Энергетические системы

Энергетические  Системы

Введение

   Системы Электроэнергии, компоненты, которые преобразовывают другие типы энергии в электричество и передают эту потребителю. Производство и передача электричества относительно эффективны и недороги, хотя в отличие от других видов энергии, электричество не просто хранить и таким образом оно должно сразу использоваться, как только оно вырабатывается.

Компоненты  Энергетической Системы 

   Современная электроэнергетическая система состоит из шести главных компонентов: 1) электростанция, 2) ряд трансформаторов, чтобы преобразовать полученную мощность к высокому напряжению используемую на линиях передачи, 3) линии передачи, 4) подстанции, в которых энергия понижается к напряжению на линиях распределения, 5) линии распределения, и 6) трансформаторы, которые понижают напряжение распределения к уровню, используемому оборудованием потребителя. 

Электростанция

   Система электростанции состоит из первичного двигателя, такого как турбина, которую вращают с помощью воды, пара, или газов сгорания, которые управляют системой электромоторов и генераторов. Большая часть электроэнергии в мире производится на паровых станциях, которые используют уголь, нефть, ядерную энергию, или газ. Меньший процент от электроэнергии в мире произведен гидроэнергией, дизелями, и двигателями внутреннего сгорания (см. Мировое Энергоснабжение).

Трансформаторы

   Современные электроэнергетическая система использует трансформаторы, чтобы преобразовать электричество в различные напряжения.  Трансформаторами каждой ступени системы можно управлять соответствующим напряжении. В типичной системе генераторы в электростанции поставляют напряжение от 1 000 до 26 000 В (V). Трансформаторы повышают это напряжение до значений в пределах от 138 000 - 765 000 V для протяженной первичной линии передачи, потому что более высокие напряжения передаются более эффективно на большие расстояния. В подстанции напряжение может быть понижено к уровням 69 000 - 138 000 V для дальнейшей передачи по системе распределения. Другая часть трансформаторов понижает напряжение снова к уровню распределения такому, как 2 400 или 4 160 V или 15, 27, или 33 (кВ). Наконец напряжение преобразовано еще раз в трансформаторе распределения в пределах значений, которые используют 240 или 120 V.

Линии передачи

   Провода системы линий передачи высокого напряжения обычно делают из меди, алюминия, или медно-изолированной или алюминиево-изолированной стали, которые отделены от стальных конструкций высоких опор, фарфоровыми изоляторами. При помощи изолированных стальных проводов и высоких опор, расстояние между опорами может быть увеличено, и стоимость линии передачи, таким образом, уменьшенной. Современные установки, с прямонаправленными линиями высокого напряжения, могут быть построены только с шестью опорами на километр. В некоторых местах линия высокого напряжения отделена от высоких деревянных опор, расположенных более близко.

   Для линий распределения более низких напряжения деревянные опоры используются чаще, чем стальные опоры. В городах и других областях, где открытые линии создают опасность или считаются неуместными, используются изолированные подземные кабели, для распределения. У некоторых из этих кабелей есть внутри свободное пространство, через которое циркулирует масло под воздействием низкого давления. Масло обеспечивает временную защиту от повреждения водой,  вложенные кабельные провода закрыты от утечки тока. Кабельные линии, наподобие труб, в которых три фазы расположены в пределах изоляции, заполненной маслом под высоким давлением (14 кг в кв. см/200 psi) часто используются. Эти кабели используются для передачи тока напряжением до 345 000 V (или 345 кВ).

Дополнительное  Оборудование

   Любая система распределения электроэнергии включает в себя большое количество дополнительного оборудования, чтобы защитить генераторы, трансформаторы, и непосредственно линии передачи. Система часто включает устройства, разработанные, чтобы регулировать напряжение или другие свойства мощности, передаваемой потребителям.

  Чтобы защитить все элементы системы электроснабжения от коротких замыканий и перегрузок, и для нормальных режимов переключения,  используются разъединители. Разъединители - большие выключатели, которые активизируются автоматически в случае короткого замыкания или других случаях, которые вызывают внезапное повышение тока. Поскольку ток проходит через контакты выключателя мгновенно, когда ток прерывается, некоторые большие разъединители (которые используют в защите генератора или секции первичной линии передачи) погружены в жидкость, которая является слабым проводником электричества, такую как масло, подавляя ток (см. диэлектрик). В больших выключателях воздушного типа, так же как в масляных выключателях, используются магнитные поля, чтобы разъединить контакты. Маленькие воздушные выключатели используются для защиты в магазинах, фабриках, и в современных домашних устройствах. В местном электроснабжении плавкие предохранители иногда используют для тех же цели. Плавкий предохранитель состоит из элемента, сплава, с низкой температурой плавления, встроенного в цепь, который плавится, разрывая цепь, если ток превышает определенное значение. Большинство жилых домов теперь используют воздухонаполненные выключатели.

Перебои электроснабжения

Почти во всем мире мира местные или национальные электрические сети соединяются в системы сетей. Связанные сети позволяют электричеству, произведенному в одном месте быть распределенным в другое. Вся мощность , из которой можно извлечь пользу, увеличивая пропускную способность, это возможность использования больших, более эффективных генераторов, способных восполнить местные дефициты электроэнергии, получая энергию из системы сетей.

Эти сети - большие, сложные системы, которые содержат элементы, которыми управляют разные группы людей. Эти системы дают возможность экономических сбережений и в целом улучшают надежность, но при их эксплуатации создаётся риск широкого вывода из строя системы в целом. Например, самая большая поломка системы сетей произошла 9 ноября 1965, в восточной части Северной Америки, когда устройство автоматического управления, которое регулирует и направляет протекающий ток, подведенный в Онтарио, оставил выключатель разомкнутым. Отраженная волна тока была передана через северо-восточную часть Соединенных Штатов. Выключатели безопасности генератора в Рочестер, Нью-Йорке, Бостоне , Массачусетс, были автоматически отключены, отсоединяя генераторы от системы, чтобы защитить их от повреждения. Мощность, произведенная южными станциями, помчалась, чтобы заполнить  пробел и перегрузила эти станции, которые автоматически отключали себя. Отсутствие электроэнергии окутывало область больше чем 200 000 кв. км (80 000 кв. ми), включая города Бостон; Буффало, Нью-Йорк, Рочестер.

Подобные отказы сети, правда в меньшем масштабе, беспокоили системы в Северной Америке и в других районах. 13 июля 1977, приблизительно 9 миллионов человек в области Нью-Йорка были еще раз обезточены, когда главные линии электропередачи перешли в аварийное состояние. В некоторых областях с момента отключения электричества до восстановления электроснабжения прошло 25 часов, высокое напряжение сожгло оборудование. Эти аварии вызваны отсутствием напряжения.

Самый опасный  скачок напряжения в истории Соединенных Штатов и Канады произошёл 14 августа 2003, когда 61 800 мегаватт электроэнергии был потеряны в области, покрывающей 50 миллионов человек. (Один мегаватт электричества – это то количество энергии, которое должно питать 750 жилых домов). Отсутствие напряжения затрагивало такие города как Кливленд, Детройт, Нью-Йорк, Оттава, и Торонто. 1/8 штата  Коннектикута:  Массачусетс, Мичиган, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Огайо, Пенсильвания, Вермонта - и канадские провинции Онтарио и Квикбек были так же затронуты. Скачок  напряжения вызвал потребность заменить стареющее оборудование и поднял вопросы о надежности национальной сети.

Термин снижение напряжения часто используется для частичных перебоев в электроснабжении, обычно считают, что это в целях экономии электроэнергии или в качестве меры военной безопасности. С ноября 2000 до мая 2001 Калифорния испытала ряд запланированных частичных снижений уровня  напряжения к некоторым группам потребителей, небольшой продолжительности, чтобы уменьшить полную загрузку системы и избежать отключения из-за предполагаемого электрического дефицита. Однако, исследование Калифорнийской комиссии коммунального обслуживания в предполагаемом дефиците позже показало, что пять энергетических компаний отказывали в электроснабжении, которое они, возможно, произвели. В 2002 комиссия заключила, что отказ в электроснабжении поспособствовал “недобросовестному, несправедливому, и неблагоразумному ценовому скачку на электричество.” В результате Калифорнийские государственные службы заплатили на 20 миллиардов $ больше за энергию в 2000 чем в 1999 отметил глава комиссии.

Комиссия также процитировала  роль Корпорации Enron в Калифорнийских частичных провалах напряжения. В июне 2003 Федеральная энергетическая комиссия (FERC) запретила Enron продавать электричество и природный газ в Соединенных Штатах после проведения исследования области электроснабжения, оказалось, что Enron управляла ценами на электричество во время энергетического кризиса Калифорнии. В том же самом месяце Федеральный бюро расследований арестовал руководителя Enron по обвинению в управлении ценами на электроэнергию в Калифорнии. Двух других сотрудника Enron задержали, потому что они, признали себя виновными в подобных обвинениях. См. также Скандал Enron.

Несмотря на по широко распространенные проблемы, кольцевые сети обеспечивают необходимые резервные и дополнительные пути для потоков энергии, приводящей к намного более высокой надежности в целом, чем возможно с радиальными системами. Национальные или региональные сети могут также подвергнуться неожиданным отключениями электричества, вызванными штормами, землетрясениями, оползнями, и лесными пожарами, или из-за человеческой ошибки или преднамеренных актов саботажа.

Качество электроэнергии

В последние  годы электричество использовалось, чтобы запустить более сложные технические, производственные процессы, такие, как компьютеры и компьютерные сети, и множество других высокотехнологичных товаров народного потребления. Эти продукты и процессы чувствительны не только к непрерывности в электроснабжении но также и к постоянству электрической частоты и напряжения. Следовательно, предприятия коммунального обслуживания принимают новые меры, чтобы обеспечить необходимую надежность и качество электроэнергии, такие, как применение дополнительно электрического оборудования, чтобы быть уверенными, что напряжение и другие свойства электроэнергии не будут изменяться.

Регулирование напряжения

В длинных линиях электропередач есть значительная индуктивность и емкость. Когда ток течет через линию, индуктивность и емкость могут изменять напряжение в линии, поскольку поток изменяется. Таким образом напряжение меняется в зависимости от нагрузки. Несколько видов устройств используются, чтобы избавиться от этого нежелательного изменения в эксплуатации, названным регулированием напряжения. В устройства включают регуляторы индукции, синхронные двигатели с тремя фазами (названные синхронными компенсаторами), оба способа изменяют значение индуктивности и емкости в цепи передачи тока.

Индуктивность и емкость  влияют друг на друга с тенденцией аннулировать друг друга. Когда цепь нагрузки имеет более индуктивный чем емкостный характер, что почти неизменно происходит в больших системах электроснабжения, количество мощности для данного напряжения и тока, меньше чем когда эти две характеристики равны. Отношение этих двух характеристик мощности называют коэффициентом мощности. Поскольку потери линии электропередачи пропорциональны току, емкость включается в цепь не всегда, таким образом пытаясь обеспечить коэффициент мощности  равный 1.Большие конденсаторы часто используются, как часть систем передачи электроэнергии.