Er det korrekt, at vekselstrøm taber mere energi end jævnstrøm? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Er det korrekt, at vek...

27. januar 2012

Er det korrekt, at vekselstrøm taber mere energi end jævnstrøm?

Hej Spørg om Fysik 

Undertegnede er fysik/kemilærer i grundskolen. Jeg har ladet mig fortælle, at vekselstrøm "vandt" over jævnstrøm i elforsyningsledningerne, fordi de husstande der boede længst væk fra et jævnstrøms elværk, nærmest ingen strøm fik leveret.

Nu har jeg på you-tube søgt på ordet "Vekselstrøm", hvor en herre fra "fri viden" i et 4 minutters undervisningssentens udtaler, at det forholder sig lige omvendt. At vekselstrøm taber mere energi end jævnstrøm OG at det derfor er jævnstrøm der løber i højspændingsmaster.

Nu vil jeg gerne vide, om jeg har lært mine elever noget helt forkert.

De bedste hilsner
S G


Der er skrevet noget om emnet i: Et spørgsmål om Ohms lov og transformatoren >> 

Når jævnspænding sendes ud til forbrugerne igennem ledninger, falder spændingen med afstanden til el-værket, fordi der er modstand i ledningerne. Des flere forbrugere des større strøm og des større spændingsfald jævnfør ohms lov U = R * I, hvor U er spændingsfaldet imellem en forbruger og elværket I er den totale strøm på ledningen fra alle forbrugere og R er de to ledningers samlede modstand.  

Højspændingsmast i det danske landskab. Foto: Energi Danmark

Hvis vi f.eks. har 230 V jævnspænding til et hus 1 km fra kraftværket med kobberledninger, som har et areal på 5 mm2 (ca. 2,5 mm i diameter) - så bliver ledningsmodstanden for de 2 km ledning (frem og tilbage) ca. 6,7 ohm. Trækker vi 16 A, som mange moderne huse gør, er spændingen faldet til husets installation U = 6,7 Ω* 16 A = 107 V. Altså er der 123 V over husinstallationen, næsten intet lampelys, maskiner kan ikke køre osv. Tabet er altså 46 %.

Man skal altså have enormt tykke ledninger og kortere afstande. Kobber er meget dyrt, så det er en stor omkostning at gøre ledningerne tykke nok, i eksemplet. Hvis vi vil have f.eks. 210 V ved huset, skal ledningsmodstanden være 1,25 ohm og ledningsarealet  knap 27 mm2. Diamateren bliver så knap 12 mm, og det er en tykkelse som en finger.

Højspændingstransformatorstation

Regnestykket for vekselspænding er naturligvis præcis det samme. Her er bare den lette løsning, at man anbringer en transformator ved elværket, og transformerer til f.eks. 10 000 V. Nu bliver strømmen til samme hus via højspændingen 0,37 A, og spændingsfaldet med samme ledningstykkelse så U = 6,7 Ω* 0,37 A = 2,5 V.

Tab ved transformering koster 

Ved den anden ende af højspændingsledningen er der altså 9997,5 V, stort set intet tab. Der anbringes en transformatorstation ved huset, som giver de 230 V (og man kan ved passende viklingstal fjerne selv det lille spændingstab, så man får præcist 230 V). Man har her i landet højspænding op til 400 000 V, men nær brugerne ofte 15 000, 10 000 eller 3 000 V højspænding. Spændingen transformeres ofte op og ned i mange trin.

Thomas Alva Edison (1847 – 1931)
I Pearl Street på Manhattan åbnede det første kraftværk den 4. september 1882. Fra den dag fik 82 forbrugere med 400 lamper strøm fra Pearl Street. Men tallet voksede hurtigt, og i 1884 var der over 500 forbrugere med mere end 11.000 lamper. Edisons kraftværk spredte sig til resten af verden. Kilde: Wikipedia

Det samlede tab ved optransformation og nedtransformation angives til at være omkring 5-7 %.

Jævnspænding er altså en håbløs ide, hvis man ikke har et kraftværk i stort set hver husblok. Vi gik i øvrigt fra jævnspænding til vekselspænding her i Danmark midt i forrige århundrede.

Vekselstrøm sendes omkring som højspænding, og der er så små lokale transformatorstationer rundt omkring, så spændingen overalt er meget nær den spænding kraftværket lover at levere for tiden 230 V, det er også nødvendigt for mange af husholdningernes apparater, idet mindste højst 10% under de 230 V. Når jeg ser på mit eget kvarter vil jeg tro, at der i luftlinje er 500 m imellem transformatorstationerne for at sikre denne spænding.

Nedgravede ledninger har større tab

Det er korrekt, at især nedgravede ledninger har større tab, hvis det er vekselspænding end jævnspænding.

Kort over det danske elnet med ikonforklaring. Se større billede >>

Det skyldes mest kapacitansen imellem ledningerne og jorden omkring, der kan også ved uheldige jordsammensætninger være tab som skyldes magnetfeltet. Det er ikke enorme tab, men de er der. Disse tab rettes med vekselspænding uden videre op ved transformatorstationen, så vi forbrugere får det, vi har brug for dvs. 230 V. Jævnspænding har kun meget små tab, bortset fra de ohmske ovenfor, men de kan ikke rettes op bagefter uden meget kompliceret teknik. På Edisons tid var den eneste mulighed nok en elektromotor, som trak en generator, der så leverede den rigtige spænding lokalt. Men det er en støjende og dyr løsning, med rimeligt stort tab.

Nikola Tesla (1856 – 1943). Hans patenter og teoretiske arbejde danner basis for moderne AC-systemer (vekselstrøm). Nikola Tesla opfandt vekselstrømsmotoren, hvilket satte gang i udbredelsen af vekselstrøm til almindelige forbrugere. Tesla var serbisk-amerikansk fysiker, opfinder og elektronikingeniør, der er anerkendt som en af de mest betydningsfulde videnskabsmænd i det 19. århundrede og det tidlige 20. århundrede.

Man har meget store tab med vekselspænding ved ledninger i havet (saltvand) af samme grunde som beskrevet ovenfor. De fleste søkabler f.eks. Gøteborg - Frederikshavn, Kristianssand Tjele osv. er derfor højspændingskabler med jævnspænding, man ensretter i leveringsenden og vekselretter når ledningerne kommer i land. Det er der tab på ved transmissionen, men mindre end ved at sende vekselstrøm under vandet.

Jævnspændingskablet betyder også, at man gør sig uafhængig af, at alle kraftværker skal levere i samme fase. F.eks. bevirker kablet under Storebælt altså ikke, at værkerne på Sjælland skal lave vekselspænding i takt med værkerne på Fyn (der var en ulempe ved vekselspænding). Faktisk er Scandinavien, incl. Sjælland, i deres egen takt, Jylland og Europa i en anden.

Vekselspænding har mange fordele i brug

Når vi f.eks. skal lade en mobiltelefon, sætter vi en lille strømforsyning i kontakten, som leverer den korrekte lave spænding ud. Det samme gælder tandbørste, barbermaskine osv. (i dag er en del af disse Switch-mode-strømforsyninger).

George Westinghouse (1846 - 1914) var en af hovedkonkurrenterne til Thomas Edison i den tidlige periode af indførelsen af elektricitet i De Forenede Stater. Westinghouse samarbejdede med Nikola Tesla om et vekselstrømssystem som løb af med sejren sammenlignet med Edisons kamp for et system med jævnstrøm.

En del af disse spændingsforsyninger er en ganske simpel transformator (f.eks. julebelysning) hvor udgangssiden er ganske ufarlig. Den eneste simple måde, at få en lavere spænding fra jævnspænding, uden alt for meget elektronik, er en passende modstand, men den vil let være berøringsfarlig. Man kan dog i dag (men ikke på Edison, Tesla og Westinghouse tid) lave jævnspændingen om til en vekselspænding, En omformer til 1000 W fra 12 V jævnspænding (bil) til 230 V vekselspænding koster ca. 900 kr. og fylder ca. 3 l.

Det er altså rigtigt, at tab ved højspændingstransmission er mindre for jævnspænding end for vekselspænding. Det er dyrt at ensrette og vekselrette spændingen, når man skal videre til de normale forbrugere. Transmission af jævnspænding lokalt i byer er håbløs. Steder, hvor man i Danmark efter min viden, anvender jævnspændinger, er ved søkabler og ved forbindelse imellem Sjælland og resten af Danmark. De ledninger som ses i landskabet, eller som i dag er nedgravet, er i næsten alle tilfælde vekselspænding. Se linket ovenfor, man vil genkende den byggestil.

Med venlig hilsen
Malte Olsen