de grandeur.

Dégagements

Prenons 220kV comme exemple. La norme australienne de sous-station HT AS 2067 désigne les dégagements suivants requis pour les équipements 220kV:

• Phase à la terre - 2100 mm. C'est-à-dire qu'aucun conducteur 220kV ne peut être à moins de 2 mètres d'un conducteur mis à la terre (disons, un réservoir de transformateur ou un poteau en acier.) Edit: En fait, j'aurais dû citer la distance de non flashover (N) ici.
• Jeu entre phases - 2415 mm. Autrement dit, les conducteurs d'antenne 220 kV doivent être espacés d'au moins 2,4 m en tout temps.
• Dégagement de sécurité horizontal - 4 125 mm. Toutes les pièces sous tension doivent être à au moins 4 125 mm au-dessus de toute surface sur laquelle une personne peut se tenir.
• Distance de sécurité verticale - 3 565 mm.

C'est-à-dire qu'il n'existe pas de sous-station 220kV «compacte». (Eh bien, il y en a; les sous-stations basées sur un appareillage isolé au gaz peuvent être très compactes, mais vous ne voulez pas savoir combien elles coûtent.)

La taille minimale d'une sous-station de 220 kV, contenant l'équipement requis et respectant toutes ces dégagements, est d'au moins un carré de 20 m × 20 m, c'est-à-dire la taille d'un bloc de terrain suburbain.

Il faudrait également qu'il ait des structures d'au moins 4 mètres de haut, ce qui est difficile à intégrer dans le paysage suburbain.

En plus des dégagements ci-dessus nécessaires pour éviter que les gens ne soient électrocutés directement, vous devez également faire face à -

• Rayon de sécurité incendie en cas de chute d'un transformateur de 10 000 litres d'huile isolante et de prise de feu. De mémoire, au moins 10 mètres.
• Rayon en cas d'explosion électrique. Le rayon de seuil typique pour recevoir des brûlures du deuxième degré «survivables» peut dépasser 10 mètres pour certains types de défauts énergétiques. Certainement aucun logement civil n'est autorisé à l'intérieur de ce rayon.

protection

Un défaut sur le réseau 220kV doit être éliminé rapidement, sinon il entraînera la totalité du réseau dans un état instable (c'est-à-dire une panne de courant).

Des schémas de protection très coûteux (différentiel de ligne avec pilotes de fibres optiques, protection à distance) sont utilisés pour assurer cette vitesse de protection élevée. Ces schémas de protection doivent être installés à chaque borne de la ligne 220kV.

Une fois que nous comptabilisons le coût de -

• Disjoncteurs 220 kV - environ 200 000 $ chacun, minimum trois requis par sous-station - deux pour le circuit entrant / sortant continuant après la sous-station, et un pour le T-off = 600 000 $
• deux ensembles de transformateurs de courant de protection triphasés évalués à 220 kV et «suffisamment» d'ampères continus - environ 50 000 $ par jeu (stade approximatif) = 100 000 $
• deux ensembles de relais de protection - chacun avec un doublon redondant - environ 20 000 $ chacun = 80 000 $. (Remarque: la protection en double "X" et "Y" est standard pour les postes HT.)

... nous gagnons jusqu'à environ 780 000 $, rien qu'en équipement de protection, par poste. Et nous n'avons même pas commencé à acheter du matériel de terminaison de ligne de transmission, des dérivateurs de surtension, des jeux de barres, des structures de support, des travaux de terrassement, des clôtures, du béton, des PLC de contrôle, une cabane de contrôle ...

(Comparez la protection du transformateur de distribution 22kV, qui est généralement juste un ensemble de fusibles de coupure d'expulsion triphasés, le coût total peut être de 2000 $.)

Transformers

Les transformateurs 220kV sont grands, à force de toute l'isolation requise à l'intérieur pour éviter les contournements. Il n'y a pas de "petit" transformateur 220kV - le plus petit que j'ai vu est évalué à 60 MVA et pèse environ 10 tonnes.

Contrastez les transformateurs typiques à pôle 22 / 0,415 kV qui sont évalués à 500 kVA ou moins. Le poids est important car il y a une limite maximale à ce que vous pouvez avoir au-dessus d'un poteau en bois. Je ne suis pas ingénieur en structure, mais vous ne voudriez certainement pas monter sur poteau plus d'une tonne.

Est-ce que c'est assez de raisons?

Une des principales raisons est que ces lignes sont destinées à la transmission longue distance et à l'interconnexion de grands réseaux.

Imaginez une autoroute. La plupart du temps, ils ont des sorties tous les quelques miles dans les zones bâties, et parfois plus souvent qu'un mile dans des cas particulièrement étranges, mais pour la plupart, ils sont destinés à permettre un voyage rapide et efficace à longue distance. Bien qu'il y ait clairement des maisons et des entreprises près des autoroutes, si chacune avait ses propres bretelles d'accès et de sortie, non seulement les ressources d'infrastructure seraient importantes, mais chaque fois que vous avez un problème avec une route ou une sortie qui finit par fermer une section ou une voie de l'autoroute pendant une période de temps, vous impactez beaucoup, beaucoup plus de gens.

Si vous commencez à construire plus de sous-stations, vous augmentez le risque de temps d'arrêt pour la ligne de transmission en raison de problèmes de sous-station.

De plus, des réseaux plus petits sont en fait connectés à plusieurs réseaux plus grands avec des commutateurs, qui sont alors parfois connectés à plus d'une ligne de transmission avec des commutateurs. Cela permet de contourner un problème sur une ligne ou un réseau donné et entraîne une perte de puissance localisée au problème. Les lignes de transmission sont plus difficiles et plus coûteuses à entretenir et à réparer, et constituent une infrastructure dorsale essentielle pour les réseaux électriques nationaux. Lorsque les centrales électriques se déconnectent pour une raison quelconque, les centrales électriques bien plus éloignées peuvent prendre le relais dû à ces lignes.

Enfin, ils sont électriquement équilibrés en phase pour la transmission d'électricité la plus efficace. Les sous-stations et réseaux individuels sont conçus pour que le facteur de puissanceest aussi proche de 1 que possible. Des facteurs de puissance inférieurs entraînent une perte d'énergie dans les lignes et les transformateurs, ce qui nécessite des conducteurs plus importants. Ces lignes ne sont pas conçues pour des charges CA mal adaptées. Les clients industriels qui se connectent aux lignes à haute tension doivent souvent ajouter une correction du facteur de puissance si leurs usines ne sont pas correctement équilibrées. Connecter une maison ou un quartier plus directement à une ligne de transmission nécessiterait un investissement encore plus important dans la sous-station nécessaire pour les desservir afin que les lignes de transmission ne soient pas affectées. D'autres lignes à haute tension fusionnent beaucoup de clients avec un facteur de puissance médiocre, mais en mélangeant de petits utilisateurs industriels (beaucoup de moteurs) avec des utilisateurs domestiques (beaucoup d'alimentations à découpage), les sous-stations peuvent équilibrer le facteur de puissance pour un coût beaucoup plus bas et des installations plus petites .

Ils ne sont vraiment pas conçus pour les petits consommateurs.

Imaginez si nous faisions cela, et que des lignes électriques traversaient un quartier ou à côté, et que chaque maison était connectée directement à ces lignes électriques plutôt qu'à une sous-station, ce serait assez idiot

J'ai dessiné une image pour montrer à quel point cela peut être stupide:

Heureusement, les Suédois ont construit des choses bien mieux que mes compétences en dessin:

Ce sont des fils téléphoniques au fait, ils peuvent se rapprocher un peu sans que de terribles choses terribles n'arrivent aux fils (et aux gens à proximité).

Imaginez maintenant que ces câbles sont des câbles de lignes électriques robustes. Imaginez que vous ne pouviez pas les emballer si densément et que vous deviez donner à chaque ligne un dégagement individuel. Imaginez les supports supplémentaires pour le moment où les tours et les immeubles à appartements bloquent la vue directe, des structures supplémentaires en cours de route pour supporter tous les câbles supplémentaires et le poids et la tension nécessaires pour le maintenir en place.

Imaginez l'impact de tous ces câbles haute tension lourds sur la réception et les transmissions radio, ainsi que sur les nombreuses micro-sous-stations de chaque maison.

J'ai dessiné une autre photo, c'est un petit village avec des lignes électriques adjacentes:

Nous pourrions enterrer les lignes électriques la plupart du temps, mais cela demande beaucoup de fouilles pour poser des lignes électriques assez dangereuses, tout cela va devenir très cher (ce qui est déjà le cas).

Une solution simple serait que plusieurs maisons adjacentes partagent un câble et une sous-station. Des stations de taille suffisante seraient suffisamment bon marché pour soutenir des quartiers entiers tout en économisant sur les coûts de construction et en réduisant le nombre de câbles. Tout cela commence à vous sembler familier ...

Je pense plus que c'est dû à la protection du système. Si vous coupez la transmission et réussissez à la réduire à la tension de votre maison, cela coûterait très cher au service public si une panne se produit à votre emplacement.

Il est également rentable d'avoir un système central protégeant le transformateur central et la ligne de transmission principale. En outre, le coût du transformateur pour abaisser la tension de la ligne de transmission d'environ 69Kv, 138Kv, etc. à 120V serait extrêmement cher à poursuivre.

Il présente donc à la fois des avantages techniques et économiques d'avoir la disposition telle qu'elle est aujourd'hui.

Je pense que c'est parce que l'objectif principal d'une ligne haute tension est la transmission. En effet, à des tensions élevées, la perte de puissance causée par I2R est inférieure à l'utilisation d'une tension inférieure (pour la même puissance [W], une tension plus élevée => un courant plus faible)

En plus de cela, vous pouvez vous connecter à une ligne haute tension en utilisant des transformateurs, peut-être 500 / 0,4 kV, ce qui serait inacceptable.