Elektromos áramellátó rendszer - Electric power system

Gőzturbinát használnak villamos energia ellátására

Az elektromos energiaellátó rendszer elektromos alkatrészek hálózata, amelyet villamosenergia -ellátásra, átvitelre és felhasználásra helyeznek. Az energiaellátó rendszerre példa az elektromos hálózat , amely tágabb területen biztosít áramot az otthonoknak és az iparnak. Az elektromos hálózat nagyjából felosztható az áramot szolgáltató generátorokra , az átviteli rendszerre , amely az áramot a termelőközpontokból a terhelési központokba szállítja, és az elosztórendszerre , amely a közeli otthonokba és iparágakba táplálja az áramot.

Kisebb energiaellátó rendszerek az iparban, kórházakban, kereskedelmi épületekben és lakásokban is megtalálhatók. Egy vonal diagram segít az egész rendszer ábrázolásában. Ezeknek a rendszereknek a többsége háromfázisú váltakozó áramú tápfeszültségre támaszkodik-ez a szabvány a nagyszabású erőátvitelre és elosztásra a modern világban. A repülőgépekben, elektromos vasúti rendszerekben, óceánjáró hajókban, tengeralattjárókban és személygépkocsikban találhatók olyan speciális energiaellátó rendszerek, amelyek nem mindig támaszkodnak háromfázisú váltakozó áramra.

Történelem

A Pearl Street állomás vázlata

1881 -ben két villanyszerelő építette fel a világ első energiaellátó rendszerét az angliai Godalmingban . Két vízkerék hajtotta, és váltóáramot produkált, amely hét Siemens ívlámpát szolgáltatott 250 volton és 34 izzólámpát 40 volton. A lámpák ellátása azonban szakaszos volt, és 1882-ben Thomas Edison és cége, a The Edison Electric Light Company kifejlesztették az első gőzüzemű elektromos erőművet a New York-i Pearl Streeten. A Pearl Street Station kezdetben mintegy 3000 lámpát táplált 59 ügyfél számára. Az erőmű egyenáramot generált és egyetlen feszültséggel működött. Az egyenáramú teljesítményt nem lehetett könnyen vagy hatékonyan átalakítani a nagyobb feszültségekre, amelyek a távolsági átvitel során fellépő energiaveszteség minimalizálásához szükségesek, így a generátorok és a terhelés közötti maximális gazdasági távolság 800 m-re korlátozódott.

Ugyanebben az évben Londonban Lucien Gaulard és John Dixon Gibbs bemutatták a "másodlagos generátort" - az első transzformátort, amely alkalmas egy valódi energiarendszerben való használatra. Gaulard és Gibbs transzformátorának gyakorlati értékét 1884 -ben mutatták be Torinóban, ahol a transzformátor segítségével negyven kilométernyi vasutat világítottak meg egyetlen váltakozó áramú generátorból. A rendszer sikere ellenére a pár elkövetett néhány alapvető hibát. A legkomolyabb talán az volt , hogy sorba kötötték a transzformátorok primereit, hogy az aktív lámpák befolyásolják a többi lámpa fényerejét.

1885 -ben Bláthy Ottó Titusz , Zipernowsky Károly és Déri Miksa együtt dolgozva tökéletesítette Gaulard és Gibbs másodlagos generátorát, zárt vasmaggal és jelenlegi nevével: " transzformátorral ". A három mérnök a budapesti Országos Általános Kiállításon bemutatott egy energiaellátó rendszert, amely megvalósította a brit tudós által javasolt párhuzamos váltakozó áramú elosztórendszert, amelyben több teljesítménytranszformátor elsődleges tekercselése párhuzamosan történik egy nagyfeszültségű elosztóvezetékről. A rendszer több mint 1000 karbon izzólámpát gyújtott, és sikeresen működött az év májustól novemberig.

Szintén 1885-ben George Westinghouse amerikai vállalkozó megszerezte a Gaulard-Gibbs transzformátor szabadalmi jogait, és számos terméket importált a Siemens generátorral együtt, és mérnökeit kísérletezni kezdte velük, remélve, hogy javítani fogják őket kereskedelmi célokra. áramellátó rendszer. 1886 -ban a Westinghouse egyik mérnöke, William Stanley önállóan felismerte a problémát a transzformátorok soros csatlakoztatásával szemben a párhuzamossággal, és rájött arra is, hogy a transzformátor vasmagjának teljesen zárt hurokká tétele javítja a másodlagos tekercs feszültségszabályozását . Ezen ismeretek felhasználásával 1886-ban a Massachusetts- i Great Barringtonban épített többfeszültségű transzformátor-alapú váltakozó áramú energiaellátó rendszert a Great Barringtonban, a Massachusetts államban . A rendszer azonban megbízhatatlan volt (elsősorban a generációs problémák miatt) és rövid életű. Ezen a rendszeren alapulva azonban a Westinghouse még abban az évben megkezdi a váltóátalakító rendszerek telepítését, versenyben az Edison céggel. 1888 -ban a Westinghouse engedélyezte Nikola Tesla szabadalmait egy többfázisú váltóáramú indukciós motorra és transzformátorra vonatkozóan. A Tesla egy évig tanácskozott a Westinghouse Electric & Manufacturing Company -nál , de további négy évbe telt, mire a Westinghouse mérnökei kifejlesztettek egy működőképes többfázisú motort és sebességváltó rendszert.

1889 -re a villamosenergia -ipar virágzott, és az áramszolgáltatók több ezer energiarendszert (egyenáramot és váltakozó áramot) építettek az Egyesült Államokban és Európában. Ezeket a hálózatokat ténylegesen az elektromos világítás biztosítására szentelték. Ez idő alatt a Thomas Edison és George Westinghouse cégei közötti rivalizálás propagandakampánnyá nőtte ki magát, amely szerint az átviteli forma (egyenáramú vagy váltakozó áramú) felülmúlja az eseményeket, az úgynevezett " áramok háborúja ". 1891 -ben a Westinghouse telepítette az első nagy teljesítményű rendszert, amelyet 100 lóerős (75 kW) szinkron villanymotor meghajtására terveztek, nem csak elektromos világításra, a Telluride -ban, Coloradóban . A másik oldalon az Atlanti-óceán, Mikhail Dolivo-Dobrovolszkij és Charles Eugene Lancelot Brown épült az első távolsági (175 km) nagyfeszültségű (15 kV, akkor a rekord) háromfázisú távvezeték származó Lauffen am Neckar , hogy Frankfurt am Main , a frankfurti villamosmérnöki kiállításon, ahol az áramot lámpák meggyújtására és vízszivattyú működtetésére használták fel. Az Egyesült Államokban az AC/DC verseny véget ért, amikor az Edison General Electric-et fő AC riválisuk, a Thomson-Houston Electric Company vette át , és megalakította a General Electric-et . 1895-ben, egy elhúzódó döntéshozatali folyamat után, a váltakozó áramot választották átviteli szabványnak, a Westinghouse pedig a Niagara-vízesésnél építette az Adams 1. számú generátort, a General Electric pedig a háromfázisú váltakozó áramú rendszert, amely a Buffalo 11 kV-os áramellátását biztosítja. .

Az energiarendszerek fejlődése a XIX. 1936 -ban Schenectady és a New York -i Mechanicville között építették ki az első kísérleti nagyfeszültségű egyenáramú (HVDC) vezetéket higany ívszelepekkel . A HVDC-t korábban sorba kapcsolt egyenáramú generátorok és motorok (a Thury-rendszer ) érték el, bár ez komoly megbízhatósági problémákkal küzdött. Az első általános teljesítményű szilárdtest-fémdiódát Ernst Presser fejlesztette ki a TeKaDe-ben 1928-ban. Ez egy alumíniumlemezre felvitt szelénrétegből állt. 1957 -ben a General Electric kutatócsoport kifejlesztette az első tirisztort, amely alkalmas az elektromos alkalmazásokhoz, ezzel forradalmat kezdve a teljesítményelektronikában. Ugyanebben az évben a Siemens bemutatott egy szilárdtest-egyenirányítót, de csak a hetvenes évek elején váltak a szilárdtest-eszközök szabványossá a HVDC-ben, amikor a GE a tirisztoros alapú HVDC egyik legnagyobb szállítója lett. 1979 -ben egy európai konzorcium, beleértve a Siemens -t, a Brown Boveri & Cie -t és az AEG -t, felismerte a rekord HVDC összeköttetést Cabora Bassa és Johannesburg között , több mint 1420 km -en keresztül , amely 1,9 GW -ot szállított 533 kV -on.

Az utóbbi időben számos fontos fejlemény történt az információs és kommunikációs technológia (IKT) területén az innovációk energetikai területre történő kiterjesztéséből . Például a számítógépek fejlesztése azt jelentette, hogy a terhelési áramlási vizsgálatokat hatékonyabban lehetett lefuttatni, lehetővé téve az energiarendszerek sokkal jobb tervezését. Az információs technológia és a távközlés fejlődése lehetővé tette az energiaellátó rendszer kapcsolóberendezéseinek és generátorainak hatékony távvezérlését is.

Az elektromos energia alapjai

Háromfázisú váltakozó áram animációja

Az elektromos energia két mennyiség szorzata: áram és feszültség . Ez a két mennyiség az idő függvényében változhat ( váltakozó áram ), vagy állandó szinten tartható ( egyenáram ).

A legtöbb hűtőszekrény, légkondicionáló, szivattyú és ipari gép váltóáramot használ, míg a legtöbb számítógép és digitális berendezés egyenáramot használ (a hálózathoz csatlakoztatott digitális eszközök általában belső vagy külső hálózati adapterrel rendelkeznek, hogy váltakozó áramról egyenáramúvá váljanak). A váltakozó áram előnye, hogy könnyen átalakítható a feszültségek között, és kefe nélküli gépekkel is előállítható és hasznosítható. Az egyenáramú tápellátás továbbra is az egyetlen praktikus választás a digitális rendszerekben, és gazdaságosabb lehet nagy távolságokon, nagyon magas feszültségen történő átvitel (lásd HVDC ).

A váltakozó áramú feszültség egyszerű átalakításának képessége két okból fontos: Először is, a teljesítmény nagy távolságokon is továbbítható kisebb veszteséggel nagyobb feszültségeken. Tehát azokban az energiaellátó rendszerekben, ahol a termelés távol van a terheléstől, kívánatos a teljesítmény feszültségének fokozása (növelése) a termelési ponton, majd a feszültség csökkentése (csökkentése) a terhelés közelében. Másodszor, gyakran gazdaságosabb olyan turbina telepítése, amely nagyobb feszültséget produkál, mint a legtöbb készülék, ezért a feszültségek egyszerű átalakításának lehetősége azt jelenti, hogy a feszültségek közötti eltérés könnyen kezelhető.

A félvezető eszközök , amelyek a félvezető forradalom termékei, lehetővé teszik az egyenáramú feszültség különböző feszültségekre történő átalakítását , kefe nélküli egyenáramú gépek építését és a váltóáramú és egyenáramú áramok közötti átalakítást . Ennek ellenére a szilárdtestalapú technológiát használó eszközök gyakran drágábbak, mint hagyományos társaik, ezért a váltakozó áramú tápellátás továbbra is széles körben elterjedt.

Az energiaellátó rendszerek összetevői

Kellékek

A többség a világ energia is származik széntüzelésű erőművek , mint ez

Minden energiaellátó rendszer rendelkezik egy vagy több áramforrással. Egyes energiarendszerek esetében az áramforrás kívül esik a rendszeren, mások számára azonban maga a rendszer része - ezeket a belső áramforrásokat tárgyaljuk a szakasz további részében. Az egyenáramú áramot akkumulátorok , üzemanyagcellák vagy fotovoltaikus cellák biztosíthatják . A váltakozó áramot általában egy rotor látja el, amely mágneses mezőben forog egy turbógenerátor néven ismert eszközben . A turbinák forgórészének forgatására számos technikát alkalmaztak, a fosszilis tüzelőanyaggal (beleértve a szenet, a gázt és az olajat) vagy a nukleáris energiával fűtött gőztől a zuhanó vízig ( vízerőmű ) és a szélen ( szélenergia ).

A forgórész forgási sebessége a generátor pólusainak számával együtt határozza meg a generátor által termelt váltakozó áram frekvenciáját. Egyetlen szinkron rendszer minden generátora, például a nemzeti hálózat , azonos sebességű rész többszörösein forog, és így azonos frekvenciájú áramot állít elő. Ha a rendszer terhelése megnő, a generátoroknak nagyobb nyomatékra lesz szükségük ahhoz, hogy ezen a fordulatszámon forogjanak, és egy gőzerőműben több gőzt kell juttatni az őket hajtó turbinákhoz. Így a felhasznált gőz és a felhasznált üzemanyag közvetlenül kapcsolódik a szállított elektromos energia mennyiségéhez. Kivételt képeznek azok a generátorok, amelyek teljesítményelektronikát, például fogaskerék nélküli szélturbinákat tartalmaznak, vagy aszinkron kapcsolaton, például HVDC -kapcsolaton keresztül kapcsolódnak a hálózathoz - ezek az energiarendszer frekvenciájától független frekvenciákon működhetnek.

A pólusok táplálásának módjától függően a váltakozó áramú generátorok változó számú teljesítményfázist tudnak előállítani. A nagyobb számú fázis hatékonyabb energiaellátást eredményez, de növeli a rendszer infrastrukturális követelményeit is. A villamosenergia-hálózati rendszerek több generátort kapcsolnak össze, amelyek ugyanazon a frekvencián működnek: a leggyakoribb a háromfázisú 50 vagy 60 Hz-en.

A tápegységek tervezési szempontjai számosak. Ezek a nyilvánvalótól kezdve: Mennyi energiát kell képes biztosítani a generátornak? Mennyi az elfogadható idő a generátor indításához (egyes generátorok órákig is eltarthatnak)? Elfogadható az áramforrás rendelkezésre állása (egyes megújuló energiaforrások csak akkor állnak rendelkezésre, ha süt a nap vagy fúj a szél)? Technikailag: Hogyan kell elindítani a generátort (egyes turbinák úgy viselkednek, mint a motor, hogy felgyorsuljanak, ilyenkor megfelelő indítóáramkörre van szükségük)? Mekkora a turbina működési sebessége, és ennek következtében mennyi pólus szükséges? Milyen típusú generátor alkalmas ( szinkron vagy aszinkron ), és milyen típusú rotor (mókus-ketreces rotor, tekercselt rotor, kiemelkedő pólusú rotor vagy hengeres rotor)?

Terhelések

A kenyérpirító remek példa az egyfázisú terhelésre, amely előfordulhat egy lakóhelyen. A kenyérpirítók általában 2–10 amper áramot fogyasztanak 110–260 volton, 600–1200 watt körüli fogyasztással.

Az energiaellátó rendszerek energiát szállítanak a feladatokat ellátó terhelésekhez. Ezek a terhek a háztartási készülékektől az ipari gépekig terjednek. A legtöbb terhelés egy bizonyos feszültséget, és a váltakozó áramú eszközöket, egy bizonyos frekvenciát és fázisszámot vár el. A lakóépületekben található készülékek például jellemzően egyfázisúak, 50 vagy 60 Hz-en működnek, 110 és 260 volt közötti feszültséggel (a nemzeti szabványoktól függően). Kivételt képeznek a nagyobb központosított légkondicionáló rendszerek, mivel néhány országban ezek ma már jellemzően háromfázisúak, mivel ez lehetővé teszi számukra a hatékonyabb működést. Valamennyi elektromos készülék rendelkezik teljesítmény -besorolással is, amely meghatározza az eszköz által fogyasztott energiát. Az energiaellátó rendszer terhelései által fogyasztott nettó energiamennyiségnek bármikor meg kell egyeznie a tápegységek által termelt nettó energiamennyiséggel, csökkentve az átvitel során elvesztett energiával.

Annak biztosítása, hogy a terhelések feszültsége, frekvenciája és áramellátása megfeleljen az elvárásoknak, az energiaellátás egyik legnagyobb kihívása. Ez azonban nem az egyetlen kihívás, amellett, hogy a terhelés hasznos munkák elvégzésére felhasznált teljesítményen kívül ( valós teljesítménynek nevezik ), sok váltakozó áramú eszköz is több energiát használ fel, mivel ezek miatt a váltakozó feszültség és a váltakozó áram kissé kimerül -szinkron ( reaktív teljesítmény ). A reaktív teljesítményhez hasonlóan a reaktív teljesítménynek egyensúlyban kell lennie (vagyis a rendszeren előállított reaktív teljesítménynek meg kell egyeznie a felhasznált meddő teljesítménnyel), és a generátorokból is lehet szolgáltatni, azonban gyakran gazdaságosabb az ilyen teljesítmény kondenzátorokból történő ellátása (lásd "Kondenzátorok") és reaktorok "alatt további részletekért).

A terhelésekkel kapcsolatos utolsó szempont az energia minősége. A tartós túlfeszültségek és alulfeszültségek (feszültségszabályozási problémák), valamint a rendszer frekvenciájától való tartós eltérések (frekvenciaszabályozási problémák) mellett az áramellátó rendszer terheléseit számos időbeli probléma is hátrányosan befolyásolhatja. Ide tartoznak a feszültségcsökkenések, zuhanások és duzzanatok, átmeneti túlfeszültségek, villódzás, nagyfrekvenciás zaj, fázisegyensúlytalanság és gyenge teljesítménytényező. Az energiaminőséggel kapcsolatos problémák akkor fordulnak elő, ha a terhelés áramellátása eltér az ideálistól. Az energiaminőséggel kapcsolatos kérdések különösen fontosak lehetnek, ha speciális ipari gépekről vagy kórházi berendezésekről van szó.

Karmesterek

Részben szigetelt középfeszültségű vezetők Kaliforniában

A vezetők szállítják az áramot a generátoroktól a terhelésig. A hálózatban a vezetők az átviteli rendszerhez tartozók közé sorolhatók , amely nagy mennyiségű energiát szállít nagy feszültséggel (jellemzően több mint 69 kV) az előállító központoktól a terhelési központokig, vagy az elosztórendszerig , amely kisebb mennyiségeket táplál teljesítmény alacsonyabb feszültségeken (jellemzően 69 kV -nál kisebb) a terhelési központoktól a közeli lakásokig és az iparig.

A vezetők kiválasztása olyan szempontok alapján történik, mint a költségek, az átviteli veszteségek és a fém egyéb kívánatos jellemzői, például a szakítószilárdság. A réz , amelynek ellenállása alacsonyabb, mint az alumíniumé , valaha a legtöbb elektromos rendszer választott vezetője volt. Az alumínium azonban alacsonyabb költségekkel jár ugyanazon áramterhelés miatt, és ma gyakran a választott vezető. A felsővezetékeket acél vagy alumínium ötvözetekkel lehet megerősíteni.

A külső áramellátó rendszerek vezetékei fejtetők vagy föld alatt helyezhetők el. A felső vezetékek általában légszigeteltek, és porcelán, üveg vagy polimer szigetelőkön vannak. Használt kábelek földalatti átviteli vagy épülethuzalozás szigeteltek, térhálósított polietilén , vagy más rugalmas szigetelés. A vezetők gyakran megrekednek, hogy rugalmasabbak legyenek, és így könnyebben telepíthetők legyenek.

A vezetők jellemzően a maximális áramra vannak besorolva, amelyet a környezeti feltételek mellett adott hőmérséklet -emelkedéskor képesek elviselni. Ahogy az áram áramlik a vezetőn keresztül, felmelegszik. Szigetelt vezetők esetén a minősítést a szigetelés határozza meg. Csupasz vezetők esetén a besorolást az a pont határozza meg, amikor a vezetők megereszkedése elfogadhatatlanná válna.

Kondenzátorok és reaktorok

Szinkron kondenzátor telepítés a Templestowe alállomáson, Melbourne, Victoria

Egy tipikus váltakozó áramú rendszer terhelésének nagy része induktív; az áram elmarad a feszültségtől. Mivel a feszültség és az áram fázison kívül esik, ez egy "képzeletbeli" teljesítményforma megjelenéséhez vezet, amelyet reaktív teljesítménynek neveznek . A reaktív teljesítmény nem végez mérhető munkát, de minden ciklusban oda -vissza továbbítódik a reaktív energiaforrás és a terhelés között. Ezt a meddő teljesítményt maguk a generátorok is biztosíthatják, de gyakran olcsóbb kondenzátorokon keresztül biztosítani, ezért a kondenzátorokat gyakran induktív terhelések közelében helyezik el (azaz ha nem a helyszínen a legközelebbi alállomáson), hogy csökkentsék az áramellátás jelenlegi igényét ( azaz növelje a teljesítménytényezőt ).

A reaktorok reaktív energiát fogyasztanak, és a hosszú távvezetékek feszültségének szabályozására szolgálnak. Könnyű terhelési körülmények között, ahol a távvezetékek terhelése jóval a túlfeszültség -impedancia terhelés alatt van , az energiarendszer hatékonysága valójában javítható a reaktorok bekapcsolásával. Az energiaellátó rendszerben sorozatosan telepített reaktorok szintén korlátozzák az áramlási sebességet, ezért a kis reaktorokat szinte mindig sorba kell szerelni kondenzátorokkal, hogy korlátozzák a kondenzátor kapcsolásával járó áramlökést. Soros reaktorok is használhatók a hibaáramok korlátozására.

A kondenzátorokat és a reaktorokat megszakítók kapcsolják, ami mérsékelten nagy lépcsőfokú reaktív teljesítményváltozást eredményez. Erre megoldás lehet szinkron kondenzátorok , statikus VAR kompenzátorok és statikus szinkron kompenzátorok . Röviden, a szinkron kondenzátorok szinkronmotorok, amelyek szabadon forognak a reaktív teljesítmény előállítása vagy elnyelése érdekében. A statikus VAR kompenzátorok úgy működnek, hogy kondenzátorokat kapcsolnak be tirisztorokkal, szemben a megszakítókkal, amelyek lehetővé teszik a kondenzátorok be- és kikapcsolását egyetlen cikluson belül. Ez sokkal kifinomultabb választ ad, mint a megszakító-kapcsolt kondenzátorok. A statikus szinkron kompenzátorok tovább lépnek ezen a területen, és csak a teljesítményelektronika segítségével érik el a meddőteljesítmény beállítását .

Teljesítményelektronika

Ez a külső háztartási váltakozó áramú egyenáramú tápegység teljesítményelektronikát használ

A teljesítményelektronika félvezető alapú eszközök, amelyek képesek néhány száz wattról több száz megawattra kapcsolni a teljesítménymennyiséget. Viszonylag egyszerű funkciójuk ellenére működési sebességük (jellemzően nanosekundum nagyságrendben) azt jelenti, hogy olyan feladatok széles skálájára képesek, amelyek a hagyományos technológiával nehezek vagy lehetetlenek lennének. A teljesítményelektronika klasszikus funkciója az egyenirányítás , vagy a váltóáramú egyenáramú áram átalakítása, ezért a teljesítményelektronika szinte minden digitális eszközben megtalálható, amelyet hálózati tápegységből vagy a falhoz csatlakoztatható adapterként szállítanak (lásd a fotót) vagy a készülék belső alkatrészeként. A nagy teljesítményű teljesítményelektronika a váltakozó áram egyenáramú árammá alakítására is használható a HVDC néven ismert rendszerben . A HVDC -t azért használják, mert gazdaságosabbnak bizonyul, mint a hasonló nagyfeszültségű váltakozó áramú rendszerek nagyon hosszú távolságokon (több száz -ezer kilométer). A HVDC az összeköttetéseknél is kívánatos, mivel lehetővé teszi a frekvenciafüggetlenséget, ezáltal javítva a rendszer stabilitását. A teljesítményelektronika elengedhetetlen minden olyan áramforráshoz, amely váltakozó áramú kimenet előállításához szükséges, de természeténél fogva egyenáramú kimenetet állít elő. Ezért ezeket fotovoltaikus berendezések használják.

A teljesítményelektronika számos egzotikus felhasználási területen is megtalálható. Minden modern elektromos és hibrid jármű középpontjában állnak - ahol motorvezérlésre és kefe nélküli egyenáramú motor részeként használják őket . A teljesítményelektronika gyakorlatilag minden modern benzinüzemű járműben is megtalálható, ennek oka az, hogy az autó akkumulátoraiból származó teljesítmény önmagában nem elegendő a gyújtás, a légkondicionálás, a belső világítás, a rádió és a műszerfal kijelzőinek biztosításához. Tehát az akkumulátorokat vezetés közben fel kell tölteni - ez jellemzően teljesítményelektronika segítségével valósul meg. Míg a hagyományos technológia alkalmatlan lenne egy modern elektromos autó számára, a kommutátorok használhatók és használhatók a benzinüzemű autókban, a generátorokra váltás a teljesítményelektronikával együtt a kefe nélküli gépek jobb tartóssága miatt történt.

Egyes elektromos vasúti rendszerek egyenáramot is használnak, és így teljesítményelektronikát használnak a mozdonyok hálózati áramellátására, és gyakran a mozdony motorjának sebességszabályozására. A huszadik század közepén népszerűek voltak az egyenirányító mozdonyok, amelyek teljesítményelektronikával alakították át a vasúti hálózat váltakozó áramát, hogy egyenáramú motort használhassák. Manapság a legtöbb elektromos mozdony váltakozó áramú, és váltakozó áramú motorokkal üzemel, de továbbra is teljesítményelektronikát használ a megfelelő motorvezérléshez. A motorvezérlés és az indítóáramkörök segítésére szolgáló teljesítményelektronika használata az egyenirányítás mellett felelős az ipari gépek széles körében megjelenő teljesítményelektronikáért. Teljesítmény elektronika is szerepel modern lakóház légkondicionálók lehetővé középpontjában állnak a változtatható sebességű szélturbina .

Védőeszközök

Többfunkciós digitális védőrelé, amelyet jellemzően az alállomáson helyeznek el az elosztó tápellátás védelme érdekében

Az áramellátó rendszerek védőeszközöket tartalmaznak, amelyek megakadályozzák a sérüléseket vagy károkat a meghibásodások során. A legfontosabb védőeszköz a biztosíték. Amikor a biztosítékon áthaladó áram meghalad egy bizonyos küszöbértéket, a biztosíték eleme megolvad, és ívet képez a keletkező résen, majd kialszik, megszakítva az áramkört. Tekintettel arra, hogy a biztosítékokat a rendszer gyenge pontjaként lehet felépíteni, a biztosítékok ideálisak az áramkörök védelmére a sérülésektől. A biztosítékoknak azonban két problémája van: Először is, miután működtek, ki kell cserélni a biztosítékokat, mivel nem lehet visszaállítani. Ez kényelmetlennek bizonyulhat, ha a biztosíték egy távoli helyen van, vagy nincs tartalék biztosíték. Másodszor, a biztosítékok általában nem megfelelőek egyetlen biztonsági eszközként a legtöbb energiaellátó rendszerben, mivel jóval meghaladó áramlást tesznek lehetővé, ami emberre vagy állatra nézve halálos lehet.

Az első problémát megszakítók - olyan eszközök - segítségével lehet visszaállítani, amelyek megszakíthatják az áramlásukat. A modern rendszerekben, amelyek körülbelül 10 kW -ot fogyasztanak, tipikusan miniatűr megszakítókat használnak. Ezek az eszközök egyesítik a kioldást indító mechanizmust (a túláram érzékelésével), valamint azt a mechanizmust, amely egyetlen egységben megszakítja az áramlást. Néhány miniatűr megszakító kizárólag elektromágnesesség alapján működik. Ezekben a miniatűr megszakítókban az áramot egy mágnesszelepen keresztül vezetik, és túlzott áramlás esetén a mágnesszelep mágneses húzása elegendő a megszakító érintkezőinek kinyitásához (gyakran közvetve egy kioldó mechanizmuson keresztül). A jobb kialakítás azonban egy bimetál szalag behelyezésével jön létre a mágnesszelep elé - ez azt jelenti, hogy ahelyett, hogy mindig mágneses erőt termelne, a mágnesszelep csak akkor termel mágneses erőt, ha az áram elég erős ahhoz, hogy deformálja a bimetálcsíkot és befejezze a mágnesszelep áramkörét. .

Nagyobb teljesítményű alkalmazásokban a hibát észlelő és kioldást indító védőrelék külön vannak a megszakítótól. A korai relék az előző bekezdésben említettekhez hasonló elektromágneses elveken alapultak, a modern relék alkalmazásspecifikus számítógépek, amelyek az áramellátó rendszer leolvasása alapján határozzák meg, hogy ki kell-e kapcsolni. Különböző relék indítanak kioldásokat a különböző védelmi rendszerektől függően . Például egy túláram -relé kioldást kezdeményezhet, ha bármelyik fázisban az áram meghalad egy bizonyos küszöbértéket, míg a differenciálrelék egyike kioldást indíthat, ha a köztük lévő áramok összege azt jelzi, hogy áram áramolhat a földre. A nagyobb teljesítményű alkalmazások megszakítói is eltérőek. A levegő általában már nem elegendő az ív kioltásához, amely az érintkezők kényszernyitásakor keletkezik, így különféle technikákat alkalmaznak. Az egyik legnépszerűbb technika az, hogy a kamrát az érintkezőket körülvevő kén-hexafluorid (SF 6 ) elárasztja-ez egy nem mérgező gáz, amely ívcsillapító tulajdonságokkal rendelkezik. Más technikákat tárgyal a hivatkozás.

A második problémát, a biztosítékok elégtelenségét arra, hogy a legtöbb energiaellátó rendszerben egyetlen biztonsági eszközként működjenek, valószínűleg a maradékáramú eszközök (RCD -k) segítségével lehet megoldani. Minden megfelelően működő elektromos készülékben az aktív vezetékben a készülékbe áramló áramnak meg kell egyeznie a készülékből a semleges vonalon áramló árammal. A maradékáram -eszköz úgy működik, hogy figyeli az aktív és semleges vonalakat, és lekapcsolja az aktív vonalat, ha különbséget észlel. A maradékáramú eszközök mindegyik fázishoz külön semleges vezetéket igényelnek, és képesek egy időkereten belül leállni, mielőtt kárt okoznak. Ez általában nem jelent problémát a legtöbb lakossági alkalmazásban, ahol a szabványos huzalozás aktív és semleges vonalat biztosít minden készülékhez (ezért a hálózati csatlakozókon mindig van legalább két fogó), és a feszültség viszonylag alacsony, azonban ezek a problémák korlátozzák az RCD -k hatékonyságát más alkalmazások, például az ipar. Még az RCD telepítésekor is az áramnak való kitettség végzetes lehet.

SCADA rendszerek

A nagy villamosenergia -rendszerekben a felügyeleti vezérlést és adatgyűjtést (SCADA) olyan feladatokra használják, mint a generátorok bekapcsolása, a generátor kimenetének vezérlése és a karbantartási rendszer elemeinek be- vagy kikapcsolása. Az első bevezetett felügyeleti vezérlőrendszerek egy lámpapanelből és kapcsolókból álltak a központi konzolon az ellenőrzött üzem közelében. A lámpák visszajelzést adtak az üzem állapotáról (adatgyűjtési funkció), a kapcsolók pedig lehetővé tették az üzemben történő beállításokat (felügyeleti vezérlő funkció). Manapság a SCADA rendszerek sokkal kifinomultabbak, és a kommunikációs rendszerek fejlődésének köszönhetően az üzemet vezérlő konzoloknak már nem kell az üzem közelében lenniük. Ehelyett ma már gyakori, hogy az üzemeket asztali számítógéphez hasonló (ha nem azonos) berendezéssel irányítják. Az ilyen erőművek számítógépen keresztül történő irányításának lehetősége megnövelte a biztonság iránti igényt-már érkeztek jelentések az ilyen rendszerek elleni kibertámadásokról, amelyek jelentős fennakadásokat okoztak az energiarendszerekben.

Energiarendszerek a gyakorlatban

Az energiaellátó rendszerek közös alkotóelemeik ellenére nagyban különböznek mind kialakításukat, mind működésüket tekintve. Ez a szakasz néhány gyakori áramellátástípust mutat be, és röviden ismerteti azok működését.

Lakossági áramellátó rendszerek

A lakóingatlanok szinte mindig a lakásban elhaladó kisfeszültségű elosztóvezetékekről vagy kábelekről kapnak ellátást. Ezek a nemzeti szabványoktól függően 110 és 260 volt közötti feszültségen működnek (fázis-föld). Néhány évtizeddel ezelőtt a kis lakásokat egyfázisú tápellátással látták el, külön kétmagos szervizkábellel (egy mag az aktív fázishoz, egy pedig a semleges visszatéréshez). Az aktív vonal aztán végigmenni egy fő földelőkapcsolót a biztosíték dobozban , majd szét egy vagy több áramkörök takarmány világítás és készülékek a házban. Megállapodás szerint a világítás és a készülék áramköreit egymástól elkülönítve tartják, így a készülék meghibásodása nem hagyja sötétben a lakás lakóit. Valamennyi áramkört biztosítékkal kell olvadni egy megfelelő biztosítékkal az adott áramkörhöz használt vezeték mérete alapján. Az áramköröknek aktív és semleges vezetékeik is lennének, a világítás és a konnektorok párhuzamosan vannak csatlakoztatva. Az aljzatokat védőföldeléssel is ellátják. Ez elérhető lenne a készülékek számára, hogy bármilyen fém burkolathoz csatlakozzanak. Ha ez a burkolat feszültség alatt állna, az elmélet szerint a földhöz való csatlakozás az RCD vagy a biztosíték kioldását okozza - ezáltal megakadályozva a készüléket kezelő személy jövőbeni áramütését. A földelési rendszerek régiónként eltérőek, de az olyan országokban, mint az Egyesült Királyság és Ausztrália, mind a védőföldelés, mind a semleges vezeték együtt földelődik a biztosítékdoboz közelében, a fő leválasztó kapcsoló előtt, és a semleges ismét földelt az elosztótranszformátornál.

Az évek során számos kisebb változás történt a lakossági vezetékek gyakorlatában. A fejlett országok modern lakossági áramellátó rendszerei közül a legjelentősebbek a következők:

  • A kényelem kedvéért a miniatűr megszakítókat szinte mindig a biztosítékdobozban használják a biztosítékok helyett, mivel ezeket az utasok könnyen visszaállíthatják, és ha hőmágneses típusúak, akkor gyorsabban reagálhatnak bizonyos típusú hibákra.
  • Biztonsági okokból az RCD -ket gyakran telepítik a készülék áramköreire, és egyre gyakrabban még a világítási áramkörökre is.
  • Míg a múltban a lakossági klímaberendezéseket egy fázishoz csatlakoztatott dedikált áramkörből táplálhatták, addig egyes országokban általánossá válnak a nagyobb, központi fázisú, háromfázisú áramellátást igénylő légkondicionálók.
  • A védőföldeléseket most világító áramkörökkel működtetik, hogy lehetővé tegyék a fém lámpatartók földelését.
  • A lakossági energiaellátó rendszerek egyre inkább mikrogenerátorokat , különösen fotovoltaikus cellákat tartalmaznak.

Kereskedelmi áramellátó rendszerek

A kereskedelmi áramellátó rendszerek, például a bevásárlóközpontok vagy a sokemeletes épületek nagyobb méretűek, mint a lakossági rendszerek. A nagyobb kereskedelmi rendszerek elektromos tervezéseit általában a terhelésáram, a rövidzárlati hibaszintek és a feszültségcsökkenés tekintetében tanulmányozzák az állandó állapotú terheléseknél és a nagy motorok indításakor. A tanulmányok célja a berendezések és a vezetékek megfelelő méretezésének biztosítása, valamint a védőeszközök összehangolása, hogy a hiba elhárításakor minimális zavar keletkezzen. A nagy kereskedelmi létesítmények rendezett alpanelekkel rendelkeznek, külön a fő elosztótáblától, hogy lehetővé tegyék a jobb rendszervédelmet és a hatékonyabb elektromos telepítést.

Jellemzően az egyik legnagyobb készülék, amely forró éghajlati viszonyok között csatlakozik egy kereskedelmi áramellátó rendszerhez, a HVAC -egység, és ennek az egységnek a megfelelő ellátása biztosítása fontos szempont a kereskedelmi energiarendszerekben. A kereskedelmi létesítményekre vonatkozó szabályok más követelményeket támasztanak a kereskedelmi rendszerekkel szemben, amelyeket nem a lakossági rendszerekre helyeznek. Például Ausztráliában a kereskedelmi rendszereknek meg kell felelniük az AS 2293 szabványnak, a vészvilágításra vonatkozó szabványnak, amely előírja, hogy a vészvilágítást legalább 90 percig fenn kell tartani, ha a hálózat megszakad. Az Egyesült Államokban a Nemzeti Elektromos Kódex előírja, hogy a kereskedelmi rendszereket legalább egy 20 A jelzésű kimenettel kell felépíteni a kültéri jelzések megvilágítása érdekében. Az építési szabályzat különleges követelményeket támaszthat az elektromos rendszerrel a vészvilágítás, az evakuálás, a vészüzemi áramellátás, a füstszabályozás és a tűzvédelem tekintetében.

Energiaellátó rendszer menedzsment

Az energiaellátás kezelése az energiarendszertől függően változik. A lakossági áramellátó rendszerek, sőt az autóipari elektromos rendszerek gyakran meghibásodnak. A repülésben az energiaellátó rendszer redundanciát alkalmaz a rendelkezésre állás biztosítására. A Boeing 747-400-ason a négy motor bármelyike ​​képes áramellátást biztosítani, és a megszakítókat a bekapcsolás részeként ellenőrzik (egy kioldott megszakító hibát jelez). A nagyobb energiaellátó rendszerek aktív kezelést igényelnek. Az ipari üzemekben vagy bányászati ​​telepeken egyetlen csapat felelhet a hibák kezeléséért, növeléséért és karbantartásáért. Ami az elektromos hálózatot illeti , a menedzsment több speciális csapat között oszlik meg.

Hibakezelés

A hibakezelés magában foglalja az energiaellátó rendszer viselkedésének megfigyelését a rendszer megbízhatóságát befolyásoló problémák azonosítása és kijavítása érdekében. A hibakezelés lehet specifikus és reakcióképes: például egy csapat kiküldése vihar közben lebuktatott karmesternek. Vagy alternatívaként összpontosíthat a rendszerszintű fejlesztésekre: például a visszazárók telepítésére a rendszer olyan részeire, amelyek gyakori átmeneti megszakításoknak vannak kitéve (ezt a növényzet, a villámlás vagy az élővilág okozhatja).

Karbantartás és bővítés

A hibakezelés mellett az energiaellátó rendszerek karbantartást vagy bővítést igényelhetnek. Mivel gyakran nem gazdaságos és nem praktikus, ha a rendszer nagy részei offline állapotban vannak e munka során, az energiaellátó rendszereket sok kapcsolóval építik fel. Ezek a kapcsolók lehetővé teszik a rendszer azon részének elkülönítését, amíg a rendszer többi része feszültség alatt marad. Nagyfeszültség esetén két kapcsoló van: leválasztók és megszakítók . A megszakítók olyan megszakítókapcsolók, amelyek terhelés alatt működő szigetelőként elfogadhatatlan és veszélyes ívhez vezetnek . Egy tipikus tervezett kimaradás esetén több megszakítót kapcsolnak ki, hogy lehetővé tegyék a leválasztók kapcsolását, mielőtt a megszakítókat ismét bezárják, hogy átirányítsák az áramot az elszigetelt terület körül. Ez lehetővé teszi a munka befejezését az elszigetelt területen.

Frekvencia- és feszültségszabályozás

A hibakezelésen és karbantartáson túl az energiarendszerek egyik fő nehézsége az, hogy az elfogyasztott aktív teljesítménynek és a veszteségeknek meg kell egyezniük az előállított aktív teljesítménnyel. Ha a terhelés csökken, miközben a generációs bemenetek állandóak maradnak, a szinkron generátorok gyorsabban forognak, és a rendszer frekvenciája nő. Az ellenkezője fordul elő, ha a terhelést növelik. Ezért a rendszer frekvenciáját elsősorban a feladható terhelések be- és kikapcsolásával, valamint a generálással kell aktívan kezelni . A frekvencia állandóvá tételéről rendszerint rendszergazda gondoskodik . Még a frekvencia fenntartása mellett is le lehet foglalni a rendszerüzemeltetőt, biztosítva:

  1. a rendszer berendezéseit vagy ügyfeleit a szükséges feszültséggel látják el
  2. a reaktív erőátvitel minimálisra csökken (hatékonyabb működéshez vezet)
  3. csapatokat küldünk ki, és a rendszert átkapcsoljuk az esetleges hibák enyhítésére
  4. a rendszer működésének lehetővé tétele érdekében távkapcsolóra kerül sor

Megjegyzések

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek