Fizika · Elektr va magnetizm · 11-sinf

Elektr uzatish liniyasi

Nega elektr energiya yuzlab kilovolt kuchlanishda uzatiladi?

Vaziyat

Uyingizdagi chiroqni yoqqan elektr energiya yuzlab kilometr uzoqdagi issiqlik elektr stansiyasida ishlab chiqariladi. Stansiya generatori taxminan 20 kV kuchlanish beradi, dala bo‘ylab cho‘zilgan ulkan minoralardagi simlarda esa kuchlanish 220–500 kV ga yetadi, rozetkada esa bor-yo‘g‘i 220–230 V. Nega energiyani to‘g‘ridan-to‘g‘ri generator kuchlanishida uzatmaymiz va kuchlanishni nima oshirib-pasaytiradi?

Mavzu

O‘zgaruvchan tok, transformator. Elektr uzatish liniyasi: nega yuqori kuchlanish

Asosiy tushunchalar

Transformator
Yo‘qotish I²R
Uch fazali tok

Formulalar

\frac{U_{2}}{U_{1}} = \frac{N_{2}}{N_{1}} = k

Ideal transformator: kuchlanish o‘ramlar soniga proporsional. $k > 1$ — kuchaytiruvchi, $k < 1$ — pasaytiruvchi.

\frac{I_{2}}{I_{1}} \approx \frac{N_{1}}{N_{2}}, η = \frac{P_{2}}{P_{1}}

Quvvat deyarli saqlanadi ( $U_{1} I_{1} \approx U_{2} I_{2}$ ): kuchlanish necha marta oshsa, tok shuncha marta kamayadi. FIK $η$ — ikkilamchi va birlamchi quvvatlar nisbati.

R = ρ \frac{L}{S}

Bitta faza simining qarshiligi; alyuminiy uchun $ρ \approx 2,8 \cdot 10^{- 8}$ Ω·m, $S$ — sim kesimi.

I = \frac{P}{\sqrt{3} U}, Δ P = 3 I^{2} R = \frac{P^{2} R}{U^{2}}

Uch fazali liniyadagi tok va uchala simdagi issiqlik yo‘qotishi.

u (t) = U_{m} \sin ω t, U = \frac{U_{m}}{\sqrt{2}}

O‘zgaruvchan kuchlanish: ta’sir etuvchi qiymat amplitudadan $\sqrt{2}$ marta kichik, $ω = 2 π \cdot 50$ Hz.

Nazariya

Nega yuqori kuchlanish?

Liniya bir xil $P$ quvvatni uzatayotgan bo‘lsin. Kuchlanish $U$ qancha katta bo‘lsa, tok $I = P / (\sqrt{3} U)$ shuncha kichik. Simlarni esa aynan tok qizdiradi: $Δ P = 3 I^{2} R$ . Natijada yo‘qotish kuchlanish kvadratiga teskari proporsional: $Δ P / P = P R / U^{2}$ . Kuchlanishni 10 marta oshirsak, yo‘qotish 100 marta kamayadi. «Yo‘qotish — kuchlanish» grafigidagi egri chiziq aynan $1 / U^{2}$ shaklida.

Transformator qanday ishlaydi?

Transformator — umumiy po‘lat o‘zakka o‘ralgan ikki chulg‘am. Birlamchi chulg‘amdagi o‘zgaruvchan tok o‘zakda o‘zgaruvchan magnit oqim hosil qiladi, u esa ikkilamchi chulg‘amning har bir o‘ramida bir xil EYuK induksiyalaydi (Faradey qonuni). Bu — o‘zaro induksiya: bir g‘altakdagi tokning o‘zgarishi ikkinchisida EYuK hosil qiladi, $ℰ_{2} = - M d I_{1} / d t$ , $M$ — o‘zaro induktivlik (henri). Shuning uchun kuchlanish o‘ramlar soniga proporsional: $U_{2} / U_{1} = N_{2} / N_{1}$ . O‘zgarmas tokda oqim o‘zgarmaydi va transformator ishlamaydi — o‘zgaruvchan tokning asosiy ustunligi shunda.

Uch fazali tok

Stansiya bir-biridan $120 °$ ga siljigan uchta sinusoidal kuchlanish beradi — fazor diagrammasida uchta aylanayotgan vektor. Ularning yig‘indisi har onda nolga teng, shuning uchun oltita sim o‘rniga uchtasi yetadi. Liniya simlari sariq, yashil va qizil (A, B, C) bilan belgilangan. Uch fazali liniya quvvati $P = \sqrt{3} U I$ , bu yerda $U$ — fazalar orasidagi kuchlanish. Ba’zi iste’molchilarga (telefon zaryadlagichi, elektroliz qurilmasi) o‘zgarmas tok kerak: uni to‘g‘rilagich — diodlar ko‘prigi — o‘zgaruvchan tokdan oladi; o‘ta uzoq HVDC liniyalarining ikki uchida esa boshqariladigan o‘zgartirgich stansiyalari (to‘g‘rilagich va invertor) bor (batafsil «O‘zgaruvchan tok va RLC» tajribasida).

Transformatorning FIK (laboratoriya)

Real transformatorda energiyaning kichik qismi issiqlikka aylanadi. Po‘lat o‘zakdagi isrof (gisterezis va uyurma toklar; ularni kamaytirish uchun o‘zak bir-biridan izolyatsiyalangan yupqa list po‘latdan yig‘iladi) yuklamaga bog‘liq emas, chulg‘amlardagi isrof $I^{2} R$ esa yuklama kvadratiga proporsional. FIK $η = P_{2} / P_{1}$ ni aniqlash uchun ikkala tomondagi kuchlanish va tok o‘lchanadi. Yuklama kichik bo‘lsa, o‘zak isrofi nisbatan katta va FIK pasayadi; FIK ikki isrof tenglashgan yuklamada eng katta. Yirik transformatorlarda FIK 99 % dan yuqori, kichik transformatorlarda isroflar ulushi kattaroq.

O‘zbekistonda elektr energiyasi va muqobil manbalar

O‘zbekistonda elektr energiyasining asosiy qismi (2021-yilda taxminan 87 %) tabiiy gazda ishlaydigan issiqlik elektr stansiyalarida olinadi; eng yiriklaridan biri — Sirdaryo IES (≈ 3 GVt). Gidroelektr stansiyalar, masalan, Chirchiq daryosidagi Chorvoq GES (≈ 0,67 GVt), taxminan 7 % beradi. Stansiya generatorlari 50 Hz li uch fazali tok beradi; kuchaytiruvchi transformatorlar uni 220 va 500 kV li liniyalarga uzatadi, shahar podstansiyalari esa 10 kV va 0,4 kV gacha pasaytiradi. Muqobil energiya tez o‘smoqda: Navoiy viloyatidagi 100 MVt li «Nur Navoi» quyosh elektr stansiyasi (2021) va 2024-yilda ishga tushirilgan 500 MVt li Zarafshon shamol elektr stansiyasi. Quyosh panellari o‘zgarmas tok beradi — invertor uni 50 Hz li o‘zgaruvchan tokka aylantiradi, so‘ng transformator tarmoq kuchlanishigacha oshiradi. Quyosh va shamol quvvati ob-havoga bog‘liq, shuning uchun tarmoqqa zaxira quvvat va energiya to‘plagichlar ham kerak.

Model va soddalashtirishlar

Liniya hisobida transformatorlar ideal (haqiqiylarida FIK 99 % dan yuqori); FIK laboratoriyasida kuchaytiruvchi transformator guruhi nominal quvvati 1000 MV·A, o‘zak isrofi 0,6 MVt, nominal yuklamadagi chulg‘am isrofi 2,4 MVt deb olingan. Yuklama faqat aktiv ( $\cos φ = 1$ ), faqat simlarning qizishi hisobga olingan — induktiv qarshilik, toj razryadi va izolyatordagi yo‘qotishlar yo‘q. Sim 20 °C da, $ρ = 2,8 \cdot 10^{- 8}$ Ω·m. Uylardagi kuchlanish pasaytiruvchi transformatorlar nominal $U$ uchun tanlangan deb hisoblanadi. Sahnada masofa siqilgan (11 ta minora $L$ km ni bildiradi), simlar yo‘g‘onligi kattalashtirilgan, vaqt 50 marta sekinlashtirilgan, sariq zarrachalar — energiya oqimining ramziy ko‘rinishi.

Bilasizmi?

1880-yillar oxirida AQShda «toklar urushi» bo‘lib o‘tdi: Tomas Edison kompaniyasi o‘zgarmas tokni, Jorj Vestingauz va Nikola Tesla esa o‘zgaruvchan tokni targ‘ib qilgan. O‘zgaruvchan tok g‘olib chiqdi — uning kuchlanishini transformator bilan oson oshirib-pasaytirish mumkin.
Bugun eng uzoq masofalarga quvvat ko‘pincha yuqori kuchlanishli o‘zgarmas tokda (HVDC) uzatiladi. Masalan, Xitoydagi ±1 100 kV li Changji–Guquan liniyasining uzunligi taxminan 3 300 km.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.