Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Часть серии по
Энергетика
Преобразование электроэнергии
Электроэнергетическая инфраструктура
Компоненты электроэнергетических систем
Паровая турбина, используемая для выработки электроэнергии.

Электроэнергетическая система представляет собой сеть из электрических компонентов , развернутых на поставку, передачи и использования электрической энергии. Примером энергосистемы является электросеть , обеспечивающая электроэнергией дома и промышленность на большой территории. Электрическую сеть можно в общих чертах разделить на генераторы, которые поставляют энергию, систему передачи, которая передает энергию от центров генерации к центрам нагрузки, и систему распределения, которая подает электроэнергию в соседние дома и предприятия. Системы питания меньшего размера также используются в промышленности, больницах, коммерческих зданиях и жилых домах. Большинство этих систем работают от трехфазного переменного тока.- стандарт крупномасштабной передачи и распределения электроэнергии в современном мире. Специализированные энергетические системы, которые не всегда зависят от трехфазного переменного тока, встречаются в самолетах, электрических рельсовых системах, океанских лайнерах, подводных лодках и автомобилях.

История [ править ]

Набросок вокзала Перл-стрит

В 1881 году два электрика построили первую в мире энергосистему в Годалминге в Англии. Он питался от двух водяных колес и вырабатывал переменный ток, который, в свою очередь, питал семь дуговых ламп Siemens на 250 вольт и 34 лампы накаливания на 40 вольт. [1] Однако поставки ламп были прерывистыми, и в 1882 году Томас Эдисон и его компания Edison Electric Light Company разработали первую паровую электростанцию ​​на Перл-стрит в Нью-Йорке. Первоначально на станции Pearl Street Station было установлено около 3000 ламп для 59 клиентов. [2] [3] Электростанция вырабатывает постоянный ток.и работал при одном напряжении. Мощность постоянного тока нельзя было легко или эффективно преобразовать в более высокие напряжения, необходимые для минимизации потерь мощности при передаче на большие расстояния, поэтому максимальное экономическое расстояние между генераторами и нагрузкой было ограничено примерно половиной мили (800 м). [4]

В том же году в Лондоне Люсьен Голард и Джон Диксон Гиббс продемонстрировали «вторичный генератор» - первый трансформатор, пригодный для использования в реальной энергосистеме. [5] Практическая ценность трансформатора Голлара и Гиббса была продемонстрирована в 1884 году в Турине, где трансформатор использовался для освещения сорока километров (25 миль) железной дороги от одного генератора переменного тока . [6] Несмотря на успех системы, пара допустила несколько фундаментальных ошибок. Пожалуй, самым серьезным соединялся праймериз трансформаторов в серии , так что активные лампы будут влиять на яркость других огней далее вниз по линии.

В 1885 году Отто Титуш Блати, работая с Кароли Зиперновски и Микса Дери, усовершенствовал вторичный генератор Голлара и Гиббса, снабдив его замкнутым железным сердечником и его нынешним названием: « трансформатор ». [7] Три инженера продолжили презентацию энергосистемы на Национальной выставке в Будапеште, в которой реализована система параллельного распределения переменного тока, предложенная британским ученым [a], в которой первичные обмотки нескольких силовых трансформаторов запитаны параллельно от высокого линия распределения напряжения. Система зажгла более 1000 ламп накаливания с угольными лампами и успешно проработала с мая по ноябрь того же года. [8]

В том же 1885 году американский предприниматель Джордж Вестингауз получил патентные права на трансформатор Голлара-Гиббса, импортировал некоторые из них вместе с генератором Сименса и заставил своих инженеров экспериментировать с ними в надежде улучшить их для использования в коммерческих целях. система питания. В 1886 году один из инженеров Westinghouse, Уильям Стэнли , независимо осознал проблему последовательного, а не параллельного соединения трансформаторов, а также понял, что превращение железного сердечника трансформатора в полностью замкнутый контур улучшит регулирование напряжения вторичной обмотки. [9]Используя эти знания, он построил в 1886 году систему переменного тока на базе трансформатора с несколькими напряжениями, обслуживающую несколько домов и предприятий в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс . [10] Однако система была ненадежной (в основном из-за проблем с генерацией) и недолговечной. [11] Однако, основываясь на этой системе, Westinghouse начнет установку систем трансформаторов переменного тока, конкурируя с компанией Edison, позже в том же году. В 1888 году Westinghouse лицензировала патенты Николы Теслы на многофазный асинхронный двигатель переменного тока и конструкции трансформатора. Тесла в течение года консультировал Westinghouse Electric & Manufacturing Companyно инженерам Westinghouse потребовалось еще четыре года, чтобы разработать работоспособный многофазный двигатель и систему трансмиссии. [12] [13]

К 1889 году электроэнергетика процветала, и энергетические компании построили тысячи энергосистем (как постоянного, так и переменного тока) в Соединенных Штатах и ​​Европе. Эти сети были фактически предназначены для обеспечения электрического освещения. За это время соперничество между компаниями Томаса Эдисона и Джорджа Вестингауза переросло в пропагандистскую кампанию по поводу того, какой вид передачи (постоянный или переменный ток) был лучше, серию событий, известных как « война токов ». [14] В 1891 году Вестингауз установил первую крупную энергосистему, которая была разработана для привода синхронного электродвигателя мощностью 100 лошадиных сил (75 кВт), а не только для электрического освещения, в Теллурайде, штат Колорадо . [15]По другую сторону Атлантики Михаил Доливо-Добровольский и Чарльз Юджин Ланселот Браун построили первую протяженную (175 км) высоковольтную (15 кВ, тогда рекорд) трехфазную линию электропередачи от Лауффен-на-Неккаре до Франкфурта. на Майне для выставки электротехники во Франкфурте, где электричество использовалось для зажигания ламп и работы водяного насоса. [16] [9] В Соединенных Штатах соревнование по переменному и постоянному току подошло к концу, когда Edison General Electric была поглощена их главным конкурентом по переменному току, Thomson-Houston Electric Company , и образовала General Electric . В 1895 году после длительного процесса принятия решений переменный токбыл выбран в качестве стандарта передачи: Westinghouse построила электростанцию ​​Adams № 1 в Ниагара-Фолс, а General Electric построила трехфазную систему электроснабжения переменного тока для снабжения Buffalo напряжением 11 кВ. [9]

Развитие энергосистем продолжалось и после девятнадцатого века. В 1936 году между Скенектади и Механиквиллем, штат Нью-Йорк, была построена первая экспериментальная линия постоянного тока высокого напряжения (HVDC) с использованием ртутных дуговых вентилей . [17] HVDC ранее было достигнуто с помощью последовательно соединенных генераторов постоянного тока и двигателей ( система Thury ), хотя это страдало от серьезных проблем с надежностью. [18] [17] Первый твердотельный металлический диод, пригодный для общих источников питания, был разработан Эрнстом Прессером в TeKaDe в 1928 году. Он состоял из слоя селена, нанесенного на алюминиевую пластину. [19]В 1957 году исследовательская группа General Electric разработала первый тиристор, пригодный для использования в силовых установках, положив начало революции в силовой электронике. В том же году компания Siemens продемонстрировала твердотельный выпрямитель, но только в начале 1970-х годов твердотельные устройства стали стандартом для HVDC, когда GE стала одним из ведущих поставщиков HVDC на основе тиристоров. [20] В 1979 году европейский консорциум, в который вошли Siemens, Brown Boveri & Cie и AEG, реализовал рекордную линию HVDC от Кабора-Басса до Йоханнесбурга , протяженностью более 1420 км, которая передавала 1,9 ГВт при 533 кВ. [17]

В последнее время многие важные события произошли в результате распространения инноваций в области информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) на область энергетики. Например, разработка компьютеров означала, что исследования потока нагрузки можно было проводить более эффективно, что позволило значительно улучшить планирование энергосистем. Достижения в области информационных технологий и телекоммуникаций также позволили эффективно дистанционно управлять распределительным устройством и генераторами энергосистемы.

Основы электроэнергетики [ править ]

Анимация трехфазного переменного тока

Электроэнергия - это произведение двух величин: тока и напряжения . Эти две величины могут меняться во времени ( мощность переменного тока ) или могут поддерживаться на постоянном уровне ( мощность постоянного тока ).

Большинство холодильников, кондиционеров, насосов и промышленного оборудования используют питание переменного тока, тогда как большинство компьютеров и цифрового оборудования используют питание постоянного тока (цифровые устройства, подключенные к сети, обычно имеют внутренний или внешний адаптер питания для преобразования переменного тока в постоянный). Преимущество переменного тока в том, что его легко преобразовывать между напряжениями, и он может генерироваться и использоваться бесщеточным оборудованием. Электропитание постоянного тока остается единственным практическим выбором в цифровых системах и может быть более экономичным для передачи на большие расстояния при очень высоких напряжениях (см. HVDC ). [21] [22]

Возможность легко преобразовывать напряжение переменного тока важна по двум причинам: во-первых, мощность может передаваться на большие расстояния с меньшими потерями при более высоких напряжениях. Поэтому в энергосистемах, где генерация удалена от нагрузки, желательно повышать (увеличивать) напряжение мощности в точке генерации, а затем понижать (уменьшать) напряжение около нагрузки. Во-вторых, зачастую более экономично установить турбины, которые производят более высокие напряжения, чем те, которые используются в большинстве приборов, поэтому возможность легко преобразовывать напряжения означает, что этим несоответствием между напряжениями можно легко управлять. [21]

Твердотельные устройства , являющиеся продуктами революции в области полупроводников, позволяют преобразовывать мощность постоянного тока в различные напряжения , создавать бесщеточные машины постоянного тока и преобразовывать мощность переменного и постоянного тока . Тем не менее, устройства, использующие твердотельную технологию, часто более дороги, чем их традиционные аналоги, поэтому питание переменного тока остается широко распространенным. [23]

Компоненты энергосистем [ править ]

Принадлежности [ править ]

Большинство власти в мире по - прежнему исходит от угольных электростанций , как это

Все энергосистемы имеют один или несколько источников энергии. Для некоторых энергосистем источник энергии является внешним по отношению к системе, но для других он является частью самой системы - именно эти внутренние источники энергии обсуждаются в оставшейся части этого раздела. Электропитание постоянного тока может обеспечиваться батареями , топливными элементами или фотоэлектрическими элементами . Электропитание переменного тока обычно подается ротором, который вращается в магнитном поле в устройстве, известном как турбогенератор . Для вращения ротора турбины использовался широкий спектр методов, от нагрева пара с использованием ископаемого топлива (включая уголь, газ и нефть) или ядерной энергии до падающей воды ( гидроэнергетика).) и ветер ( энергия ветра ).

Скорость вращения ротора в сочетании с числом полюсов генератора определяет частоту переменного тока, производимого генератором. Все генераторы в единой синхронной системе, например в национальной сети , вращаются с долей кратной одной и той же скорости и, таким образом, вырабатывают электрический ток с одинаковой частотой. Если нагрузка на систему возрастает, генераторам потребуется больший крутящий момент для вращения на этой скорости, а на паровой электростанции больше пара должно подаваться на турбины, приводящие их в движение. Таким образом, количество используемого пара и израсходованного топлива напрямую зависит от количества подаваемой электроэнергии. Исключение составляют генераторы, содержащие силовую электронику, например ветряные турбины без редуктора, или подключенные к сети через асинхронную связь, такую ​​какЛиния HVDC - они могут работать на частотах, не зависящих от частоты энергосистемы.

В зависимости от того, как питаются полюса, генераторы переменного тока могут производить переменное количество фаз мощности. Большее количество фаз приводит к более эффективной работе энергосистемы, но также увеличивает требования к инфраструктуре системы. [24] Системы электросетей соединяют несколько генераторов, работающих на одной и той же частоте: наиболее распространенными являются трехфазные с частотой 50 или 60 Гц.

Существует ряд конструктивных особенностей источников питания. Они варьируются от очевидного: какую мощность должен обеспечивать генератор? Каков приемлемый период времени для запуска генератора (для запуска некоторых генераторов могут потребоваться часы)? Является ли доступность источника энергии приемлемой (некоторые возобновляемые источники энергии доступны только тогда, когда светит солнце или дует ветер)? Говоря более технически: как должен запускаться генератор (некоторые турбины действуют как мотор, чтобы набрать скорость, и в этом случае им нужна соответствующая пусковая цепь)? Какова механическая скорость работы турбины и, следовательно, какое количество полюсов требуется? Какой тип генератора подходит ( синхронный или асинхронный) и какой тип ротора (ротор с короткозамкнутым ротором, ротор с фазной обмоткой, ротор с явнополюсным ротором или цилиндрический ротор)? [25]

Нагрузки [ править ]

Тостер является отличным примером однофазной нагрузки , которая может появиться в резиденции. Тостеры обычно потребляют от 2 до 10 ампер при напряжении от 110 до 260 вольт, потребляя от 600 до 1200 ватт мощности.

Системы питания поставляют энергию нагрузкам, которые выполняют определенные функции. Эти нагрузки варьируются от бытовой техники до промышленного оборудования. Большинство нагрузок рассчитаны на определенное напряжение, а для устройств переменного тока - определенную частоту и количество фаз. Например, бытовые электроприборы, как правило, однофазные, работающие при частоте 50 или 60 Гц с напряжением от 110 до 260 вольт (в зависимости от национальных стандартов). Исключение существует для более крупных централизованных систем кондиционирования воздуха, поскольку в некоторых странах они теперь обычно трехфазные, поскольку это позволяет им работать более эффективно. У всех электроприборов также есть номинальная мощность, которая указывает количество энергии, потребляемой устройством. В любое время,Чистое количество мощности, потребляемой нагрузками в энергосистеме, должно равняться чистому количеству мощности, произведенной источниками, за вычетом мощности, потерянной при передаче.[26] [27]

Убедиться, что напряжение, частота и мощность, подаваемая на нагрузку, соответствуют ожиданиям, является одной из важнейших задач проектирования энергосистем. Однако это не единственная проблема, в дополнение к мощности, используемой нагрузкой для выполнения полезной работы (называемой реальной мощностью ), многие устройства переменного тока также используют дополнительное количество энергии, потому что они вызывают небольшое снижение переменного напряжения и переменного тока. -of-sync (так называемая реактивная мощность ). Реактивная мощность, как и реальная мощность, должна быть сбалансирована (то есть реактивная мощность, производимая в системе, должна равняться потребляемой реактивной мощности), и может подаваться от генераторов, однако зачастую более экономично подавать такую ​​мощность с помощью конденсаторов (см. «Конденсаторы» и реакторы »ниже для более подробной информации).[28]

Последнее соображение, связанное с нагрузками, касается качества электроэнергии. Помимо устойчивых перенапряжений и пониженных напряжений (проблемы регулирования напряжения), а также устойчивых отклонений от частоты системы (проблемы регулирования частоты), на нагрузки энергосистемы может отрицательно влиять ряд временных проблем. К ним относятся провалы, провалы и выбросы напряжения, переходные перенапряжения, мерцание, высокочастотный шум, фазовый дисбаланс и низкий коэффициент мощности. [29] Проблемы с качеством электроэнергии возникают, когда питание нагрузки отклоняется от идеального. Вопросы качества электроэнергии могут быть особенно важны, когда речь идет о специализированном промышленном или больничном оборудовании.

Дирижеры [ править ]

Частично изолированные провода среднего напряжения в Калифорнии

По проводникам передается питание от генераторов к нагрузке. В сети проводники можно классифицировать как принадлежащие к системе передачи , которая передает большие объемы энергии при высоких напряжениях (обычно более 69 кВ) от центров генерации к центрам нагрузки, или к распределительной системе , которая подает меньшие количества энергии. мощность при более низких напряжениях (обычно менее 69 кВ) от центров нагрузки до ближайших домов и промышленных предприятий. [30]

Выбор проводников основывается на таких соображениях, как стоимость, потери при передаче и другие желательные характеристики металла, такие как прочность на разрыв. Медь с более низким удельным сопротивлением, чем алюминий , когда-то была предпочтительным проводником для большинства энергосистем. Однако алюминий имеет более низкую стоимость при той же допустимой нагрузке по току и в настоящее время часто является предпочтительным проводником. Жилы воздушных линий могут быть армированы сталью или алюминиевыми сплавами. [31]

Проводники во внешних энергосистемах могут быть размещены над или под землей. Воздушные провода обычно имеют воздушную изоляцию и опираются на фарфоровые, стеклянные или полимерные изоляторы. Кабели, используемые для подземных электропередач или проводки в зданиях , изолированы сшитым полиэтиленом или другой гибкой изоляцией. Проводники часто скручиваются, чтобы сделать их более гибкими и, следовательно, более простыми в установке. [32]

Проводники обычно рассчитаны на максимальный ток, который они могут выдерживать при заданном повышении температуры по сравнению с условиями окружающей среды. По мере увеличения тока через проводник он нагревается. Для изолированных проводов номинал определяется изоляцией. [33] Для неизолированных проводов номинал определяется точкой, в которой провисание проводов становится неприемлемым. [34]

Конденсаторы и реакторы [ править ]

Установка синхронного конденсатора на подстанции Темплстоу , Мельбурн, Виктория

Большая часть нагрузки в типичной системе питания переменного тока является индуктивной; ток отстает от напряжения. Поскольку напряжение и ток не совпадают по фазе, это приводит к появлению «воображаемой» формы мощности, известной как реактивная мощность . Реактивная мощность не является измеримой работой, но передается туда и обратно между источником реактивной мощности и нагрузкой каждый цикл. Эта реактивная мощность может быть обеспечена самими генераторами, но часто дешевле обеспечить ее через конденсаторы, поэтому конденсаторы часто размещаются рядом с индуктивными нагрузками (то есть, если они не находятся на месте, на ближайшей подстанции), чтобы снизить потребность в токе в энергосистеме ( т.е. увеличить коэффициент мощности ).

Реакторы потребляют реактивную мощность и используются для регулирования напряжения на протяженных линиях электропередачи. В условиях небольшой нагрузки, когда нагрузка на линии передачи намного ниже нагрузки импульсного сопротивления , эффективность энергосистемы может быть фактически улучшена путем переключения реакторов. Реакторы, установленные в энергосистеме последовательно, также ограничивают скачки тока, поэтому реакторы небольшой мощности почти всегда устанавливаются последовательно с конденсаторами, чтобы ограничить скачок тока, связанный с переключением конденсатора. Последовательные реакторы также могут использоваться для ограничения токов короткого замыкания.

Конденсаторы и реакторы переключаются автоматическими выключателями, что приводит к умеренно большим скачкообразным изменениям реактивной мощности. Решением этой проблемы являются синхронные конденсаторы , статические компенсаторы VAR и статические синхронные компенсаторы . Вкратце, синхронные конденсаторы - это синхронные двигатели, которые свободно вращаются для выработки или поглощения реактивной мощности. [35] Статические компенсаторы VAR работают путем переключения конденсаторов с помощью тиристоров, в отличие от автоматических выключателей, позволяющих включать и отключать конденсаторы в течение одного цикла. Это обеспечивает гораздо более точный отклик, чем конденсаторы с переключением выключателя. Статические синхронные компенсаторы делают шаг вперед, обеспечивая регулировку реактивной мощности с использованием толькосиловая электроника .

Силовая электроника [ править ]

В этом внешнем бытовом адаптере переменного тока в постоянный используется силовая электроника.

Силовая электроника - это устройства на основе полупроводников, которые могут переключать мощность в диапазоне от нескольких сотен ватт до нескольких сотен мегаватт. Несмотря на их относительно простую функцию, их скорость работы (обычно порядка наносекунд [36] ) означает, что они способны решать широкий круг задач, которые были бы трудными или невозможными при использовании обычных технологий. Классическая функция силовой электроники - выпрямление.или преобразование мощности переменного тока в постоянный, поэтому силовая электроника присутствует почти в каждом цифровом устройстве, которое питается от источника переменного тока либо в виде адаптера, который подключается к стене (см. фото), либо в качестве внутреннего компонента устройства. Мощная силовая электроника также может использоваться для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока для передачи на большие расстояния в системе, известной как HVDC.. HVDC используется потому, что он оказывается более экономичным, чем аналогичные системы переменного тока высокого напряжения на очень большие расстояния (от сотен до тысяч километров). Высоковольтное напряжение постоянного тока также желательно для межсоединений, поскольку оно обеспечивает независимость частоты, что улучшает стабильность системы. Силовая электроника также необходима для любого источника питания, который необходим для выработки переменного тока на выходе, но по своей природе производит постоянный ток. Поэтому они используются в фотоэлектрических установках.

Силовая электроника также находит широкое применение в более экзотических целях. Они лежат в основе всех современных электрических и гибридных транспортных средств, где они используются как для управления двигателем, так и как часть бесщеточного двигателя постоянного тока . Силовая электроника также присутствует практически во всех современных транспортных средствах с бензиновым двигателем, это связано с тем, что одной только энергии, обеспечиваемой автомобильными аккумуляторами, недостаточно для обеспечения зажигания, кондиционирования воздуха, внутреннего освещения, радио и дисплеев приборной панели в течение всего срока службы автомобиля. Таким образом, аккумуляторы необходимо заряжать во время вождения - подвиг, который обычно достигается с помощью силовой электроники. В то время как обычные технологии не подходят для современного электромобиля, коммутаторы могут и использовались в автомобилях с бензиновым двигателем, переход на генераторы переменного токав сочетании с силовой электроникой произошло из-за повышения долговечности бесщеточного оборудования. [37]

Некоторые электрические железнодорожные системы также используют мощность постоянного тока и, таким образом, используют силовую электронику для подачи электроэнергии в локомотивы и часто для управления скоростью двигателя локомотива. В середине двадцатого века были популярны выпрямительные локомотивы , в которых использовалась силовая электроника для преобразования энергии переменного тока из железнодорожной сети в двигатель постоянного тока. [38]Сегодня большинство электровозов питаются от сети переменного тока и работают с двигателями переменного тока, но по-прежнему используют силовую электронику для обеспечения надлежащего управления двигателем. Использование силовой электроники для помощи в управлении двигателем и в цепях стартера, помимо выпрямления, является причиной появления силовой электроники в широком спектре промышленного оборудования. Силовая электроника, даже появившаяся в современных жилых кондиционерах, лежит в основе ветряных турбин с регулируемой скоростью .

Защитные устройства [ править ]

Основная статья: защита энергосистемы
Многофункциональное цифровое защитное реле, обычно устанавливаемое на подстанции для защиты распределительного фидера.

Системы питания содержат защитные устройства для предотвращения травм или повреждений во время сбоев. Наиболее важным защитным устройством является предохранитель. Когда ток через предохранитель превышает определенный порог, плавкий элемент плавится, образуя дугу в образовавшемся промежутке, который затем гаснет, прерывая цепь. Учитывая, что предохранители могут быть слабым местом системы, они идеально подходят для защиты схемы от повреждений. Однако у предохранителей есть две проблемы: во-первых, после того, как они сработают, предохранители должны быть заменены, так как их нельзя сбросить. Это может оказаться неудобным, если предохранитель находится в удаленном месте или запасного предохранителя нет под рукой. Во-вторых, предохранители, как правило, не подходят в качестве единственного предохранительного устройства в большинстве энергосистем, поскольку они пропускают ток, значительно превышающий тот, который может оказаться смертельным для человека или животного.

Первая проблема решается применением автоматических выключателей.—Устройства, которые могут быть сброшены после прекращения подачи тока. В современных системах, которые потребляют менее 10 кВт, обычно используются миниатюрные автоматические выключатели. Эти устройства объединяют в себе механизм, инициирующий отключение (путем измерения избыточного тока), а также механизм, прерывающий прохождение тока, в одном устройстве. Некоторые автоматические выключатели работают исключительно на основе электромагнетизма. В этих миниатюрных автоматических выключателях ток проходит через соленоид, и в случае чрезмерного протекания тока магнитное притяжение соленоида оказывается достаточным для принудительного размыкания контактов автоматического выключателя (часто косвенно через механизм отключения). Однако лучшая конструкция достигается за счет вставки биметаллической полосы перед соленоидом - это означает, что вместо того, чтобы всегда создавать магнитную силу,соленоид создает магнитную силу только тогда, когда ток достаточно силен, чтобы деформировать биметаллическую полосу и замкнуть цепь соленоида.

В приложениях с более высокой мощностью защитные реле, которые обнаруживают неисправность и инициируют отключение, находятся отдельно от автоматического выключателя. Ранние реле работали на основе электромагнитных принципов, подобных тем, которые упоминались в предыдущем абзаце, современные реле представляют собой специализированные компьютеры, которые определяют, отключаться ли на основе показаний энергосистемы. Различные реле инициируют отключение в зависимости от различных схем защиты.. Например, реле максимального тока может инициировать отключение, если ток на какой-либо фазе превышает определенный порог, тогда как набор дифференциальных реле может инициировать отключение, если сумма токов между ними указывает на возможную утечку тока на землю. Автоматические выключатели в более мощных приложениях тоже разные. Как правило, воздуха уже недостаточно для гашения дуги, которая возникает при принудительном размыкании контактов, поэтому используются различные методы. Один из самых популярных методов - держать камеру, в которой находятся контакты, заполненным гексафторидом серы (SF 6 ) - нетоксичным газом с хорошими свойствами гашения дуги. Другие методы обсуждаются в справочнике. [39]

Вторая проблема, неадекватность предохранителей для работы в качестве единственного предохранительного устройства в большинстве энергосистем, вероятно, лучше всего решается с помощью устройств защитного отключения (УЗО). В любом правильно функционирующем электрическом приборе ток, протекающий в прибор на активной линии, должен быть равен току, протекающему из прибора на нейтральной линии. Устройство защитного отключения работает, контролируя активную и нейтральную линии и отключая активную линию, если обнаруживает разницу. [40]Для устройств защитного отключения требуется отдельная линия нейтрали для каждой фазы, и они должны иметь возможность отключиться в течение определенного периода времени до того, как произойдет повреждение. Как правило, это не проблема в большинстве жилых помещений, где стандартная проводка обеспечивает активную и нейтральную линию для каждого устройства (поэтому ваши вилки питания всегда имеют как минимум два ключа), а напряжения относительно низкие, однако эти проблемы ограничивают эффективность УЗО в другие приложения, такие как промышленность. Даже при установке УЗО воздействие электричества может оказаться фатальным.

Системы SCADA [ править ]

В крупных электроэнергетических системах диспетчерский контроль и сбор данных(SCADA) используется для таких задач, как включение генераторов, управление мощностью генератора и включение или выключение элементов системы для обслуживания. Первые реализованные системы диспетчерского управления состояли из панели ламп и переключателей на центральной консоли рядом с управляемой установкой. Лампы обеспечивали обратную связь о состоянии установки (функция сбора данных), а переключатели позволяли вносить изменения в установку (функция диспетчерского управления). Сегодня системы SCADA намного сложнее, и, благодаря достижениям в системах связи, пультам управления заводом больше не нужно находиться рядом с ним. Вместо этого сейчас обычным явлением является управление заводами с помощью оборудования, аналогичного (если не идентичного) настольному компьютеру.Возможность управлять такими установками с помощью компьютеров повысила потребность в безопасности - уже поступали сообщения о кибератаках на такие системы, вызывающих серьезные сбои в энергосистемах.[41]

Энергетические системы на практике [ править ]

Несмотря на общие компоненты, системы питания сильно различаются как по конструкции, так и по принципам работы. В этом разделе представлены некоторые распространенные типы энергосистем и кратко объясняется их работа.

Жилые энергосистемы [ править ]

Жилые дома почти всегда получают питание от распределительных линий низкого напряжения или кабелей, которые проходят мимо жилища. Они работают при напряжении от 110 до 260 В (фаза-земля) в зависимости от национальных стандартов. Несколько десятилетий назад небольшие жилые дома питались одной фазой с помощью специального двухжильного служебного кабеля (одна жила для активной фазы и одна жила для нейтрали). Затем активная линия будет проходить через главный разъединитель в блоке предохранителей.и затем разделен на одну или несколько цепей для питания освещения и приборов внутри дома. По соглашению, цепи освещения и электроприборов разделены, поэтому выход из строя электроприбора не оставляет жильцов дома в темноте. Все цепи должны быть снабжены соответствующими предохранителями в зависимости от размера провода, используемого для этой цепи. Цепи будут иметь как активный, так и нейтральный провод, при этом розетки освещения и питания будут подключены параллельно. Розетки также будут снабжены защитным заземлением. Это будет доступно для подключения устройств к любому металлическому корпусу. Теоретически, если бы этот кожух оказался под напряжением, соединение с землей привело бы к срабатыванию УЗО или плавкого предохранителя, что предотвратило бы в будущем поражение электрическим током пассажира, работающего с прибором. Системы заземленияразличаются в зависимости от региона, но в таких странах, как Великобритания и Австралия, и защитное заземление, и нейтраль должны быть заземлены вместе рядом с блоком предохранителей до того, как главный разъединительный выключатель и нейтраль снова будут заземлены на распределительном трансформаторе. [42]

За прошедшие годы в практику электропроводки в жилых помещениях был внесен ряд незначительных изменений. Вот некоторые из наиболее значительных отличий современных бытовых энергосистем в развитых странах от старых:

  • Для удобства в блоке предохранителей теперь почти всегда используются миниатюрные автоматические выключатели вместо предохранителей, так как они могут быть легко сброшены жильцами и, если они термомагнитного типа, могут быстрее реагировать на некоторые типы неисправностей.
  • В целях безопасности в настоящее время УЗО часто устанавливают в цепях электроприборов и, все чаще, даже в цепях освещения.
  • В то время как раньше бытовые кондиционеры могли питаться от выделенной цепи, подключенной к одной фазе, более крупные централизованные кондиционеры, требующие трехфазного питания, теперь становятся обычным явлением в некоторых странах.
  • Защитные заземления теперь проложены вместе с цепями освещения, чтобы можно было заземлить металлические патроны ламп.
  • В бытовые энергосистемы все чаще используются микрогенераторы , в первую очередь фотоэлектрические элементы.

Коммерческие энергосистемы [ править ]

Коммерческие энергосистемы, такие как торговые центры или высотные здания, крупнее жилых систем. Электрические конструкции для более крупных коммерческих систем обычно изучаются на предмет расхода нагрузки, уровней короткого замыкания и падения напряжения для установившихся нагрузок и во время запуска больших двигателей. Целью исследований является обеспечение надлежащего размера оборудования и проводов, а также согласование защитных устройств таким образом, чтобы при устранении неисправности возникали минимальные нарушения. Крупные коммерческие установки будут иметь упорядоченную систему субпанелей, отделенных от главного распределительного щита, чтобы обеспечить лучшую защиту системы и более эффективный электромонтаж.

Обычно одним из самых крупных устройств, подключенных к коммерческой энергосистеме в жарком климате, является блок HVAC, и обеспечение надлежащего питания этого блока является важным фактором в коммерческих энергосистемах. Правила для коммерческих предприятий устанавливают другие требования к коммерческим системам, которые не относятся к жилым системам. Например, в Австралии коммерческие системы должны соответствовать AS 2293, стандарту аварийного освещения, который требует, чтобы аварийное освещение поддерживалось не менее 90 минут в случае отключения электросети. [43] В США Национальный электротехнический кодекс требует, чтобы коммерческие системы были построены как минимум с одной вывеской на 20 А для освещения наружных вывесок. [44] Нормы строительных норм могут накладывать особые требования на электрические системы для аварийного освещения, эвакуации, аварийного питания, контроля дыма и противопожарной защиты.

Управление энергосистемой [ править ]

Управление системой питания зависит от системы питания. Бытовые энергосистемы и даже автомобильные электрические системы часто выходят из строя. В авиации система питания использует резервирование для обеспечения доступности. На Boeing 747-400 любой из четырех двигателей может обеспечивать питание, и автоматические выключатели проверяются как часть включения питания (сработавший автоматический выключатель указывает на неисправность). [45] Более крупные энергосистемы требуют активного управления. На промышленных предприятиях или на горнодобывающих предприятиях одна команда может нести ответственность за устранение неисправностей, расширение и обслуживание. Что касается электросети , то управление делится между несколькими специализированными командами.

Управление неисправностями [ править ]

Управление неисправностями включает мониторинг поведения энергосистемы с целью выявления и устранения проблем, влияющих на надежность системы. [46] Управление неисправностями может быть специфическим и реактивным: например, отправка команды к проводнику, который был сбит во время шторма. Или, в качестве альтернативы, можно сосредоточиться на системных улучшениях: таких как установка реклоузеров на тех участках системы, которые подвержены частым временным сбоям (которые могут быть вызваны растительностью, молниями или дикой природой). [47]

Обслуживание и дополнения [ править ]

В дополнение к устранению неисправностей, энергосистемам может потребоваться техническое обслуживание или расширение. Поскольку во время этой работы отключение больших частей системы нецелесообразно и нецелесообразно, в энергосистемах используется множество переключателей. Эти переключатели позволяют изолировать часть системы, над которой выполняется работа, в то время как остальная часть системы остается под напряжением. При высоких напряжениях следует отметить два переключателя: изоляторы и автоматические выключатели . Автоматические выключатели представляют собой выключатели нагрузки, работающие в качестве изоляторов под нагрузкой, которые могут привести к недопустимому и опасному искрообразованию.. При типичном плановом отключении питания срабатывает несколько автоматических выключателей, чтобы можно было переключить изоляторы до того, как автоматические выключатели снова включатся, чтобы перенаправить мощность вокруг изолированной области. Это позволяет завершить работы на изолированном участке. [48]

Управление частотой и напряжением [ править ]

Помимо устранения неисправностей и технического обслуживания, одна из основных трудностей энергосистем состоит в том, что потребляемая активная мощность плюс потери должны равняться произведенной активной мощности. Если нагрузка снижается, а входные параметры генерации остаются постоянными, синхронные генераторы будут вращаться быстрее и частота системы возрастет. Обратное происходит при увеличении нагрузки. Таким образом, системной частотой необходимо активно управлять, прежде всего, путем включения и выключения управляемых нагрузок и генерации . Обеспечение постоянной частоты обычно является задачей системного оператора . [49] Даже при сохранении частоты оператор системы может быть занят, обеспечивая:

  1. оборудование или клиенты в системе получают необходимое напряжение
  2. передача реактивной мощности сведена к минимуму (что ведет к более эффективной работе)
  3. отправляются команды, и система переключается для устранения любых ошибок
  4. дистанционное переключение осуществляется для обеспечения возможности работы системы [50]

Примечания [ править ]

  1. ^ В литературе просто упоминается как Р. Кеннеди [7]

См. Также [ править ]

  • Моделирование энергосистемы

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Годалминг Электростанция" . Инженерные сроки . Проверено 3 мая 2009 года .
  2. Перейти ↑ Williams, Jasmin (30 ноября 2007 г.). «Эдисон освещает город» . New York Post . Проверено 31 марта 2008 года .
  3. ^ Грант, Кейси. «Рождение NFPA» . Национальная ассоциация противопожарной защиты. Архивировано из оригинального 28 декабря 2007 года . Проверено 31 марта 2008 года .
  4. ^ «Начало работы в крупных электрических сетях» (PDF) (пресс-релиз). Нью-Йоркский независимый системный оператор. Архивировано из оригинального (PDF) 26 февраля 2009 года . Проверено 25 мая 2008 года .
  5. ^ Гварнери, M. (2013). «Кто изобрел трансформатор?». Журнал IEEE Industrial Electronics Magazine . 7 (4): 56–59. DOI : 10.1109 / MIE.2013.2283834 . S2CID 27936000 . 
  6. ↑ Кац, Евгений (8 апреля 2007 г.). «Люсьен Голар» . Архивировано из оригинального 22 апреля 2008 года . Проверено 25 мая 2008 года .
  7. ^ a b Guarnieri, M. (2013). «Начало передачи электроэнергии: Часть первая». Журнал IEEE Industrial Electronics Magazine . 7 (1): 57–60. DOI : 10.1109 / MIE.2012.2236484 . S2CID 45909123 . 
  8. ^ П. Асталош (25 июня 1985). «Столетие трансформатора» .
  9. ^ a b c Guarnieri, M. (2013). «Начало передачи электроэнергии: Часть вторая». Журнал IEEE Industrial Electronics Magazine . 7 (2): 52–59. DOI : 10.1109 / MIE.2013.2256297 . S2CID 42790906 . 
  10. ^ Блэлок, Томас (2 октября 2004). «Электрификация переменного тока, 1886» . IEEE . Проверено 25 мая 2008 года .
  11. ^ M.Whelan, Стив Rockwell и Томас Блэлок. «Великий Баррингтон 1886» . Технический центр Эдисона..
  12. ^ Карлсон, У. Бернард (2013). Тесла: Изобретатель электрического века, Princeton University Press, стр. 115, 159, 166-167.
  13. ^ Клустер, John W. (6 апреля 2018). Иконы изобретений: Создатели современного мира от Гутенберга до Гейтса . ABC-CLIO. ISBN 9780313347436. Проверено 6 апреля 2018 г. - через Google Книги.
  14. ^ Jr, Квентин Р. Skrabec (4 мая 2012). 100 самых значительных событий в американском бизнесе: энциклопедия . ABC-CLIO. ISBN 9780313398636. Проверено 6 апреля 2018 г. - через Google Книги.
  15. ^ Foran, Джек. «День, когда они начали падать» . Архивировано из оригинального 11 мая 2008 года . Проверено 25 мая 2008 года .
  16. ^ Центр, Copyright 2015 Edison Tech. «Из Лауффена во Франкфурт 1891» . www.edisontechcenter.org . Проверено 6 апреля 2018 .
  17. ^ a b c Guarnieri, M. (2013). «Альтернативная эволюция передачи постоянного тока». Журнал IEEE Industrial Electronics Magazine . 7 (3): 60–630. DOI : 10.1109 / MIE.2013.2272238 . S2CID 23610440 . 
  18. ^ «Новая, но недолговечная система распределения энергии» . IEEE. 1 мая 2005 года Архивировано из оригинала 25 июня 2007 . Проверено 25 мая 2008 .
  19. ^ Guarnieri, Massimo (2018). «Упрочняющая силовая электроника» . Журнал IEEE Industrial Electronics Magazine . 12 : 36–40. DOI : 10.1109 / MIE.2018.2791062 . hdl : 11577/3271203 . S2CID 4079824 . 
  20. ^ Джин Вольф (1 декабря 2000 г.). «Электричество сквозь века» . Мир передачи и распределения .
  21. ^ a b All About Circuits [Электронный учебник], Тони Р. Купхальдт и др., последний доступ 17 мая 2009 г.
  22. ^ Роберто Rudervall; JP Charpentier; Рагхувир Шарма (7–8 марта 2000 года). «Обзор технологии систем передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC)» (PDF) . Всемирный банк. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )(также здесь, Архивировано 3 марта 2016 года в Wayback Machine )
  23. ^ Нед Мохан; TM Undeland; Уильям П. Роббинс (2003). Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн . Соединенные Штаты Америки: ISBN John Wiley & Sons, Inc. 0-471-22693-9.
  24. Перейти ↑ Chapman, Stephen (2002). Основы электрического машиностроения и энергосистем . Бостон: Макгроу-Хилл. С. Глава 4. ISBN 0-07-229135-4.
  25. Перейти ↑ Chapman, Stephen (2002). Основы электрического машиностроения и энергосистем . Бостон: Макгроу-Хилл. С. Главы 6 и 7. ISBN 0-07-229135-4.
  26. ↑ Электричество во всем мире , Конрад Х. МакГрегор, апрель 2010 г.
  27. ^ Что такое амперы, ватты, вольт и омы? , HowStuffWorks.com, 31 октября 2000 г. Последний доступ: 27 июня 2010 г.
  28. Перейти ↑ Chapman, Stephen (2002). Основы электрического машиностроения и энергосистем . Бостон: Макгроу-Хилл. С. Глава 11. ISBN 0-07-229135-4.
  29. ^ Краткие руководства по качеству электроэнергии для инженеров , PSL, по состоянию на 21 августа 2010 г.
  30. ↑ Маршалл Брейн, « Как работают электросети », howstuffworks.com, 1 апреля 2000 г.
  31. ^ Практическое применение электрических проводников , Стефан Фассбиндер, Deutsches Kupferinstitut, январь 2010 г.
  32. ^ Серия обучения морской инженерии (рис. 1.6), ВМС США (переиздано tpub.com), 2007.
  33. ^ Точность проводника , Все о схемах, Тони Р. Купхальдт и др., 2000.
  34. ^ Grigsby, Леонард (2007). Производство, передача и распределение электроэнергии . CRC Press 2007. С. Глава 14. ISBN. 978-0-8493-9292-4.
  35. ^ BM Weedy, Electric Power Systems Second Edition, John Wiley and Sons, Лондон, 1972, ISBN 0-471-92445-8, стр. 149 
  36. ^ Коммутационные характеристики тиристоров при включении архивации 7 июля 2012 года в Archive.today , [electricalandelectronics.org] , 9 апреля 2009.
  37. ^ «Производитель кондиционеров выбирает интеллектуальные силовые модули» . Технология силовой электроники . 31 августа 2005 . Проверено 30 марта 2016 .
  38. ^ Калверли, HB; Джарвис, EAK; Уильямс, Э. (1957). «Электрооборудование выпрямительных локомотивов». Материалы IEE - Часть A: Энергетика . 104 (17): 341. DOI : 10,1049 / пи-a.1957.0093 .
  39. ^ http://ocw.kfupm.edu.sa/user/EE46603/Circuit%20Breakers.pdf
  40. ^ Как работает УЗО? Архивировано 15 февраля 2010 г. на Wayback Machine , PowerBreaker, доступ осуществлен 14 марта-10.
  41. ^ Отчет: взлом украинской энергосистемы , Ким Зеттер, WIRED, 3 марта 2016 г.
  42. ^ "Система заземления MEN" (PDF) . Информационный бюллетень для электриков №1 . Управление энергетики (Вашингтон): 2 мая 2001 г. Архивировано 10 марта 2011 г. из оригинала (PDF) . Дата обращения 30 декабря 2010 .
  43. ^ «Аварийное освещение - необходимая услуга» .
  44. ^ "Коммерческие нагрузки - Часть 2" . ecmweb.com . 25 марта 2010 . Проверено 6 апреля 2018 .
  45. ^ AviationKnowledge (2016). Boeing B747-400F CBT # 31 Электрическая система - Обзор и питание переменного тока .
  46. ^ Lutfiyya, HL, Бауэр, М. А. Маршалл, Д. (2000). «Управление сбоями в распределенных системах: подход на основе политик». Журнал сетевого и системного управления . 8 (4): 499–525. DOI : 10,1023 / A: 1026482400326 . S2CID 41004116 . CS1 maint: uses authors parameter (link)
  47. ^ Управление неисправностями в электрических распределительных системах (PDF) . Заключительный отчет рабочей группы CIRED WG03 Fault Management (Отчет). 1998. S2CID 44290460 .  
  48. ^ Gaurav J (2018). Разница между автоматическим выключателем и изолятором .
  49. ^ С. Стофт. Экономика энергосистемы. IEEE Press, 2002.
  50. ^ Требования к системе питания (Справочный документ) (PDF) (Отчет). AEMO. 2020.

Внешние ссылки [ править ]

  • Общество энергетики IEEE
  • Статьи международного журнала "Энергетика"
  • Статьи журнала "Энергетика"
  • Американское общество инженеров-энергетиков, Inc.
  • Национальный институт единого лицензирования Power Engineer Inc.