Sistem de energie electrică - Electric power system

O turbină cu abur utilizată pentru a furniza energie electrică

Un sistem de energie electrică este o rețea de componente electrice desfășurate pentru furnizarea, transferul și utilizarea energiei electrice. Un exemplu de sistem de alimentare este rețeaua electrică care furnizează energie caselor și industriilor dintr-o zonă extinsă. Rețeaua electrică poate fi împărțită, în linii mari, în generatoarele care furnizează energie, sistemul de transmisie care transportă puterea de la centrele de generare la centrele de încărcare și sistemul de distribuție care alimentează energia către casele și industriile din apropiere.

Sistemele de alimentare mai mici se găsesc și în industrie, spitale, clădiri comerciale și case. O diagramă cu o singură linie ajută la reprezentarea întregului sistem. Majoritatea acestor sisteme se bazează pe curent alternativ trifazat - standardul pentru transmisia și distribuția de energie pe scară largă în lumea modernă. Sistemele de alimentare specializate care nu se bazează întotdeauna pe puterea de curent alternativ trifazată se găsesc în avioane, sisteme feroviare electrice, linie oceanică, submarine și automobile.

Istorie

O schiță a stației Pearl Street

În 1881, doi electricieni au construit primul sistem de putere din lume la Godalming, în Anglia. Acesta a fost alimentat de două roți de apă și a produs un curent alternativ care, la rândul său, a furnizat șapte lămpi cu arc Siemens la 250 volți și 34 lămpi incandescente la 40 volți. Cu toate acestea, aprovizionarea cu lămpi a fost intermitentă și în 1882 Thomas Edison și compania sa, Edison Electric Light Company, au dezvoltat prima centrală electrică cu abur pe Pearl Street din New York City. Stația Pearl Street alimenta inițial în jur de 3.000 de lămpi pentru 59 de clienți. Centrala electrică a generat curent continuu și a funcționat la o singură tensiune. Puterea de curent continuu nu a putut fi transformată cu ușurință sau eficient la tensiunile mai mari necesare pentru a minimiza pierderile de energie în timpul transmisiei pe distanțe lungi, astfel încât distanța economică maximă dintre generatoare și sarcină a fost limitată la aproximativ 800 m.

În același an, la Londra, Lucien Gaulard și John Dixon Gibbs au demonstrat „generatorul secundar” - primul transformator potrivit pentru utilizarea într-un sistem de energie real. Valoarea practică a transformatorului Gaulard și Gibbs a fost demonstrată în 1884 la Torino, unde transformatorul a fost folosit pentru a aprinde patruzeci de kilometri de cale ferată de la un singur generator de curent alternativ . În ciuda succesului sistemului, perechea a făcut câteva greșeli fundamentale. Poate că cel mai grav a fost conectarea în serie a elementelor primare ale transformatoarelor , astfel încât lămpile active să afecteze luminozitatea altor lămpi aflate mai jos.

În 1885, Ottó Titusz Bláthy colaborând cu Károly Zipernowsky și Miksa Déri a perfecționat generatorul secundar al lui Gaulard și Gibbs, oferindu-i un miez de fier închis și denumirea actuală: „ transformatorul ”. Cei trei ingineri au prezentat în continuare un sistem de alimentare la Expoziția Națională Generală din Budapesta care a implementat sistemul de distribuție în paralel alternativ propus de un om de știință britanic în care mai multe transformatoare de putere au înfășurările primare alimentate în paralel de la o linie de distribuție de înaltă tensiune. Sistemul a aprins mai mult de 1000 de lămpi cu filament de carbon și a funcționat cu succes din mai până în noiembrie a acelui an.

De asemenea, în 1885, George Westinghouse , un antreprenor american, a obținut drepturile de brevet pentru transformatorul Gaulard-Gibbs și a importat mai multe dintre ele împreună cu un generator Siemens și și-a pus inginerii să experimenteze cu ei în speranța de a le îmbunătăți pentru a le folosi într-o reclamă sistem de energie. În 1886, unul dintre inginerii Westinghouse, William Stanley , a recunoscut independent problema conectării transformatoarelor în serie spre deosebire de paralel și a realizat, de asemenea, că transformarea miezului de fier al unui transformator într-o buclă complet închisă ar îmbunătăți reglarea tensiunii înfășurării secundare. Folosind aceste cunoștințe, el a construit un sistem de alimentare cu curent alternativ bazat pe transformatoare multi-tensiune, care deservea mai multe case și întreprinderi la Great Barrington, Massachusetts, în 1886. Sistemul nu era de încredere (în principal din cauza problemelor de generație) și de scurtă durată. Cu toate acestea, pe baza acestui sistem, Westinghouse va începe instalarea sistemelor de transformare de curent alternativ în competiție cu compania Edison mai târziu în acel an. În 1888, Westinghouse a licențiat brevetele Nikola Tesla pentru motoarele cu inducție alternativă polifazate și modelele de transformatoare. Tesla s-a consultat timp de un an la Westinghouse Electric & Manufacturing Company, dar a durat încă patru ani ca inginerii Westinghouse să dezvolte un sistem de transmisie și un motor polifazat funcțional.

Până în 1889, industria energiei electrice înflorea, iar companiile de energie electrică construiseră mii de sisteme de alimentare (atât curent continuu, cât și curent alternativ) în Statele Unite și Europa. Aceste rețele au fost efectiv dedicate furnizării iluminatului electric. În acest timp, rivalitatea dintre companiile lui Thomas Edison și George Westinghouse devenise o campanie de propagandă peste care forma de transmisie (curent continuu sau alternativ) era superioară, o serie de evenimente cunoscute sub numele de „ războiul curenților ”. În 1891, Westinghouse a instalat la Telluride, Colorado, primul sistem de alimentare major care a fost conceput pentru a conduce un motor electric sincron de 100 de cai putere (75 kW), nu doar pentru a furniza iluminat electric . Pe cealaltă parte a Atlanticului, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky și Charles Eugene Lancelot Brown , au construit prima linie de transmisie trifazată pe distanță lungă (175 km), 15 kV, apoi un record), de la Lauffen am Neckar la Frankfurt am Main pentru Expoziția de Inginerie Electrică de la Frankfurt, unde energia a fost utilizată pentru aprinderea lămpilor și funcționarea unei pompe de apă. În Statele Unite, competiția AC / DC a luat sfârșit când Edison General Electric a fost preluat de rivalul lor principal AC, Thomson-Houston Electric Company , formând General Electric . În 1895, după un proces prelungit de luare a deciziilor, curentul alternativ a fost ales ca standard de transmisie cu Westinghouse construind stația de generare Adams nr. 1 la Niagara Falls și General Electric construind sistemul de alimentare cu curent alternativ trifazat pentru a furniza Buffalo la 11 kV .

Dezvoltările în sistemele de putere au continuat dincolo de secolul al XIX-lea. În 1936, prima linie experimentală de curent continuu de înaltă tensiune (HVDC) care utilizează supape cu arc de mercur a fost construită între Schenectady și Mechanicville, New York . HVDC a fost realizat anterior de generatoare și motoare de curent continuu conectate în serie (sistemul Thury ), deși acest lucru a suferit probleme serioase de fiabilitate. Prima diodă metalică în stare solidă adecvată utilizărilor generale de energie a fost dezvoltată de Ernst Presser la TeKaDe în 1928. A constat dintr-un strat de seleniu aplicat pe o placă de aluminiu. În 1957, un grup de cercetare General Electric a dezvoltat primul tiristor potrivit pentru utilizarea în aplicații de putere, începând o revoluție în electronica de putere. În același an, Siemens a demonstrat un redresor în stare solidă, dar abia la începutul anilor 1970 dispozitivele în stare solidă au devenit standard în HVDC, când GE a apărut ca unul dintre cei mai importanți furnizori de HVDC pe bază de tiristor. În 1979, un consorțiu european, incluzând Siemens, Brown Boveri & Cie și AEG, a realizat legătura record HVDC de la Cabora Bassa la Johannesburg , extinzându-se mai mult de 1.420 km care transportau 1,9 GW la 533 kV.

În ultima perioadă, multe evoluții importante au venit de la extinderea inovațiilor în domeniul tehnologiei informației și comunicațiilor (TIC) la domeniul ingineriei energetice. De exemplu, dezvoltarea computerelor a însemnat că studiile fluxului de sarcină ar putea fi efectuate mai eficient, permițând o planificare mult mai bună a sistemelor de alimentare. Progresele în tehnologia informației și telecomunicații au permis, de asemenea, controlul eficient de la distanță al aparatelor de distribuție și al generatorelor unui sistem de alimentare.

Bazele energiei electrice

Animarea curentului alternativ trifazat

Puterea electrică este produsul a două cantități: curent și tensiune . Aceste două cantități pot varia în funcție de timp ( curent alternativ ) sau pot fi menținute la niveluri constante ( curent continuu ).

Majoritatea frigiderelor, aparatelor de aer condiționat, pompelor și mașinilor industriale utilizează curent alternativ, în timp ce majoritatea computerelor și echipamentelor digitale utilizează curent continuu (dispozitivele digitale conectate la rețea au de obicei un adaptor de alimentare intern sau extern pentru a converti de la curent alternativ la curent continuu). Energia de curent alternativ are avantajul de a fi ușor de transformat între tensiuni și poate fi generată și utilizată de mașini fără perii. Puterea continuă rămâne singura alegere practică în sistemele digitale și poate fi mai economică pentru a transmite pe distanțe mari la tensiuni foarte mari (vezi HVDC ).

Capacitatea de a transforma cu ușurință tensiunea de curent alternativ este importantă din două motive: În primul rând, puterea poate fi transmisă pe distanțe mari, cu pierderi mai mici la tensiuni mai mari. Deci, în sistemele de alimentare în care generarea este îndepărtată de sarcină, este de dorit să intensificați (creșteți) tensiunea de putere la punctul de generare și apoi să coborâți (să reduceți) tensiunea în apropierea sarcinii. În al doilea rând, este adesea mai economic să instalați turbine care produc tensiuni mai mari decât ar fi utilizate de majoritatea aparatelor, astfel încât capacitatea de a transforma cu ușurință tensiunile înseamnă că această nepotrivire între tensiuni poate fi gestionată cu ușurință.

Dispozitivele în stare solidă , care sunt produse ale revoluției semiconductoare, fac posibilă transformarea puterii de curent continuu la diferite tensiuni , construirea de mașini de curent continuu fără perii și conversia între puterea de curent alternativ și curent continuu . Cu toate acestea, dispozitivele care utilizează tehnologia de stare solidă sunt adesea mai scumpe decât omologii lor tradiționali, astfel încât alimentarea cu curent alternativ rămâne utilizată pe scară largă.

Componentele sistemelor de alimentare

Provizii

Majoritatea puterii lumii provine încă de la centrale electrice pe bază de cărbune ca aceasta

Toate sistemele de alimentare au una sau mai multe surse de energie. Pentru unele sisteme de alimentare, sursa de energie este externă sistemului, dar pentru altele, face parte din sistemul în sine - aceste surse interne de energie sunt discutate în restul acestei secțiuni. Puterea de curent continuu poate fi furnizată de baterii , pile de combustibil sau celule fotovoltaice . Puterea de curent alternativ este de obicei furnizată de un rotor care se rotește într-un câmp magnetic într-un dispozitiv cunoscut sub numele de generator turbo . Au existat o gamă largă de tehnici utilizate pentru a fila rotorul unei turbine, de la abur încălzit folosind combustibil fosil (inclusiv cărbune, gaz și petrol) sau energie nucleară până la cădere de apă ( energie hidroelectrică ) și eoliană ( energie eoliană ).

Viteza la care rotitorul se rotește în combinație cu numărul de poli ai generatorului determină frecvența curentului alternativ produs de generator. Toți generatorii dintr-un singur sistem sincron, de exemplu, rețeaua națională , se rotesc la sub-multipli de aceeași viteză și astfel generează curent electric la aceeași frecvență. Dacă sarcina sistemului crește, generatoarele vor necesita un cuplu mai mare pentru a se roti la viteza respectivă și, într-o centrală cu abur, trebuie furnizat mai mult abur turbinelor care le conduc. Astfel, aburul utilizat și combustibilul consumat se referă direct la cantitatea de energie electrică furnizată. Există o excepție pentru generatoarele care încorporează electronice de putere, cum ar fi turbine eoliene fără angrenaje sau conectate la o rețea printr-o legătură asincronă, cum ar fi o legătură HVDC - acestea pot funcționa la frecvențe independente de frecvența sistemului de alimentare.

În funcție de modul în care sunt alimentați poli, generatoarele de curent alternativ pot produce un număr variabil de faze de putere. Un număr mai mare de faze duce la o operare mai eficientă a sistemului de alimentare, dar crește și cerințele de infrastructură ale sistemului. Sistemele de rețea electrică conectează mai multe generatoare care funcționează la aceeași frecvență: cele mai frecvente fiind trifazate la 50 sau 60 Hz.

Există o serie de considerații de proiectare pentru sursele de alimentare. Acestea variază de la evident: Câtă putere ar trebui să poată furniza generatorul? Care este durata acceptabilă pentru pornirea generatorului (unii generatori pot dura câteva ore până la pornire)? Este acceptabilă disponibilitatea sursei de energie (unele surse regenerabile sunt disponibile numai atunci când soarele strălucește sau bate vântul)? Cei mai tehnici: cum ar trebui să pornească generatorul (unele turbine acționează ca un motor pentru a se ridica la viteză, caz în care au nevoie de un circuit de pornire adecvat)? Care este viteza mecanică de funcționare a turbinei și, în consecință, care este numărul de poli necesari? Ce tip de generator este potrivit ( sincron sau asincron ) și ce tip de rotor (rotor cu cușcă de veveriță, rotor înfășurat, rotor cu pol salient sau rotor cilindric)?

Încărcături

Un prăjitor de pâine este un exemplu excelent de încărcare monofazată care ar putea apărea într-o reședință. Prăjitoarele de pâine trag de obicei 2 până la 10 amperi la 110 până la 260 de volți, consumând aproximativ 600 până la 1200 de wați de putere.

Sistemele de alimentare furnizează energie încărcăturilor care îndeplinesc o funcție. Aceste încărcături variază de la aparate de uz casnic la utilaje industriale. Majoritatea sarcinilor se așteaptă la o anumită tensiune și, pentru dispozitivele de curent alternativ, la o anumită frecvență și un anumit număr de faze. Aparatele care se găsesc în setări rezidențiale, de exemplu, vor funcționa în mod monofazat la 50 sau 60 Hz cu o tensiune între 110 și 260 volți (în funcție de standardele naționale). Există o excepție pentru sistemele de climatizare centralizate mai mari, deoarece în unele țări acestea sunt acum de obicei trifazate, deoarece acest lucru le permite să funcționeze mai eficient. Toate aparatele electrice au, de asemenea, o putere nominală, care specifică cantitatea de energie consumată de dispozitiv. În orice moment, cantitatea netă de energie consumată de sarcinile unui sistem de alimentare trebuie să fie egală cu cantitatea netă de energie produsă de surse, mai puțin puterea pierdută în transmisie.

Asigurarea faptului că tensiunea, frecvența și cantitatea de energie furnizată încărcăturilor sunt în concordanță cu așteptările este una dintre marile provocări ale ingineriei sistemelor de alimentare. Cu toate acestea, nu este singura provocare, în plus față de puterea utilizată de o sarcină pentru a face o muncă utilă (numită putere reală ), multe dispozitive de curent alternativ folosesc, de asemenea, o cantitate suplimentară de putere, deoarece determină ca tensiunea alternativă și curentul alternativ să devină ușor -de sincronizare (denumită putere reactivă ). Puterea reactivă precum puterea reală trebuie să se echilibreze (adică puterea reactivă produsă pe un sistem trebuie să fie egală cu puterea reactivă consumată) și poate fi alimentată de la generatoare, cu toate acestea este adesea mai economic să furnizați o astfel de putere de la condensatori (a se vedea „Condensatoare și reactoarele "de mai jos pentru mai multe detalii).

O analiză finală a sarcinilor are legătură cu calitatea energiei. În plus față de supratensiuni și subtensiuni susținute (probleme de reglare a tensiunii), precum și abateri susținute de la frecvența sistemului (probleme de reglare a frecvenței), sarcinile sistemului de alimentare pot fi afectate negativ de o serie de probleme temporale. Acestea includ căderi de tensiune, scufundări și umflături, supratensiuni tranzitorii, pâlpâire, zgomot de înaltă frecvență, dezechilibru de fază și factor de putere slab. Problemele legate de calitatea energiei apar atunci când alimentarea cu energie a unei sarcini se abate de la ideal. Problemele legate de calitatea energiei pot fi deosebit de importante atunci când vine vorba de utilaje industriale specializate sau echipamente de spital.

Conductori

Conductori de medie tensiune parțial izolați în California

Conductorii transportă puterea de la generatoare la sarcină. Într-o rețea , conductorii pot fi clasificați ca aparținând sistemului de transmisie , care transportă cantități mari de putere la tensiuni ridicate (de obicei mai mult de 69 kV) de la centrele de generare la centrele de încărcare sau sistemul de distribuție , care alimentează cantități mai mici de putere la tensiuni mai mici (de obicei mai mici de 69 kV) de la centrele de încărcare la case și industrie din apropiere.

Alegerea conductoarelor se bazează pe considerații precum costul, pierderile de transmisie și alte caracteristici dorite ale metalului, cum ar fi rezistența la tracțiune. Cuprul , cu rezistivitate mai mică decât aluminiul , a fost odată conductorul ales pentru majoritatea sistemelor de alimentare. Cu toate acestea, aluminiul are un cost mai mic pentru aceeași capacitate de încărcare curentă și este acum deseori conductorul ales. Conductoarele aeriene pot fi armate cu aliaje de oțel sau aluminiu.

Conductoarele din sistemele de alimentare exterioare pot fi plasate deasupra sau subteran. Conductorii aerieni sunt de obicei izolați de aer și susținuți pe izolatori din porțelan, sticlă sau polimer. Cablurile utilizate pentru transmisia subterană sau cablarea clădirilor sunt izolate cu polietilenă reticulată sau cu alte izolații flexibile. Conductorii sunt adesea blocați pentru a le face mai flexibili și, prin urmare, mai ușor de instalat.

Conductoarele sunt de obicei evaluate pentru curentul maxim pe care îl pot transporta la o creștere de temperatură dată în condiții ambientale. Pe măsură ce fluxul de curent crește printr-un conductor, acesta se încălzește. Pentru conductoarele izolate, valoarea nominală este determinată de izolație. Pentru conductorii goi, ratingul este determinat de punctul în care înclinarea conductorilor ar deveni inacceptabilă.

Condensatoare și reactoare

O instalație de condensare sincronă la stația Templestowe , Melbourne, Victoria

Majoritatea sarcinii într-un sistem tipic de curent alternativ este inductivă; curentul rămâne în urma tensiunii. Deoarece tensiunea și curentul sunt defazate, acest lucru duce la apariția unei forme „imaginare” de putere cunoscută sub numele de putere reactivă . Puterea reactivă nu funcționează măsurabil, dar este transmisă înainte și înapoi între sursa de energie reactivă și încărcarea în fiecare ciclu. Această putere reactivă poate fi furnizată de generatorii înșiși, dar este adesea mai ieftin să o furnizați prin intermediul condensatoarelor, prin urmare condensatoarele sunt adesea plasate lângă sarcini inductive (adică dacă nu sunt la fața locului la cea mai apropiată stație) pentru a reduce cererea curentă a sistemului de alimentare ( adică crește factorul de putere ).

Reactoarele consumă putere reactivă și sunt utilizate pentru reglarea tensiunii pe liniile de transmisie lungi. În condiții de sarcină ușoară, unde încărcarea pe liniile de transmisie este mult sub sarcina de impedanță de supratensiune , eficiența sistemului de alimentare poate fi îmbunătățită prin comutarea reactoarelor. Reactoarele instalate în serie într-un sistem de alimentare limitează, de asemenea, viteza de curgere, reactoarele mici sunt așadar aproape întotdeauna instalate în serie cu condensatori pentru a limita viteza de curent asociată cu comutarea într-un condensator. Reactoarele de serie pot fi, de asemenea, utilizate pentru a limita curenții de defect.

Condensatoarele și reactoarele sunt comutate de întrerupătoare de circuit, ceea ce duce la schimbări treptat mari ale puterii reactive. O soluție la aceasta vine sub formă de condensatoare sincrone , compensatoare VAR statice și compensatoare sincrone statice . Pe scurt, condensatoarele sincrone sunt motoare sincrone care se rotesc liber pentru a genera sau absorbi puterea reactivă. Compensatoarele VAR statice funcționează prin conectarea condensatoarelor folosind tiristoarele spre deosebire de întrerupătoarele care permit conectarea și decuplarea condensatoarelor într-un singur ciclu. Acest lucru oferă un răspuns mult mai rafinat decât condensatoarele cu comutator de întrerupător. Compensatoarele sincrone statice fac acest lucru cu un pas mai departe, realizând ajustări ale puterii reactive folosind doar electronice de putere .

Electronică de putere

Acest adaptor extern de curent alternativ la curent continuu utilizează electronice de putere

Electronica de putere este un dispozitiv bazat pe semiconductori care poate comuta cantități de putere variind de la câteva sute de wați la câteva sute de megawati. În ciuda funcției lor relativ simple, viteza lor de funcționare (de obicei în ordinea nanosecundelor) înseamnă că sunt capabili de o gamă largă de sarcini care ar fi dificile sau imposibile cu tehnologia convențională. Funcția clasică a electronicii de putere este rectificarea sau conversia puterii AC-DC, electronica de putere se găsește, prin urmare, în aproape fiecare dispozitiv digital furnizat de la o sursă de curent alternativ, fie ca adaptor care se conectează la perete (vezi foto) sau ca componentă internă a dispozitivului. Electronica de putere de mare putere poate fi utilizată și pentru a converti puterea de curent alternativ în curent continuu pentru transmisia pe distanțe lungi într-un sistem cunoscut sub numele de HVDC . HVDC este utilizat deoarece se dovedește a fi mai economic decât sistemele de curent alternativ similare de înaltă tensiune pentru distanțe foarte mari (sute până la mii de kilometri). HVDC este, de asemenea, de dorit pentru interconectări, deoarece permite independența frecvenței, îmbunătățind astfel stabilitatea sistemului. Electronica de putere este, de asemenea, esențială pentru orice sursă de alimentare necesară pentru a produce o ieșire de curent alternativ, dar care, prin natura sa, produce o ieșire de curent continuu. Prin urmare, acestea sunt utilizate de instalațiile fotovoltaice.

Electronica de putere este de asemenea prezentă într-o gamă largă de utilizări mai exotice. Acestea se află în centrul tuturor vehiculelor electrice și hibride moderne - unde sunt utilizate atât pentru controlul motorului, cât și ca parte a motorului continuu fără perii . Electronica de putere se găsește și în practic toate vehiculele moderne pe benzină, aceasta deoarece puterea furnizată doar de bateriile mașinii este insuficientă pentru a oferi aprindere, aer condiționat, iluminat intern, radio și afișaje de bord pentru viața mașinii. Deci, bateriile trebuie să fie reîncărcate în timpul conducerii - un lucru care se realizează de obicei folosind electronica de putere. În timp ce tehnologia convențională nu ar fi potrivită pentru o mașină electrică modernă, comutatoarele pot și au fost utilizate în mașinile pe benzină, trecerea la alternatoare în combinație cu electronica de putere a avut loc datorită durabilității îmbunătățite a mașinilor fără perii.

Unele sisteme feroviare electrice folosesc, de asemenea, curent continuu și utilizează astfel electronica de putere pentru a alimenta electricitatea rețelei la locomotive și adesea pentru controlul vitezei motorului locomotivei. La mijlocul secolului al XX-lea, locomotivele redresoare erau populare, acestea foloseau electronice de putere pentru a converti puterea de curent alternativ din rețeaua feroviară pentru a fi folosită de un motor de curent continuu. Astăzi majoritatea locomotivelor electrice sunt alimentate cu curent alternativ și funcționează folosind motoare de curent alternativ, dar folosesc în continuare electronice de putere pentru a asigura controlul adecvat al motorului. Utilizarea electronicii de putere pentru a ajuta la controlul motorului și la circuitele de pornire, pe lângă rectificare, este responsabilă pentru aparatele electronice de putere într-o gamă largă de mașini industriale. Electronica de putere apare chiar și în aparatele de aer condiționat rezidențiale moderne, permițându-se să fie în centrul turbinei eoliene cu viteză variabilă .

Dispozitive de protecție

Un releu de protecție digital multifuncțional instalat de obicei la o stație pentru a proteja un alimentator de distribuție

Sistemele de alimentare conțin dispozitive de protecție pentru a preveni rănirea sau deteriorarea în timpul defecțiunilor. Dispozitivul de protecție prin excelență este siguranța. Când curentul printr-o siguranță depășește un anumit prag, elementul siguranței se topește, producând un arc peste spațiul rezultat care este apoi stins, întrerupând circuitul. Având în vedere că siguranțele pot fi construite ca punct slab al unui sistem, siguranțele sunt ideale pentru a proteja circuitele de daune. Cu toate acestea, siguranțele au două probleme: În primul rând, după ce au funcționat, siguranțele trebuie înlocuite deoarece nu pot fi resetate. Acest lucru se poate dovedi incomod dacă siguranța se află într-un loc îndepărtat sau dacă nu există o siguranță de rezervă. Și, în al doilea rând, siguranțele sunt de obicei inadecvate ca singurul dispozitiv de siguranță în majoritatea sistemelor de alimentare, deoarece permit fluxuri de curent cu mult peste cele care s-ar dovedi letale pentru un om sau un animal.

Prima problemă este rezolvată prin utilizarea întrerupătoarelor - dispozitive care pot fi resetate după ce au întrerupt debitul de curent. În sistemele moderne care utilizează mai puțin de aproximativ 10 kW, sunt utilizate în mod normal întreruptoare de circuit miniaturale. Aceste dispozitive combină mecanismul care inițiază declanșarea (prin detectarea excesului de curent), precum și mecanismul care rupe fluxul de curent într-o singură unitate. Unele întreruptoare în miniatură funcționează exclusiv pe baza electromagnetismului. În aceste întrerupătoare de circuit miniaturale, curentul este trecut printr-un solenoid și, în cazul unui flux excesiv de curent, tracțiunea magnetică a solenoidului este suficientă pentru a forța deschiderea contactelor întrerupătorului (adesea indirect printr-un mecanism de declanșare). Cu toate acestea, un design mai bun apare prin introducerea unei benzi bimetalice înainte de solenoid - aceasta înseamnă că, în loc să producă întotdeauna o forță magnetică, solenoidul produce o forță magnetică numai atunci când curentul este suficient de puternic pentru a deforma banda bimetalică și a completa circuitul solenoidului. .

În aplicațiile cu putere mai mare, releele de protecție care detectează o defecțiune și inițiază o declanșare sunt separate de întrerupătorul. Releele timpurii au funcționat pe baza principiilor electromagnetice similare cu cele menționate în paragraful anterior, relele moderne sunt calculatoare specifice aplicației care determină dacă să se declanșeze pe baza citirilor din sistemul de alimentare. Diferite relee vor iniția declanșări în funcție de diferite scheme de protecție . De exemplu, un releu de supracurent poate iniția o declanșare dacă curentul din orice fază depășește un anumit prag, în timp ce un set de relee diferențiale ar putea iniția o declanșare dacă suma curenților dintre ele indică faptul că poate exista curent scurgeri la pământ. Întrerupătoarele de circuit în aplicațiile cu putere mai mare sunt diferite și ele. Aerul nu mai este de obicei suficient pentru a stinge arcul care se formează atunci când contactele sunt forțate să se deschidă, astfel încât sunt utilizate o varietate de tehnici. Una dintre cele mai populare tehnici este menținerea camerei care conține contactele inundate cu hexafluorură de sulf (SF 6 ) - un gaz netoxic cu proprietăți de stingere a arcului sonor. Alte tehnici sunt discutate în referință.

A doua problemă, inadecvarea siguranțelor pentru a acționa ca singurul dispozitiv de siguranță în majoritatea sistemelor de alimentare, este probabil cel mai bine rezolvată prin utilizarea dispozitivelor de curent rezidual (RCD). În orice aparat electric care funcționează corect, curentul care curge în aparat pe linia activă trebuie să fie egal cu curentul care curge din aparat pe linia neutră. Un dispozitiv de curent rezidual funcționează prin monitorizarea liniilor active și neutre și declanșarea liniei active dacă observă o diferență. Dispozitivele de curent rezidual necesită o linie neutră separată pentru fiecare fază și să poată declanșa într-un interval de timp înainte de a se produce vătămarea. De obicei, aceasta nu este o problemă în majoritatea aplicațiilor rezidențiale în care cablajul standard oferă o linie activă și neutră pentru fiecare aparat (de aceea prizele de alimentare au întotdeauna cel puțin două clești) și tensiunile sunt relativ mici, cu toate acestea aceste probleme limitează eficiența RCD-urilor în alte aplicații precum industria. Chiar și cu instalarea unui RCD, expunerea la electricitate se poate dovedi în continuare fatală.

Sisteme SCADA

În sistemele mari de energie electrică, controlul de supraveghere și achiziția de date (SCADA) sunt utilizate pentru activități precum pornirea generatoarelor, controlul ieșirii generatorului și comutarea elementelor sistemului de intrare sau ieșire pentru întreținere. Primele sisteme de control de supraveghere implementate au constat dintr-un panou de lămpi și întrerupătoare la o consolă centrală lângă fabrica controlată. Lămpile furnizau feedback cu privire la starea centralei (funcția de achiziție a datelor), iar comutatoarele permiteau efectuarea de ajustări la instalație (funcția de control de supraveghere). Astăzi, sistemele SCADA sunt mult mai sofisticate și, datorită progreselor în sistemele de comunicații, consolele care controlează instalația nu mai trebuie să se afle în apropierea centralei. În schimb, acum este obișnuit ca plantele să fie controlate cu echipamente similare (dacă nu identice) cu un computer desktop. Capacitatea de a controla astfel de centrale prin intermediul computerelor a crescut nevoia de securitate - au existat deja rapoarte de atacuri cibernetice asupra unor astfel de sisteme care cauzează întreruperi semnificative ale sistemelor de alimentare.

Sistemele de alimentare în practică

În ciuda componentelor lor comune, sistemele de alimentare variază foarte mult atât în ​​ceea ce privește proiectarea lor, cât și modul în care funcționează. Această secțiune introduce câteva tipuri comune de sisteme de alimentare și explică pe scurt funcționarea acestora.

Sisteme de alimentare rezidențiale

Locuințele rezidențiale iau întotdeauna aprovizionarea de la liniile de distribuție de joasă tensiune sau cablurile care trec pe lângă locuință. Acestea funcționează la tensiuni cuprinse între 110 și 260 volți (fază-pământ) în funcție de standardele naționale. Cu câteva decenii în urmă, locuințele mici ar fi alimentate într-o singură fază folosind un cablu de serviciu dedicat cu două nuclee (un nucleu pentru faza activă și un nucleu pentru returul neutru). Linia activă ar fi apoi rulată printr-un comutator principal de izolare în cutia de siguranțe și apoi împărțită în unul sau mai multe circuite pentru a alimenta iluminatul și aparatele din interiorul casei. Prin convenție, circuitele de iluminat și aparate sunt menținute separate, astfel încât defectarea unui aparat nu lasă ocupanții locuinței în întuneric. Toate circuitele ar fi fuzionate cu o siguranță adecvată bazată pe dimensiunea firului utilizat pentru acel circuit. Circuitele ar avea atât un fir activ, cât și un fir neutru, atât lumina cât și prizele de alimentare fiind conectate în paralel. Mufele ar fi, de asemenea, prevăzute cu un pământ de protecție. Acest lucru ar fi pus la dispoziția aparatelor pentru a se conecta la orice carcasă metalică. Dacă această carcasă ar deveni activă, teoria este că conexiunea la pământ ar provoca declanșarea unui RCD sau a unei siguranțe - prevenind astfel electrocutarea viitoare a unui ocupant care manipulează aparatul. Sistemele de împământare variază între regiuni, dar în țări precum Regatul Unit și Australia, atât pământul de protecție, cât și linia neutră ar fi împământate împreună lângă cutia de siguranțe înainte de întrerupătorul principal de izolare și pământul neutru din nou la transformatorul de distribuție.

Au existat o serie de modificări minore de-a lungul anilor în practica cablării rezidențiale. Unele dintre cele mai semnificative moduri în care sistemele de alimentare rezidențiale moderne din țările dezvoltate tind să varieze de cele mai vechi includ:

  • Pentru comoditate, întreruptoarele miniaturale sunt acum aproape întotdeauna utilizate în cutia de siguranțe în loc de siguranțe, deoarece acestea pot fi ușor resetate de către ocupanți și, dacă sunt de tip termomagnetic, pot răspunde mai rapid la unele tipuri de defecțiuni.
  • Din motive de siguranță, RCD-urile sunt acum instalate adesea pe circuitele aparatelor și, din ce în ce mai mult, chiar și pe circuitele de iluminat.
  • În timp ce aparatele de aer condiționat rezidențiale din trecut ar fi putut fi alimentate dintr-un circuit dedicat atașat la o singură fază, aparatele de aer condiționat mai mari centralizate care necesită alimentare trifazată devin acum comune în unele țări.
  • Pământurile de protecție sunt acum rulate cu circuite de iluminare pentru a permite legarea la pământ a suporturilor de lampă metalice.
  • Sistemele de energie din ce în ce mai rezidențiale încorporează microgeneratori , în special celule fotovoltaice.

Sisteme de alimentare comerciale

Sistemele comerciale de energie, cum ar fi centrele comerciale sau clădirile înalte, sunt la scară mai mare decât sistemele rezidențiale. Proiectările electrice pentru sisteme comerciale mai mari sunt de obicei studiate pentru debitul de sarcină, nivelurile de defect la scurtcircuit și căderea de tensiune pentru sarcini în regim constant și în timpul pornirii motoarelor mari. Obiectivele studiilor sunt asigurarea dimensionării corespunzătoare a echipamentelor și a conductorilor și coordonarea dispozitivelor de protecție, astfel încât să se producă o întrerupere minimă atunci când se elimină o defecțiune. Instalațiile comerciale mari vor avea un sistem ordonat de sub-panouri, separat de placa principală de distribuție pentru a permite o protecție mai bună a sistemului și o instalație electrică mai eficientă.

De obicei, unul dintre cele mai mari aparate conectate la un sistem comercial de alimentare în climă caldă este unitatea HVAC și asigurarea faptului că această unitate este alimentată în mod adecvat este un aspect important în sistemele de alimentare comerciale. Reglementările pentru unitățile comerciale impun alte cerințe sistemelor comerciale care nu sunt plasate pe sistemele rezidențiale. De exemplu, în Australia, sistemele comerciale trebuie să respecte AS 2293, standardul pentru iluminatul de urgență, care necesită ca iluminatul de urgență să fie menținut cel puțin 90 de minute în cazul pierderii rețelei de alimentare. În Statele Unite, Codul electric național impune construirea sistemelor comerciale cu cel puțin o priză de semnătură 20 A pentru a aprinde semnalizarea exterioară. Reglementările referitoare la codul de construcție pot impune cerințe speciale sistemului electric pentru iluminatul de urgență, evacuarea, alimentarea de urgență, controlul fumului și protecția împotriva incendiilor.

Managementul sistemului de alimentare

Gestionarea sistemului de alimentare variază în funcție de sistemul de alimentare. Sistemele de alimentare rezidențiale și chiar și sistemele electrice auto sunt deseori rulate pentru a eșua. În aviație, sistemul de energie utilizează redundanța pentru a asigura disponibilitatea. Pe Boeing 747-400, oricare dintre cele patru motoare poate furniza putere și întrerupătoarele sunt verificate ca parte a pornirii (un întrerupător declanșat care indică o defecțiune). Sistemele de putere mai mari necesită o gestionare activă. În instalațiile industriale sau amplasamentele miniere, o singură echipă ar putea fi responsabilă pentru gestionarea, extinderea și întreținerea defecțiunilor. În ceea ce privește rețeaua electrică , managementul este împărțit între mai multe echipe specializate.

Gestionarea defecțiunilor

Gestionarea defecțiunilor implică monitorizarea comportamentului sistemului de alimentare, astfel încât să identifice și să corecteze problemele care afectează fiabilitatea sistemului. Gestionarea defecțiunilor poate fi specifică și reactivă: de exemplu, trimiterea unei echipe către conductorul care a fost doborât în ​​timpul unei furtuni. Sau, alternativ, se poate concentra pe îmbunătățiri sistemice: cum ar fi instalarea de reclosere pe secțiuni ale sistemului care sunt supuse unor perturbări temporare frecvente (cum ar putea fi cauzate de vegetație, fulgere sau animale sălbatice).

Întreținere și augmentare

În plus față de gestionarea defecțiunilor, sistemele de alimentare pot necesita întreținere sau extindere. De câte ori nu este nici economic, nici practic ca părți mari ale sistemului să fie offline în timpul acestei lucrări, sistemele de alimentare sunt construite cu multe comutatoare. Aceste comutatoare permit izolarea părții sistemului pe care se lucrează, în timp ce restul sistemului rămâne activ. La tensiuni ridicate, există două comutatoare notabile : izolatoare și întreruptoare . Întreruptoarele automate sunt întrerupătoare de rupere a sarcinii, în cazul în care funcționarea izolatoarelor sub sarcină ar duce la arcuri inacceptabile și periculoase . Într-o întrerupere tipică planificată, mai multe întrerupătoare de circuit sunt declanșate pentru a permite comutarea izolatoarelor înainte ca întrerupătoarele să fie din nou închise pentru a redirecționa alimentarea în jurul zonei izolate. Acest lucru permite finalizarea lucrărilor pe zona izolată.

Gestionarea frecvenței și a tensiunii

Dincolo de gestionarea și întreținerea defecțiunilor, una dintre principalele dificultăți în sistemele de alimentare este că puterea activă consumată plus pierderile trebuie să fie egală cu puterea activă produsă. Dacă sarcina este redusă în timp ce intrările de generație rămân constante, generatoarele sincrone se vor roti mai repede și frecvența sistemului va crește. Opusul se întâmplă dacă sarcina este crescută. Ca atare, frecvența sistemului trebuie gestionată activ în primul rând prin pornirea și oprirea sarcinilor și generării dispecerizabile . Asigurarea faptului că frecvența este constantă este de obicei sarcina unui operator de sistem . Chiar și cu frecvența menținută, operatorul de sistem poate fi menținut ocupat asigurând:

  1. echipamentele sau clienții din sistem sunt alimentați cu tensiunea necesară
  2. transmisia puterii reactive este minimizată (ceea ce duce la o funcționare mai eficientă)
  3. echipele sunt expediate și sistemul este comutat pentru a atenua eventualele defecte
  4. comutarea la distanță este efectuată pentru a permite funcționarea sistemului

Note

Vezi si

Referințe

linkuri externe