✖


Jump to content

Электроэнергетическая система

(Перенаправлено с Энергосистемы )
Часть серии о
Энергетика
Преобразование электроэнергии
Электроэнергетическая инфраструктура
Компоненты электроэнергетических систем

Паровая турбина, используемая для выработки электроэнергии

Электроэнергетическая система — это сеть электрических компонентов, предназначенных для подачи, передачи и использования электроэнергии. Примером энергосистемы является электрическая сеть , которая обеспечивает электроэнергией дома и предприятия на обширной территории. Электрическую сеть можно в общих чертах разделить на генераторы , которые поставляют электроэнергию, систему передачи , которая передает энергию от генерирующих центров к центрам нагрузки , и систему распределения , которая подает энергию в близлежащие дома и предприятия.

Меньшие энергосистемы также встречаются в промышленности, больницах, коммерческих зданиях и домах. Однолинейная диаграмма помогает представить всю эту систему. Большинство этих систем полагаются на трехфазное питание переменного тока — стандарт для крупномасштабной передачи и распределения электроэнергии в современном мире. Специализированные энергосистемы, которые не всегда полагаются на трехфазное питание переменного тока, встречаются в самолетах, железнодорожных системах электропередач, океанских лайнерах, подводных лодках и автомобилях.

История

[ редактировать ]
Эскиз станции Перл-стрит

В 1881 году два электрика построили первую в мире энергосистему в Годалминге в Англии. Он приводился в движение двумя водяными колесами и производил переменный ток, который, в свою очередь, питал семь дуговых ламп Siemens на 250 вольт и 34 лампы накаливания на 40 вольт. [1] Однако подача ламп была прерывистой, и в 1882 году Томас Эдисон и его компания Edison Electric Light Company разработали первую паровую электростанцию ​​на Перл-стрит в Нью-Йорке. Первоначально станция Перл-стрит питала около 3000 ламп для 59 клиентов. [2] [3] Электростанция вырабатывала постоянный ток и работала при одном напряжении. Энергию постоянного тока невозможно было легко и эффективно преобразовать в более высокое напряжение, необходимое для минимизации потерь мощности при передаче на большие расстояния, поэтому максимальное экономичное расстояние между генераторами и нагрузкой было ограничено примерно полумилей (800 м). [4]

В том же году в Лондоне Люсьен Голар и Джон Диксон Гиббс продемонстрировали «вторичный генератор» — первый трансформатор, пригодный для использования в реальной энергосистеме. [5] Практическая ценность трансформатора Голара и Гиббса была продемонстрирована в 1884 году в Турине , где трансформатор использовался для освещения 40 километров (25 миль) железных дорог от одного генератора переменного тока . [6] Несмотря на успех системы, пара допустила несколько фундаментальных ошибок. соединение первичных проводов трансформаторов Пожалуй, самым серьезным было последовательное , чтобы активные лампы влияли на яркость других ламп, расположенных дальше по линии.

В 1885 году Отто Титуш Блати в сотрудничестве с Кароли Циперновским и Миксой Дери усовершенствовал вторичный генератор Голара и Гиббса, снабдив его закрытым железным сердечником и получив нынешнее название: « трансформатор ». [7] Три инженера представили на Национальной генеральной выставке в Будапеште энергосистему, в которой реализована параллельная система распределения переменного тока, предложенная британским ученым. [а] в котором несколько силовых трансформаторов имеют первичные обмотки, питаемые параллельно от высоковольтной распределительной линии. Система зажгла более 1000 ламп накаливания с угольной нитью и успешно работала с мая по ноябрь того же года. [8]

Также в 1885 году Джордж Вестингауз , американский предприниматель, получил патентные права на трансформатор Голара-Гиббса, импортировал несколько из них вместе с генератором Сименса и поручил своим инженерам экспериментировать с ними в надежде улучшить их для использования в коммерческих целях. энергосистема. В 1886 году один из инженеров Вестингауза, Уильям Стэнли , независимо осознал проблему последовательного соединения трансформаторов, а не параллельного , а также понял, что превращение железного сердечника трансформатора в полностью замкнутый контур улучшит регулирование напряжения вторичной обмотки. [9] Используя эти знания, в 1886 году он построил систему переменного тока на основе трансформатора с несколькими напряжениями, обслуживающую несколько домов и предприятий в Грейт-Баррингтоне, штат Массачусетс . [10] Однако система была ненадежной и недолговечной, в первую очередь из-за проблем с генерацией. [11] Однако на основе этой системы Westinghouse позже в том же году начнет установку систем трансформаторов переменного тока, конкурируя с компанией Edison. В 1888 году Вестингауз лицензировал патенты Николы Теслы на конструкции многофазного асинхронного двигателя переменного тока и трансформатора. Тесла в течение года консультировал компанию Westinghouse Electric & Manufacturing Company, но инженерам Westinghouse потребовалось еще четыре года, чтобы разработать работоспособный многофазный двигатель и систему передачи. [12] [13]

К 1889 году электроэнергетика процветала, и энергетические компании построили тысячи энергосистем (как постоянного, так и переменного тока) в США и Европе. Эти сети фактически предназначались для обеспечения электрического освещения. За это время соперничество между компаниями Томаса Эдисона и Джорджа Вестингауза переросло в пропагандистскую кампанию по вопросу о том, какая форма передачи (постоянный или переменный ток) лучше, серию событий, известную как « война токов ». [14] первую крупную энергосистему, которая была предназначена для привода синхронного электродвигателя мощностью 100 лошадиных сил (75 кВт), а не только для обеспечения электрического освещения В 1891 году компания Westinghouse установила в Теллурайде, штат Колорадо, . [15] По другую сторону Атлантики Михаил Доливо-Добровольский и Чарльз Юджин Ланселот Браун построили первую магистральную (175 километров (109 миль)) высоковольтную (15 кВ, тогда рекорд) трёхфазную линию электропередачи из Лауффена. из Неккара во Франкфурт-на-Майне на выставку электротехники во Франкфурте, где энергия использовалась для освещения ламп и запуска водяного насоса. [16] [9] В Соединенных Штатах конкуренция переменного/постоянного тока подошла к концу, когда компания Edison General Electric была поглощена их главным конкурентом по переменному току, компанией Thomson-Houston Electric Company , образовав General Electric . В 1895 году, после длительного процесса принятия решений, переменный ток был выбран в качестве стандарта передачи: Westinghouse построила электростанцию ​​​​Адамс № 1 в Ниагарском водопаде , а General Electric построила трехфазную энергосистему переменного тока для снабжения Буффало напряжением 11 кВ. . [9]

Развитие энергетических систем продолжалось и после девятнадцатого века. первая экспериментальная постоянного тока высокого напряжения линия (HVDC) с использованием ртутных дуговых клапанов . была построена В 1936 году между Скенектади и Механиквиллем, штат Нью-Йорк , [17] HVDC ранее достигался с помощью последовательно соединенных генераторов и двигателей постоянного тока ( система Тьюри ), хотя это имело серьезные проблемы с надежностью. [18] [17] Первый твердотельный металлический диод, пригодный для общего применения в энергетике, был разработан Эрнстом Прессером в компании 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 приложениях, положив начало революции в силовой электронике. В том же году Siemens продемонстрировала твердотельный выпрямитель , но только в начале 1970-х годов твердотельные устройства стали стандартом в сфере HVDC, когда GE стала одним из ведущих поставщиков HVDC на тиристорной основе. [20] В 1979 году европейский консорциум, в который входили Siemens, Brown Boveri & Cie и AEG, реализовал рекордную линию HVDC от Кабора-Басса до Йоханнесбурга протяженностью более 1420 километров (880 миль), по которой передавалось 1,9 ГВт при напряжении 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, развитие компьютеров означало, что исследования распределения нагрузки можно было проводить более эффективно, что позволило гораздо лучше планировать энергосистемы. Достижения в области информационных технологий и телекоммуникаций также позволили эффективно дистанционно управлять распределительными устройствами и генераторами энергосистемы.

Основы электроэнергетики

[ редактировать ]
Анимация трехфазного переменного тока

Электрическая мощность – 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 переменный ток, тогда как большинство компьютеров и цифрового оборудования используют постоянный ток (цифровые устройства, подключенные к сети, обычно имеют внутренний или внешний адаптер питания для преобразования переменного тока в постоянный). Преимущество переменного тока заключается в том, что его легко преобразовать между напряжениями, а также его можно генерировать и использовать с помощью бесщеточных машин. Мощность постоянного тока остается единственным практическим выбором в цифровых системах и может быть более экономичной при передаче на большие расстояния при очень высоких напряжениях (см. HVDC ). [21] [22]

Возможность легко преобразовывать напряжение переменного тока важна по двум причинам: во-первых, мощность можно передавать на большие расстояния с меньшими потерями при более высоких напряжениях. Поэтому в энергосистемах, где генерация находится на расстоянии от нагрузки, желательно повысить (увеличить) напряжение мощности в точке генерации, а затем понизить (уменьшить) напряжение вблизи нагрузки. Во-вторых, зачастую более экономично устанавливать турбины , вырабатывающие более высокое напряжение, чем используется большинством приборов, поэтому способность легко преобразовывать напряжения означает, что этим несоответствием между напряжениями можно легко управлять. [21]

Твердотельные устройства , являющиеся продуктами полупроводниковой революции, 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 полупроводниковые технологии, часто стоят дороже, чем их традиционные аналоги, поэтому мощность переменного тока по-прежнему широко используется. [23]

Компоненты энергосистем

[ редактировать ]

Запасы

[ редактировать ]
Большая часть мировой электроэнергии по-прежнему вырабатывается на таких угольных электростанциях, как эта.

Все энергосистемы имеют один или несколько источников энергии. Для некоторых энергосистем источник питания является внешним по отношению к системе, но для других он является частью самой системы — именно эти внутренние источники питания обсуждаются в оставшейся части этого раздела. Энергия постоянного тока может подаваться с помощью батарей , топливных элементов или фотоэлектрических элементов . Мощность переменного тока обычно подается с помощью ротора, который вращается в магнитном поле в устройстве, известном как турбогенератор . Для вращения ротора турбины использовался широкий спектр методов: от пара, нагретого с использованием ископаемого топлива (включая уголь, газ и нефть) или ядерной энергии , до падающей воды ( гидроэлектроэнергия ) и ветра ( энергия ветра ).

Скорость вращения ротора в сочетании с количеством полюсов генератора определяет частоту переменного тока, вырабатываемого генератором. Все генераторы в единой синхронной системе, например, в национальной сети , вращаются с одинаковой скоростью, кратной кратной, и поэтому генерируют электрический ток с одинаковой частотой. Если нагрузка на систему увеличивается, генераторам потребуется больший крутящий момент для вращения на этой скорости, а на паровой электростанции необходимо подавать больше пара на турбины, приводящие их в движение. Таким образом, используемый пар и затраченное топливо напрямую зависят от количества подаваемой электроэнергии. Исключением являются генераторы, оснащенные силовой электроникой, такие как безредукторные ветряные турбины , или генераторы, подключенные к сети через асинхронную связь, такую ​​как линия 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 распространенным является трехфазный с частотой 50 или 60 Гц.

Существует ряд конструктивных особенностей источников питания. Они варьируются от очевидных: какую мощность должен обеспечивать генератор? Какова приемлемая продолжительность запуска генератора (запуск некоторых генераторов может занять несколько часов)? Приемлемо ли наличие источника энергии (некоторые возобновляемые источники энергии доступны только тогда, когда светит солнце или дует ветер)? К более техническим вопросам: как должен запускаться генератор (некоторые турбины действуют как двигатель, чтобы набрать скорость, и в этом случае им нужна соответствующая пусковая схема)? Какова механическая скорость работы турбины и, следовательно, какое количество полюсов требуется? Какой тип генератора подходит ( синхронный или асинхронный ) и какой тип ротора (короткозамкнутый ротор, фазный ротор, явнополюсный ротор или цилиндрический ротор)? [25]

Нагрузки

[ редактировать ]
Тостер . — отличный пример однофазной нагрузки, которая может появиться в доме Тостеры обычно потребляют от 2 до 10 ампер при напряжении от 110 до 260 вольт, потребляя от 600 до 1200 Вт мощности.

Энергосистемы передают энергию нагрузкам, выполняющим определенную функцию. Эти нагрузки варьируются от бытовой техники до промышленного оборудования. Большинству нагрузок требуется определенное напряжение, а для устройств переменного тока — определенная частота и количество фаз. Например, бытовые приборы обычно работают в однофазной сети с частотой 50 или 60 Гц и напряжением от 110 до 260 вольт (в зависимости от национальных стандартов). Исключением являются более крупные централизованные системы кондиционирования воздуха, поскольку теперь они часто являются трехфазными, поскольку это позволяет им работать более эффективно. Все электроприборы также имеют номинальную мощность, которая определяет количество энергии, потребляемой устройством. В любой момент времени чистое количество энергии, потребляемой нагрузками в энергосистеме, должно равняться чистому количеству энергии, производимой источниками, за вычетом мощности, потерянной при передаче. [26] [27]

Обеспечение соответствия напряжения, частоты и мощности, подаваемой на нагрузку, 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 потребляют дополнительное количество энергии, поскольку они вызывают незначительное отставание переменного напряжения и переменного тока. -синхронизация (называемая реактивной мощностью ). Реактивная мощность, как и реальная мощность, должна уравновешиваться (то есть реактивная мощность, производимая в системе, должна равняться потребляемой реактивной мощности) и может подаваться от генераторов, однако зачастую более экономично подавать такую ​​мощность от конденсаторов (см. «Конденсаторы»). и реакторы» ниже для более подробной информации). [28]

Последнее соображение, касающееся нагрузок, связано с качеством электроэнергии. Помимо устойчивых повышений и понижений напряжения (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 скачки напряжения, переходные перенапряжения, мерцание, высокочастотный шум, дисбаланс фаз и низкий коэффициент мощности. [29] Проблемы с качеством электроэнергии возникают, когда электропитание нагрузки отклоняется от идеального. Проблемы качества электроэнергии могут быть особенно важными, когда речь идет о специализированном промышленном оборудовании или больничном оборудовании.

Дирижеры

[ редактировать ]
Частично изолированные проводники среднего напряжения в Калифорнии

Проводники передают мощность от генераторов к нагрузке. В сети проводники могут быть классифицированы как принадлежащие к системе передачи , которая передает большие объемы энергии при высоких напряжениях (обычно более 69 кВ) от генерирующих центров к центрам нагрузки, или к системе распределения , которая подает меньшие объемы энергии. подача электроэнергии при более низких напряжениях (обычно менее 69 кВ) от центров нагрузки к близлежащим домам и промышленным предприятиям. [30]

Выбор проводников основан 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 токовой нагрузке и теперь часто является предпочтительным проводником. Проводники воздушных линий могут быть армированы сталью или алюминиевыми сплавами. [31]

Проводники во внешних энергосистемах могут располагаться над землей или под землей. Воздушные проводники обычно имеют воздушную изоляцию и опираются на фарфоровые, стеклянные или полимерные изоляторы. Кабели, используемые для подземной передачи или проводки в зданиях, изолируются сшитым полиэтиленом или другой гибкой изоляцией. Проводники часто скручивают, чтобы сделать их более гибкими и, следовательно, более простыми в установке. [32]

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

Конденсаторы и реакторы

[ редактировать ]
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 «мнимой» формы мощности, известной как реактивная мощность . Реактивная мощность не совершает измеримой работы, а передается туда и обратно между источником реактивной мощности и нагрузкой в ​​каждом цикле. Эта реактивная мощность может обеспечиваться самими генераторами, но зачастую дешевле обеспечивать ее через конденсаторы, поэтому конденсаторы часто размещают рядом с индуктивными нагрузками (т.е., если не на ближайшей подстанции), чтобы снизить потребление тока в энергосистеме ( т.е. увеличить коэффициент мощности ).

Реакторы потребляют реактивную мощность и используются для регулирования напряжения на длинных линиях электропередачи. В условиях малой нагрузки, когда нагрузка на линии электропередачи значительно ниже нагрузки по импульсному сопротивлению , эффективность энергосистемы можно фактически повысить за счет включения реакторов. Реакторы, установленные последовательно в энергосистеме, также ограничивают броски тока, поэтому небольшие реакторы почти всегда устанавливаются последовательно с конденсаторами, чтобы ограничить бросок тока, связанный с включением конденсатора. Последовательные реакторы также можно использовать для ограничения токов повреждения.

Конденсаторы и реакторы переключаются с помощью автоматических выключателей, что приводит к значительным ступенчатым изменениям реактивной мощности. Решением этой проблемы являются синхронные конденсаторы , статические компенсаторы реактивной мощности и статические синхронные компенсаторы . Короче говоря, синхронные конденсаторы — это синхронные двигатели, которые свободно вращаются, генерируя или поглощая реактивную мощность. [35] Статические компенсаторы реактивной мощности работают путем включения конденсаторов с помощью тиристоров, а не автоматических выключателей, позволяющих включать и отключать конденсаторы в течение одного цикла. Это обеспечивает гораздо более точный отклик, чем конденсаторы с автоматическим выключателем. Статические синхронные компенсаторы идут еще дальше, обеспечивая регулировку реактивной мощности с использованием только силовой электроники .

Силовая электроника

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

Силовая электроника — это полупроводниковые устройства, способные коммутировать мощность от нескольких сотен ватт до нескольких сотен мегаватт. Несмотря на их относительно простую функцию, скорость их работы (обычно порядка наносекунд) [36] ) означает, что они способны выполнять широкий спектр задач, которые были бы трудны или невозможны с помощью обычных технологий. Классической функцией силовой электроники является выпрямление или преобразование переменного тока в постоянный, поэтому силовая электроника присутствует почти в каждом цифровом устройстве, которое питается от источника переменного тока или в виде адаптера, подключаемого к стене (см. Фото). или как внутренний компонент устройства. Мощную силовую электронику также можно использовать 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 больших расстояниях (от сотен до тысяч километров). HVDC также желателен для межсоединений, поскольку он обеспечивает независимость от частоты, тем самым улучшая стабильность системы. Силовая электроника также важна для любого источника питания, который должен выдавать выходной ток переменного тока, но по своей природе производит выходной ток постоянного тока. 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 автомобилей, где используются как для управления двигателем, так и в составе бесщеточного двигателя постоянного тока . Силовая электроника также встречается практически во всех современных автомобилях с бензиновым двигателем, поскольку мощности, обеспечиваемой только автомобильными аккумуляторами, недостаточно для обеспечения зажигания, кондиционирования воздуха, внутреннего освещения, радиоприемника и дисплеев на приборной панели в течение всего срока службы автомобиля. Поэтому аккумуляторы необходимо заряжать во время вождения — обычно это делается с помощью силовой электроники. [37]

Некоторые системы электрических железных дорог также используют мощность постоянного тока и, таким образом, используют силовую электронику для подачи электроэнергии на 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 для использования двигателем постоянного тока. [38] Сегодня большинство электровозов питаются от сети переменного тока и работают от двигателей переменного тока, но для обеспечения надлежащего управления двигателем по-прежнему используется силовая электроника. Использование силовой электроники для управления двигателем и цепями стартера, помимо выпрямления, является причиной появления силовой электроники в широком спектре промышленного оборудования. Силовая электроника даже появляется в современных бытовых кондиционерах, позволяя находиться в центре ветряной турбины с регулируемой скоростью .

Защитные устройства

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

Системы электроснабжения 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 зазоре, которая затем гасится, разрывая цепь. Учитывая, что предохранители могут быть слабым местом системы, они идеально подходят для защиты цепей от повреждений. Однако у предохранителей есть две проблемы: во-первых, после того, как они сработали, предохранители необходимо заменить, поскольку их нельзя сбросить. Это может оказаться неудобным, если предохранитель находится в удаленном месте или запасного предохранителя нет под рукой. Во-вторых, предохранители обычно не подходят в качестве единственного защитного устройства в большинстве энергосистем, поскольку они пропускают ток, значительно превышающий тот, который может оказаться смертельным для человека или животного.

Первая проблема решается использованием автоматических выключателей — устройств, которые можно сбросить после разрыва тока. В современных системах, потребляющих мощность менее 10 кВт, обычно используются миниатюрные автоматические выключатели. Эти устройства объединяют в одном устройстве механизм, инициирующий отключение (путем обнаружения избыточного тока), а также механизм, прерывающий ток. Некоторые миниатюрные автоматические выключатели работают исключительно на основе электромагнетизма. В этих миниатюрных автоматических выключателях ток протекает через соленоид, и в случае протекания избыточного тока магнитное притяжение соленоида достаточно, чтобы принудительно разомкнуть контакты автоматического выключателя (часто косвенно через механизм отключения).

В приложениях с более высокой мощностью защитные реле , которые обнаруживают неисправность и инициируют отключение, отделены от автоматического выключателя. Ранние реле работали на основе электромагнитных принципов, аналогичных упомянутым в предыдущем параграфе, современные реле представляют собой компьютеры для конкретного применения, которые определяют, следует ли срабатывать, на основе показаний энергосистемы. Различные реле инициируют отключения в зависимости от различных схем защиты . Например, реле максимального тока может инициировать отключение, если ток на любой 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 приложениях с более высокой мощностью также различаются. Воздуха обычно уже недостаточно для гашения дуги, образующейся при принудительном размыкании контактов, поэтому используются различные методы. Один из самых популярных методов — заполнять камеру, в которой заключены контакты, жидкостью. Гексафторид серы (SF 6 ) — нетоксичный газ с хорошими дугогасящими свойствами. Другие методы обсуждаются в ссылке. [39]

Вторая проблема — неспособность предохранителей выступать в качестве единственного защитного устройства в большинстве энергосистем — вероятно, лучше всего решается с помощью устройств защитного отключения (УЗО). В любом правильно функционирующем электроприборе ток, втекающий в прибор по активной линии, должен быть равен току, вытекающему из прибора по нейтральной линии. Устройство защитного отключения работает, контролируя активную и нейтральную линии и отключая активную линию, если обнаруживает разницу. [40] Устройства защитного отключения требуют отдельной нейтральной линии для каждой фазы и должны иметь возможность отключиться в течение определенного периода времени, прежде чем произойдет вред. Обычно это не проблема в большинстве жилых помещений, где стандартная проводка обеспечивает активную и нейтральную линию для каждого прибора (именно поэтому вилки питания всегда имеют как минимум два щипца), а напряжения относительно низкие, однако эти проблемы ограничивают эффективность УЗО. в других приложениях, таких как промышленность. Даже при установке УЗО воздействие электричества может оказаться фатальным.

СКАДА-системы

[ редактировать ]

В крупных электроэнергетических системах диспетчерское управление и сбор данных (SCADA) используется для таких задач, как включение генераторов, управление выходной мощностью генератора и включение или отключение элементов системы для технического обслуживания. Первые реализованные системы диспетчерского управления представляли собой панель ламп и переключателей на центральной консоли рядом с управляемой установкой. Лампы обеспечивали обратную связь о состоянии установки (функция сбора данных), а переключатели позволяли вносить коррективы в установку (функция диспетчерского управления). Сегодня системы SCADA стали гораздо более сложными, и благодаря развитию систем связи пульты управления заводом больше не должны находиться рядом с самим заводом. Вместо этого сейчас стало обычным управлять заводами с помощью оборудования, аналогичного (если не идентичного) настольному компьютеру. Возможность управлять такими электростанциями через компьютеры повысила потребность в безопасности: уже поступали сообщения о кибератаках на такие системы, вызывающих значительные сбои в энергосистемах. [41]

Энергетические системы на практике

[ редактировать ]

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

Бытовые энергосистемы

[ редактировать ]

Жилые дома почти всегда получают питание от распределительных линий или кабелей низкого напряжения, проходящих мимо жилых помещений. Они работают при напряжении от 110 до 260 В (фаза-земля) в зависимости от национальных стандартов. Несколько десятилетий назад небольшие жилые дома питались от одной фазы с помощью специального двухжильного кабеля (одна жила для активной фазы и одна жила для нейтрального возврата). Активная линия затем будет проходить через главный изолирующий выключатель в блоке предохранителей , а затем разделяться на одну или несколько цепей для питания освещения и приборов внутри дома. По соглашению, цепи освещения и приборов хранятся отдельно, чтобы выход из строя прибора не оставлял жильцов дома в темноте. Все цепи должны быть защищены предохранителем, соответствующим размеру провода, используемого в 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 приборам для подключения к любому металлическому корпусу. Если бы этот корпус оказался под напряжением, теоретически соединение с землей привело бы к срабатыванию УЗО или предохранителя, что предотвратило бы в будущем поражение электрическим током человека, работающего с прибором. Системы заземления различаются в зависимости от региона, но в таких странах, как Великобритания и Австралия, защитное заземление и нейтральная линия должны быть заземлены вместе рядом с блоком предохранителей перед главным разъединителем, а нейтраль снова заземлена на распределительном трансформаторе. [42]

За прошедшие годы в практику прокладки жилых проводов претерпел ряд незначительных изменений. Некоторые из наиболее важных отличий современных бытовых энергосистем в развитых странах от старых включают в себя:

  • Для удобства в блоке предохранителей теперь почти всегда используются миниатюрные автоматические выключатели вместо предохранителей, поскольку они могут легко сбрасываться жильцами и, если они термомагнитного типа, могут быстрее реагировать на некоторые типы неисправностей.
  • Из соображений безопасности УЗО теперь часто устанавливают в цепях приборов и, все чаще, даже в цепях освещения.
  • В то время как в прошлом бытовые кондиционеры могли питаться от выделенной цепи, подключенной к одной фазе, в некоторых странах теперь становятся распространенными более крупные централизованные кондиционеры, требующие трехфазного питания.
  • Защитное заземление теперь используется в цепях освещения, что позволяет заземлять металлические патроны ламп.
  • В бытовых энергосистемах все чаще используются микрогенераторы , в первую очередь фотоэлектрические элементы.

Коммерческие энергосистемы

[ редактировать ]

Коммерческие энергосистемы, такие как торговые центры или высотные здания, больше по размеру, чем жилые системы. Электрические конструкции крупных коммерческих систем обычно изучаются на предмет потока нагрузки, уровней короткого замыкания и падения напряжения. Целью исследований является обеспечение правильного выбора размеров оборудования и проводников, а также координация защитных устройств таким образом, чтобы при устранении неисправности возникали минимальные нарушения. Крупные коммерческие установки будут иметь упорядоченную систему субпанелей, отделенную от главного распределительного щита, чтобы обеспечить лучшую защиту системы и более эффективную электроустановку.

Обычно одним из крупнейших приборов, подключенных к коммерческой энергосистеме в жарком климате, является установка HVAC, и обеспечение адекватного питания этой установки является важным фактором в коммерческих энергосистемах. Правила для коммерческих предприятий предъявляют к коммерческим системам другие требования, которые не предъявляются к жилым системам. Например, в Австралии коммерческие системы должны соответствовать стандарту аварийного освещения AS 2293, который требует, чтобы аварийное освещение поддерживалось не менее 90 минут в случае отключения электропитания. [43] В Соединенных Штатах Национальный электротехнический кодекс требует, чтобы коммерческие системы были построены как минимум с одной розеткой на 20 А для освещения наружных вывесок. [44] Правила строительных норм могут предъявлять особые требования к электрической системе аварийного освещения, эвакуации, аварийного электроснабжения, контроля дыма и противопожарной защиты.

Управление энергосистемой

[ редактировать ]

Управление энергосистемой варьируется в зависимости от энергосистемы. Бытовые энергосистемы и даже автомобильные электрические системы часто выходят из строя. В авиации энергосистема использует резервирование для обеспечения доступности. На Боинге 747-400 любой из четырех двигателей может обеспечивать питание, а автоматические выключатели проверяются при включении питания (срабатывание автоматического выключателя указывает на неисправность). [45] Более крупные энергосистемы требуют активного управления. На промышленных предприятиях или горнодобывающих предприятиях за устранение неисправностей, расширение и техническое обслуживание может отвечать одна группа. Что касается электросетей , то управление разделено между несколькими специализированными командами.

Управление неисправностями

[ редактировать ]

Управление неисправностями включает в себя мониторинг поведения энергосистемы с целью выявления и устранения проблем, влияющих на надежность системы. [46] Управление неисправностями может быть конкретным и реактивным: например, направление группы для восстановления проводника, обрушившегося во время урагана. Или, альтернативно, можно сосредоточиться на системных улучшениях: таких как установка реклоузеров на участках системы, которые подвержены частым временным сбоям (которые могут быть вызваны растительностью, молнией или дикой природой). [47]

Обслуживание и увеличение

[ редактировать ]

Помимо устранения неисправностей, энергосистемы могут потребовать технического обслуживания или расширения. Поскольку часто неэкономично и непрактично отключать большие части системы во время этой работы, энергосистемы строятся со множеством переключателей. Эти переключатели позволяют изолировать часть системы, над которой ведется работа, в то время как остальная часть системы остается под напряжением. При высоких напряжениях следует учитывать два выключателя: изоляторы и автоматические выключатели . Автоматические выключатели представляют собой выключатели нагрузки, работа которых под нагрузкой может привести к недопустимому и опасному образованию дуги . При типичном плановом отключении электроэнергии срабатывают несколько автоматических выключателей, что позволяет переключить изоляторы до того, как автоматические выключатели снова закроются, чтобы перенаправить мощность вокруг изолированной зоны. Это позволяет завершить работу на изолированном участке. [48]

Управление частотой и напряжением

[ редактировать ]

Помимо устранения неисправностей и технического обслуживания, одна из основных трудностей энергосистем заключается в том, что потребляемая активная мощность плюс потери должны равняться производимой активной мощности. Если нагрузка снижается, а входные параметры генерации остаются постоянными, синхронные генераторы будут вращаться быстрее, а частота системы повысится. Обратное происходит при увеличении нагрузки. Таким образом, частота системы должна активно управляться, прежде всего, посредством включения и выключения диспетчеризируемых нагрузок и генерации . Обеспечение постоянства частоты обычно является задачей системного оператора . [49] Даже при сохранении частоты системный оператор может быть занят, обеспечивая:

  1. оборудование или клиенты в системе снабжаются необходимым напряжением
  2. передача реактивной мощности сведена к минимуму (что приводит к более эффективной работе)
  3. отправляются команды и система переключается для устранения любых неисправностей
  4. удаленное переключение осуществляется для обеспечения возможности работы системы [50]

Примечания

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

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ «Электростанция Годалминг» . Инженерные сроки . Проверено 3 мая 2009 г.
  2. ^ Уильямс, Жасмин (30 ноября 2007 г.). «Эдисон освещает город» . Нью-Йорк Пост . Проверено 31 марта 2008 г.
  3. ^ Грант, Кейси. «Рождение NFPA» . Национальная ассоциация пожарной безопасности. Архивировано из оригинала 28 декабря 2007 года . Проверено 31 марта 2008 г.
  4. ^ «Начало работы крупных электросетей» (PDF) (пресс-релиз). Независимый системный оператор Нью-Йорка. Архивировано из оригинала (PDF) 26 февраля 2009 года . Проверено 25 мая 2008 г.
  5. ^ Гварниери, М. (2013). «Кто изобрел трансформатор?». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (4): 56–59. дои : 10.1109/МИЭ.2013.2283834 . S2CID   27936000 .
  6. ^ Кац, Евгений (8 апреля 2007 г.). «Люсьен Голар» . Архивировано из оригинала 22 апреля 2008 года . Проверено 25 мая 2008 г.
  7. ^ Перейти обратно: а б Гварниери, М. (2013). «Начало передачи электроэнергии: Часть первая». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (1): 57–60. дои : 10.1109/МИЭ.2012.2236484 . S2CID   45909123 .
  8. ^ П. Асталос (25 июня 1985 г.). «Столетие Трансформатора» .
  9. ^ Перейти обратно: а б с Гварниери, М. (2013). «Начало передачи электроэнергии: Часть вторая». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (2): 52–59. дои : 10.1109/МИЭ.2013.2256297 . S2CID   42790906 .
  10. ^ Блэлок, Томас (2 октября 2004 г.). «Электрификация переменного тока, 1886 год» . IEEE. Архивировано из оригинала 5 января 2008 года . Проверено 25 мая 2008 г.
  11. ^ М.Уилан, Стив Роквелл и Томас Блэлок. «Великий Баррингтон 1886» . Технологический центр Эдисона. .
  12. ^ Карлсон, В. Бернард (2013). Тесла: изобретатель эпохи электричества, Princeton University Press, стр. 115,159,166-167.
  13. ^ Клоостер, Джон В. (6 апреля 2018 г.). Иконы изобретений: Создатели современного мира от Гутенберга до Гейтса . АВС-КЛИО. ISBN  978-0-313-34743-6 . Проверено 6 апреля 2018 г. - через Google Книги.
  14. ^ Скрабец, Квентин Р. младший (4 мая 2012 г.). 100 самых значимых событий в американском бизнесе: энциклопедия . АВС-КЛИО. ISBN  978-0-313-39863-6 . Проверено 6 апреля 2018 г. - через Google Книги.
  15. ^ Форан, Джек. «День, когда они включили водопад» . Архивировано из оригинала 11 мая 2008 года . Проверено 25 мая 2008 г.
  16. ^ Центр, Copyright 2015 Edison Tech. «Лауффен во Франкфурт 1891» . www.edisontechcenter.org . Проверено 6 апреля 2018 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Перейти обратно: а б с Гварниери, М. (2013). «Переменная эволюция передачи энергии постоянного тока». Журнал промышленной электроники IEEE . 7 (3): 60–630. дои : 10.1109/МИЭ.2013.2272238 . S2CID   23610440 .
  18. ^ «Новая, но недолговечная система распределения электроэнергии» . IEEE. 1 мая 2005 г. Архивировано из оригинала 25 июня 2007 г. Проверено 25 мая 2008 г.
  19. ^ Гварниери, Массимо (2018). «Укрепление силовой электроники» . Журнал промышленной электроники IEEE . 12 :36–40. дои : 10.1109/МИЭ.2018.2791062 . hdl : 11577/3271203 . S2CID   4079824 .
  20. ^ Джин Вольф (1 декабря 2000 г.). «Электричество сквозь века» . Мир передачи и распределения .
  21. ^ Перейти обратно: а б All About Circuits [Онлайн-учебник], Тони Р. Куфальдт и др., последний раз доступ осуществлялся 17 мая 2009 г.
  22. ^ Роберто Рудервалл; Ж. П. Шарпантье; Рагхувир Шарма (7–8 марта 2000 г.). «Обзор технологий систем передачи высокого напряжения постоянного тока (HVDC)» (PDF) . АББ . Архивировано из оригинала (PDF) 7 июля 2011 года (также здесь. Архивировано 3 марта 2016 года в Wayback Machine ).
  23. ^ Нед Мохан; ТМ Унделанд; Уильям П. Роббинс (2003). Силовая электроника: преобразователи, применение и проектирование . Соединенные Штаты Америки: ISBN John Wiley & Sons, Inc.  0-471-22693-9 .
  24. ^ Чепмен, Стивен (2002). Основы электромашин и энергетических систем . Бостон: МакГроу-Хилл. стр. Глава 4. ISBN  0-07-229135-4 .
  25. ^ Чепмен, Стивен (2002). Основы электромашин и энергетических систем . Бостон: МакГроу-Хилл. стр. 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, вольты и омы? , HowStuffWorks.com, 31 октября 2000 г. Последнее обращение: 27 июня 2010 г.
  28. ^ Чепмен, Стивен (2002). Основы электромашин и энергетических систем . Бостон: МакГроу-Хилл. стр. Глава 11. ISBN  0-07-229135-4 .
  29. ↑ Краткие руководства по качеству электроэнергии для инженеров. Архивировано 14 января 2007 г. на сайте Wayback Machine , PSL, по состоянию на 21 августа 2010 г.
  30. ^ Маршалл Брэйн, « Как работают электрические сети », Howstuffworks.com, 1 апреля 2000 г.
  31. ^ Практическое применение электрических проводников , Стефан Фассбиндер, Deutsches Kupferinstitut, январь 2010 г.
  32. ^ Серия тренингов по военно-морской инженерии (рис. 1.6), ВМС США (переиздано tpub.com), 2007 г.
  33. ^ Токовая нагрузка проводника , Все о схемах, Тони Р. Куфальдт и др., 2000.
  34. ^ Григсби, Леонард (2007). Производство, передача и распределение электроэнергии . CRC Press 2007. стр. Глава 14. ISBN.  978-0-8493-9292-4 .
  35. ^ BM Weedy, Второе издание Electric Power Systems, John Wiley and Sons, Лондон, 1972, ISBN   0-471-92445-8 стр. 149
  36. ^ Характеристики переключения тиристоров во время включения. Архивировано 7 июля 2012 г. на archive.today , [electricalandelectronics.org] , 9 апреля 2009 г.
  37. ^ «Производитель кондиционеров выбирает интеллектуальные силовые модули» . Технология силовой электроники . 31 августа 2005 года . Проверено 30 марта 2016 г.
  38. ^ Калверли, HB; Джарвис, ЕАК; Уильямс, Э. (1957). «Электрооборудование выпрямительных локомотивов». Труды IEE - Часть A: Энергетика . 104 (17): 341. doi : 10.1049/pi-a.1957.0093 .
  39. ^ http://ocw.kfupm.edu.sa/user/EE46603/Circuit%20Breakers.pdf. Архивировано 23 ноября 2009 г. в Wayback Machine. [ пустой URL PDF ]
  40. ^ Как работает УЗО? Архивировано 15 февраля 2010 года на Wayback Machine , PowerBreaker, доступ осуществлен 14 марта 10 года.
  41. ↑ Отчет: взлом электросети Украины , Ким Зеттер, WIRED, 3 марта 2016 г.
  42. ^ «Система заземления MEN» (PDF) . Информационный бюллетень для электриков (1). Управление энергетики (WA): 2 мая 2001 г. Архивировано из оригинала (PDF) 10 марта 2011 г. . Проверено 30 декабря 2010 г.
  43. ^ «Аварийное освещение – важная услуга» .
  44. ^ «Коммерческие грузы — Часть 2» . ecmweb.com . 25 марта 2010 г. Архивировано из оригинала 14 августа 2020 г. . Проверено 6 апреля 2018 г.
  45. ^ Авиационные знания (2016). Электрическая система Boeing B747-400F CBT № 31 — обзор и питание переменного тока .
  46. ^ Лютфия, Х.Л.; Бауэр, Массачусетс; Маршалл, AD (2000). «Управление сбоями в распределенных системах: подход, основанный на политиках». Журнал сетевого и системного управления . 8 (4): 499–525. дои : 10.1023/А:1026482400326 . S2CID   41004116 .
  47. ^ Управление неисправностями в системах электрораспределения (PDF) . Итоговый отчет рабочей группы CIRED WG03 «Управление сбоями» (отчет). 1998. S2CID   44290460 . Архивировано из оригинала (PDF) 27 февраля 2020 года.
  48. ^ Гаурав Дж (2018). Разница между автоматическим выключателем и изолятором . Архивировано из оригинала 12 декабря 2021 года.
  49. ^ С. Стофт. Экономика энергосистемы. IEEE Press, 2002.
  50. ^ Требования к энергосистеме (Справочный документ) (PDF) (Отчет). АЕМО. 2020.
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electric_power_system&oldid=1237707249"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 58c63f1fd52fc3308d5754654e1604c2__1722385860
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/58/c2/58c63f1fd52fc3308d5754654e1604c2.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Electric power system - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)