Elsystem - Electric power system

En ångturbin som används för att ge el

Ett elsystem är ett nätverk av elektriska komponenter som används för att leverera, överföra och använda elektrisk kraft. Ett exempel på ett kraftsystem är elnätet som ger ström till hem och industrier inom ett utökat område. Elnätet kan i stort delas in i de generatorer som levererar kraften, överföringssystemet som transporterar kraften från produktionscentren till lastcentralerna och distributionssystemet som matar strömmen till närliggande hem och industrier.

Mindre kraftsystem finns också i industri, sjukhus, kommersiella byggnader och hem. Ett enda raddiagram hjälper till att representera hela systemet. Majoriteten av dessa system förlitar sig på trefas växelström- standarden för storskalig kraftöverföring och distribution över den moderna världen. Specialiserade kraftsystem som inte alltid förlitar sig på trefas växelström finns i flygplan, elektriska järnvägssystem, havsfartyg, ubåtar och bilar.

Historia

En skiss av Pearl Street Station

År 1881 byggde två elektriker världens första kraftsystem vid Godalming i England. Den drevs av två vattenhjul och producerade en växelström som i sin tur levererade sju Siemens båglampor med 250 volt och 34 glödlampor vid 40 volt. Tillförseln till lamporna var emellertid intermittent och 1882 utvecklade Thomas Edison och hans företag, The Edison Electric Light Company, det första ångdrivna elkraftverket på Pearl Street i New York City. Den Pearl Street Station startats runt 3000 lampor för 59 kunder. Kraftverket genererade likström och drivs med en enda spänning. Likströmseffekt kunde inte enkelt eller effektivt omvandlas till de högre spänningar som är nödvändiga för att minimera strömförlusten vid långdistansöverföring, så det maximala ekonomiska avståndet mellan generatorerna och belastningen var begränsat till cirka 800 m.

Samma år i London demonstrerade Lucien Gaulard och John Dixon Gibbs den "sekundära generatorn" - den första transformatorn som är lämplig för användning i ett verkligt kraftsystem. Det praktiska värdet av Gaulard och Gibbs transformator demonstrerades 1884 i Turin där transformatorn användes för att lysa upp fyrtio kilometer järnväg från en enda växelströmsgenerator . Trots systemets framgångar gjorde paret några grundläggande misstag. Det kanske allvarligaste var att ansluta primärerna till transformatorerna i serie så att aktiva lampor skulle påverka ljusstyrkan hos andra lampor längre ner på linjen.

År 1885 fullbordade Ottó Titusz Bláthy i samarbete med Károly Zipernowsky och Miksa Déri den sekundära generatorn för Gaulard och Gibbs, vilket gav den en sluten järnkärna och dess nuvarande namn: " transformatorn ". De tre ingenjörerna fortsatte med att presentera ett kraftsystem på National General Exhibition i Budapest som implementerade det parallella AC-distributionssystemet som föreslogs av en brittisk forskare där flera krafttransformatorer har sina primära lindningar matade parallellt från en högspänningsdistributionsledning. Systemet tändde mer än 1000 kolfilamentlampor och fungerade framgångsrikt från maj till november samma år.

År 1885 erhöll en amerikansk entreprenör George Westinghouse patenträttigheterna till Gaulard-Gibbs-transformatorn och importerade ett antal av dem tillsammans med en Siemens- generator och satte sina ingenjörer att experimentera med dem i hopp om att förbättra dem för användning i en kommersiell kraftsystem. År 1886 erkände en av Westinghouse ingenjörer, William Stanley , oberoende problemet med att ansluta transformatorer i serie i motsats till parallell och insåg också att att göra järnkärnan i en transformator till en helt sluten slinga skulle förbättra spänningsregleringen av sekundärlindningen. Med hjälp av denna kunskap byggde han ett flerspänningstransformatorbaserat växelströmssystem som betjänar flera hem och företag i Great Barrington, Massachusetts 1886. Systemet var dock opålitligt (främst på grund av generationsproblem) och kortvarigt. Men baserat på det systemet skulle Westinghouse börja installera AC -transformatorsystem i konkurrens med Edison -företaget senare samma år. År 1888 licensierade Westinghouse Nikola Teslas patent för en polyfas AC -induktionsmotor och transformatordesign. Tesla konsulterade i ett år hos Westinghouse Electric & Manufacturing Company, men det tog ytterligare fyra år för Westinghouse ingenjörer att utveckla en fungerande polyfasmotor och överföringssystem.

År 1889 blomstrade elkraftsindustrin och kraftföretag hade byggt tusentals kraftsystem (både likström och växelström) i USA och Europa. Dessa nätverk var effektivt dedikerade till att tillhandahålla elektrisk belysning. Under denna tid hade rivaliteten mellan Thomas Edison och George Westinghouses företag vuxit till en propagandakampanj över vilken överföringsform (likström eller växelström) som var överlägsen, en serie händelser som kallades " strömmarnas krig ". År 1891 installerade Westinghouse det första stora kraftsystemet som var konstruerat för att driva en 100 hk (75 kW) synkron elmotor, inte bara ge elektrisk belysning, i Telluride, Colorado . På andra sidan Atlanten byggde Mikhail Dolivo-Dobrovolsky och Charles Eugene Lancelot Brown den första långväga (175 km) högspänningen (15 kV, sedan rekord) trefasöverföringsledning från Lauffen am Neckar till Frankfurt am Main för elektroteknikutställningen i Frankfurt, där man använde ström för att tända lampor och driva en vattenpump. I USA tog AC/DC-tävlingen slut när Edison General Electric togs över av deras främsta AC-rival, Thomson-Houston Electric Company , som bildade General Electric . År 1895, efter en utdragen beslutsprocess, valdes växelström som överföringsstandard med Westinghouse som byggde generationsstationen Adams nr 1 vid Niagara Falls och General Electric byggde trefas växelströmssystem för att förse Buffalo med 11 kV .

Utvecklingen inom kraftsystem fortsatte bortom artonhundratalet. År 1936 byggdes den första experimentella ledningen för högspännings likström (HVDC) med kvicksilverbågsventiler mellan Schenectady och Mechanicville, New York . HVDC hade tidigare uppnåtts med seriekopplade likströmsgeneratorer och motorer ( Thury-systemet ) även om detta led av allvarliga tillförlitlighetsproblem. Den första solid-state-metaldioden lämplig för allmänt energianvändning utvecklades av Ernst Presser vid TeKaDe 1928. Den bestod av ett lager selen applicerat på en aluminiumplatta. År 1957 utvecklade en forskningsgrupp från General Electric den första tyristorn som är lämplig för användning i kraftapplikationer och startade en revolution inom kraftelektronik. Samma år demonstrerade Siemens en solid-state-likriktare, men det var inte förrän i början av 1970-talet som solid-state-enheter blev standarden i HVDC, när GE framstod som en av de främsta leverantörerna av tyristorbaserade HVDC. År 1979 realiserade ett europeiskt konsortium inklusive Siemens, Brown Boveri & Cie och AEG rekordet HVDC -länk från Cabora Bassa till Johannesburg , som sträckte sig mer än 1 420 km som bar 1,9 GW vid 533 kV.

På senare tid har många viktiga utvecklingar kommit från att utvidga innovationer inom informations- och kommunikationsteknologi (IKT) till kraftteknikområdet. Till exempel innebar utvecklingen av datorer att lastflödesstudier kunde köras mer effektivt och möjliggjorde mycket bättre planering av kraftsystem. Framsteg inom informationsteknik och telekommunikation möjliggjorde också effektiv fjärrstyrning av ett kraftsystems ställverk och generatorer.

Grunderna i elkraft

Animering av trefas växelström

El är en produkt av två mängder: ström och spänning . Dessa två mängder kan variera med avseende på tid ( växelström ) eller kan hållas på konstanta nivåer ( likström ).

De flesta kylskåp, luftkonditioneringar, pumpar och industrimaskiner använder växelström medan de flesta datorer och digital utrustning använder likström (digitala enheter som är anslutna till elnätet har vanligtvis en intern eller extern nätadapter för att konvertera från växelström till likström). Växelström har fördelen att den är lätt att omvandla mellan spänningar och kan genereras och användas av borstlösa maskiner. Likström är fortfarande det enda praktiska valet i digitala system och kan vara mer ekonomiskt att överföra över långa avstånd vid mycket höga spänningar (se HVDC ).

Möjligheten att enkelt transformera växelströmsspänningen är viktig av två skäl: För det första kan ström överföras över långa avstånd med mindre förlust vid högre spänningar. Så i kraftsystem där generationen är avlägsen belastningen är det önskvärt att öka (öka) spänningen i kraften vid produktionspunkten och sedan trappa ner (minska) spänningen nära lasten. För det andra är det ofta mer ekonomiskt att installera turbiner som producerar högre spänningar än vad som skulle användas av de flesta apparater, så möjligheten att enkelt transformera spänningar innebär att denna felmatchning mellan spänningar enkelt kan hanteras.

Solid state -enheter , som är produkter från halvledarrevolutionen, gör det möjligt att omvandla likström till olika spänningar , bygga borstlösa likströmsmaskiner och konvertera mellan växelström och likström . Ändå är enheter som använder solid state -teknik ofta dyrare än deras traditionella motsvarigheter, så växelström är fortfarande i utbredd användning.

Komponenter i kraftsystem

Tillbehör

Majoriteten av världens kraft kommer fortfarande från kolkraftverk som detta

Alla kraftsystem har en eller flera strömkällor. För vissa kraftsystem är energikällan extern för systemet, men för andra är den en del av själva systemet - det är dessa interna strömkällor som diskuteras i resten av detta avsnitt. Likström kan levereras av batterier , bränsleceller eller solceller . Växelströmseffekt levereras vanligtvis av en rotor som snurrar i ett magnetfält i en anordning som kallas en turbogenerator . Det har funnits ett brett spektrum av tekniker som används för att snurra en turbins rotor, från ånga som värms med fossilt bränsle (inklusive kol, gas och olja) eller kärnkraft till fallande vatten ( vattenkraft ) och vind ( vindkraft ).

Hastigheten med vilken rotorn snurrar i kombination med antalet generatorpoler bestämmer frekvensen för växelströmmen som genereras av generatorn. Alla generatorer på ett enda synkront system, till exempel det nationella nätet , roterar med submultiplar av samma hastighet och genererar sålunda elektrisk ström med samma frekvens. Om belastningen på systemet ökar kommer generatorerna att behöva mer vridmoment för att snurra med den hastigheten och i en ångkraftstation måste mer ånga tillföras turbinerna som driver dem. Således hänför sig ångan som används och det förbrukade bränslet direkt till mängden elektrisk energi som levereras. Ett undantag finns för generatorer som innehåller kraftelektronik, t.ex. växellösa vindkraftverk eller kopplade till ett nät via en asynkron koppling, till exempel en HVDC -länk - dessa kan fungera vid frekvenser oberoende av kraftsystemets frekvens.

Beroende på hur polerna matas kan växelströmsgeneratorer producera ett variabelt antal effektfaser. Ett högre antal faser leder till effektivare drift av kraftsystemet men ökar också systemets infrastrukturbehov. Elnätsystem ansluter flera generatorer som arbetar med samma frekvens: den vanligaste är trefas vid 50 eller 60 Hz.

Det finns en rad designhänsyn för strömförsörjningar. Dessa sträcker sig från det uppenbara: Hur mycket kraft ska generatorn kunna leverera? Hur lång tid tar det att starta generatorn (vissa generatorer kan ta timmar att starta)? Är tillgängligheten för strömkällan acceptabel (vissa förnybara energikällor är endast tillgängliga när solen skiner eller vinden blåser)? Till det mer tekniska: Hur ska generatorn starta (vissa turbiner fungerar som en motor för att komma upp i fart i vilket fall de behöver en lämplig startkrets)? Vad är den mekaniska hastigheten för turbinen och följaktligen vad är antalet poler som krävs? Vilken typ av generator är lämplig ( synkron eller asynkron ) och vilken typ av rotor (ekorrrotor, sårrotor, framträdande polrotor eller cylindrisk rotor)?

Massor

En brödrost är ett bra exempel på enfasbelastning som kan förekomma i en bostad. Brödrostar drar vanligtvis 2 till 10 ampere vid 110 till 260 volt som förbrukar cirka 600 till 1200 watt.

Kraftsystem levererar energi till laster som utför en funktion. Dessa laster sträcker sig från hushållsapparater till industrimaskiner. De flesta belastningar förväntar sig en viss spänning och, för växelströmsenheter, en viss frekvens och antal faser. Apparaterna som finns i bostadsmiljöer, till exempel, kommer vanligtvis att vara enfasiga vid 50 eller 60 Hz med en spänning mellan 110 och 260 volt (beroende på nationella standarder). Ett undantag finns för större centraliserade luftkonditioneringssystem, eftersom det i vissa länder nu vanligtvis är trefas eftersom det gör att de kan fungera mer effektivt. Alla elektriska apparater har också en watt -effekt, vilket anger mängden ström som enheten förbrukar. Vid varje tillfälle måste nettomängden effekt som förbrukas av belastningarna på ett kraftsystem motsvara nettomängden effekt som produceras av tillförseln minus den effekt som går förlorad i transmissionen.

Att se till att spänningen, frekvensen och mängden effekt som levereras till lasterna överensstämmer med förväntningarna är en av de stora utmaningarna för kraftsystemsteknik. Men det är inte den enda utmaningen, förutom den effekt som används av en last för att utföra användbart arbete (kallad verklig effekt ) använder många växelströmsenheter också en extra mängd ström eftersom de gör att växelspänningen och växelströmmen blir något av -of-sync (kallas reaktiv effekt ). Den reaktiva effekten liksom den verkliga effekten måste balansera (det vill säga den reaktiva effekten som produceras på ett system måste motsvara den reaktiva effekten som förbrukas) och kan levereras från generatorerna, men det är ofta mer ekonomiskt att leverera sådan effekt från kondensatorer (se "Kondensatorer och reaktorer "nedan för mer information).

Ett sista övervägande med belastningar har att göra med effektkvalitet. Förutom ihållande överspänningar och underspänningar (spänningsregleringsproblem) samt ihållande avvikelser från systemfrekvensen (frekvensregleringsfrågor) kan kraftsystembelastningar påverkas negativt av en rad tidsfrågor. Dessa inkluderar spänningsfall, dips och svällningar, övergående överspänningar, flimmer, högfrekvent brus, fasobalans och dålig effektfaktor. Strömkvalitetsproblem uppstår när strömförsörjningen till en last avviker från idealet. Strömkvalitetsfrågor kan vara särskilt viktiga när det gäller specialiserade industrimaskiner eller sjukhusutrustning.

Ledare

Delvis isolerade medelspänningsledare i Kalifornien

Ledare bär kraft från generatorerna till lasten. I ett nät kan ledare klassificeras som tillhörande överföringssystemet , som bär stora mängder kraft vid höga spänningar (vanligtvis mer än 69 kV) från generationscentra till lastcentra eller distributionssystemet , som matar mindre mängder effekt vid lägre spänningar (vanligtvis mindre än 69 kV) från lastcentralerna till närliggande hem och industri.

Valet av ledare baseras på överväganden som kostnad, överföringsförluster och andra önskvärda egenskaper hos metallen som draghållfasthet. Koppar , med lägre resistivitet än aluminium , var en gång ledaren för de flesta kraftsystem. Aluminium har emellertid en lägre kostnad för samma strömförmåga och är nu ofta ledaren för val. Luftledare kan förstärkas med stål- eller aluminiumlegeringar.

Ledare i externa kraftsystem kan placeras ovanför eller under jord. Luftledare är vanligtvis luftisolerade och stöds på porslin, glas eller polymerisolatorer. Kablar som används för underjordisk överföring eller byggnadsledning är isolerade med tvärbunden polyeten eller annan flexibel isolering. Ledare är ofta strängade för att göra dem mer flexibla och därför enklare att installera.

Ledare är vanligtvis klassade för den maximala ström som de kan bära vid en given temperaturökning över omgivande förhållanden. När strömflödet ökar genom en ledare värms det upp. För isolerade ledare bestäms värdet av isoleringen. För nakna ledare bestäms klassificeringen av den punkt vid vilken ledarnas sänkning skulle bli oacceptabel.

Kondensatorer och reaktorer

En synkron kondensorinstallation vid Templestowe -stationen, Melbourne, Victoria

Majoriteten av belastningen i ett typiskt växelströmssystem är induktivt; strömmen ligger efter spänningen. Eftersom spänningen och strömmen är ur fas leder detta till att en "imaginär" form av effekt kallas reaktiv effekt . Reaktiv effekt gör inget mätbart arbete utan överförs fram och tillbaka mellan den reaktiva kraftkällan och belastningen varje cykel. Denna reaktiva effekt kan tillhandahållas av generatorerna själva men det är ofta billigare att tillhandahålla den via kondensatorer, därför placeras kondensatorer ofta nära induktiva laster (dvs. om de inte finns på plats vid närmaste transformatorstation) för att minska strömbehovet på kraftsystemet ( dvs öka effektfaktorn ).

Reaktorer förbrukar reaktiv effekt och används för att reglera spänning på långa överföringsledningar. Under förhållanden med låg belastning, där belastningen på transmissionsledningar ligger långt under belastningsimpedansbelastningen , kan kraftsystemets effektivitet faktiskt förbättras genom att reaktorer kopplas in. Reaktorer installerade i serie i ett kraftsystem begränsar också rusningar i strömflödet, små reaktorer installeras därför nästan alltid i serie med kondensatorer för att begränsa den aktuella rusningen i samband med att en kondensator kopplas in. Seriereaktorer kan också användas för att begränsa felströmmar.

Kondensatorer och reaktorer kopplas av strömbrytare, vilket resulterar i måttligt stora stegförändringar av reaktiv effekt. En lösning på detta kommer i form av synkrona kondensatorer , statiska VAR -kompensatorer och statiska synkronkompensatorer . I korthet är synkrona kondensatorer synkronmotorer som snurrar fritt för att generera eller absorbera reaktiv effekt. Statiska VAR-kompensatorer fungerar genom att koppla in kondensatorer med tyristorer i motsats till effektbrytare som gör att kondensatorer kan kopplas in och ut ur en enda cykel. Detta ger ett mycket mer förfinat svar än kondensatorer med strömbrytare. Statiska synkronkompensatorer tar detta ett steg längre genom att uppnå reaktiva effektjusteringar med endast effektelektronik .

Kraftelektronik

Denna externa hushålls AC till DC nätadapter använder strömelektronik

Effektelektronik är halvledarbaserade enheter som kan växla mängder effekt från några hundra watt till flera hundra megawatt. Trots sin relativt enkla funktion innebär deras hastighet (vanligtvis i storleksordningen nanosekunder) att de kan ett brett spektrum av uppgifter som skulle vara svåra eller omöjliga med konventionell teknik. Den klassiska funktionen hos kraftelektronik är rättelse , eller konvertering av växelström till likström, kraftelektronik finns därför i nästan varje digital enhet som levereras från en växelströmskälla antingen som en adapter som ansluts till väggen (se bild) eller som komponent internt i enheten. Högeffektselektronik kan också användas för att konvertera växelström till likström för långdistansöverföring i ett system som kallas HVDC . HVDC används eftersom det visar sig vara mer ekonomiskt än liknande högspännings AC -system för mycket långa avstånd (hundratals till tusentals kilometer). HVDC är också önskvärt för sammankopplingar eftersom det tillåter frekvensoberoende och därmed förbättrar systemstabiliteten. Kraftelektronik är också avgörande för alla strömkällor som krävs för att producera en växelström men som till sin natur ger en likström. De används därför av solcellsanläggningar.

Kraftelektronik finns också i ett brett spektrum av mer exotiska användningsområden. De är kärnan i alla moderna el- och hybridfordon - där de används för både motorstyrning och som en del av den borstlösa likströmsmotorn . Kraftelektronik finns också i praktiskt taget alla moderna bensindrivna fordon, detta beror på att strömmen från bilens batterier ensam är otillräcklig för att ge tändning, luftkonditionering, intern belysning, radio och instrumentbrädor för bilens livslängd. Så batterierna måste laddas under körning - en prestation som vanligtvis uppnås med kraftelektronik. Medan konventionell teknik skulle vara olämplig för en modern elbil, kommutatorer kan och har använts i bensindrivna bilar, har övergången till generatorer i kombination med kraftelektronik skett på grund av den förbättrade hållbarheten hos borstlösa maskiner.

Vissa elektriska järnvägssystem använder också likström och använder därmed kraftelektronik för att mata nätström till loken och ofta för hastighetskontroll av lokets motor. I mitten av 1900 -talet var likriktarlok populära, dessa använde kraftelektronik för att konvertera växelström från järnvägsnätet för användning av en likströmsmotor. Idag levereras de flesta ellok med växelström och drivs med växelströmsmotorer, men använder fortfarande kraftelektronik för att ge lämplig motorstyrning. Användningen av kraftelektronik för att hjälpa till med motorstyrningen och med startkretsar, utöver rättelse, är ansvarig för att kraftelektronik förekommer i ett brett spektrum av industrimaskiner. Kraftelektronik visas även i moderna bostadsklimatapparater som är kärnan i vindturbinen med variabel hastighet .

Skyddsanordningar

Ett multifunktions digitalt skyddsrelä som vanligtvis installeras vid en transformatorstation för att skydda en distributionsmatare

Strömsystemen innehåller skyddsanordningar för att förhindra personskador eller skador vid fel. Den typiska skyddsanordningen är säkringen. När strömmen genom en säkring överstiger ett visst tröskelvärde smälter säkringselementet och ger en båge över det resulterande gapet som sedan släcks och avbryter kretsen. Med tanke på att säkringar kan byggas som ett systems svaga punkt, är säkringar idealiska för att skydda kretsar från skador. Säkringar har dock två problem: För det första, efter att de har fungerat, måste säkringar bytas eftersom de inte kan återställas. Detta kan vara obekvämt om säkringen är på en avlägsen plats eller om en reservsäkring inte finns till hands. Och för det andra är säkringar vanligtvis otillräckliga som den enda säkerhetsanordningen i de flesta kraftsystem eftersom de tillåter strömflöden långt över det som skulle kunna vara dödligt för en människa eller ett djur.

Det första problemet löses med hjälp av strömbrytare - enheter som kan återställas efter att de har brutit strömflödet. I moderna system som använder mindre än cirka 10 kW används vanligtvis miniatyrbrytare. Dessa enheter kombinerar mekanismen som initierar resan (genom att känna av överflödig ström) samt mekanismen som bryter strömflödet i en enda enhet. Vissa miniatyrbrytare fungerar enbart på grundval av elektromagnetism. I dessa miniatyrbrytare körs strömmen genom en solenoid, och vid överflödigt strömflöde är magnetventilens magnetdrag tillräckligt för att tvinga öppna brytarens kontakter (ofta indirekt genom en utlösningsmekanism). En bättre design uppstår emellertid genom att sätta in en bimetallremsa före solenoiden - det betyder att istället för att alltid producera en magnetisk kraft producerar solenoiden bara en magnetisk kraft när strömmen är tillräckligt stark för att deformera den bimetalliska remsan och slutföra solenoidens krets .

I applikationer med högre effekt är skyddsreläerna som upptäcker ett fel och initierar en resa separerade från effektbrytaren. Tidiga reläer som är baserade på elektromagnetiska principer som liknar de som nämns i föregående stycke, moderna reläer är applikationsspecifika datorer som avgör om de ska utlösas baserat på avläsningar från kraftsystemet. Olika reläer initierar resor beroende på olika skyddssystem . Till exempel kan ett överströmsrelä initiera en tripp om strömmen i någon fas överskrider ett visst tröskelvärde medan en uppsättning differentialreläer kan initiera en tripp om summan av strömmar mellan dem indikerar att det kan finnas ström läckande till jorden. Strömbrytarna i applikationer med högre effekt är också olika. Luft är vanligtvis inte längre tillräckligt för att släcka bågen som bildas när kontakterna tvingas öppna så att en mängd olika tekniker används. En av de mest populära teknikerna är att hålla kammaren som omsluter kontakterna översvämmade med svavelhexafluorid (SF 6 )-en giftfri gas med ljudbågsläckande egenskaper. Andra tekniker diskuteras i referensen.

Det andra problemet, otillräckliga säkringar för att fungera som den enda säkerhetsanordningen i de flesta kraftsystem, löses förmodligen bäst med användning av jordfelsbrytare. I alla korrekt fungerande elektriska apparater bör strömmen som flödar in i apparaten på den aktiva ledningen motsvara strömmen som flödar ut ur apparaten på nollinjen. En jordfelsbrytare fungerar genom att övervaka de aktiva och neutrala linjerna och utlösa den aktiva linjen om den märker skillnad. Jordfelsbrytare kräver en separat neutrallinje för varje fas och för att kunna lösa ut inom en tidsram innan skada uppstår. Detta är vanligtvis inte ett problem i de flesta bostadstillämpningar där standardkablar ger en aktiv och neutral linje för varje apparat (det är därför dina strömkontakter alltid har minst två tångar) och spänningarna är relativt låga men dessa frågor begränsar effektiviteten hos jordfelsbrytare i andra applikationer som industri. Även med installation av en jordfelsbrytare kan exponering för elektricitet fortfarande vara dödlig.

SCADA -system

I stora elkraftsystem används övervakningskontroll och datainsamling (SCADA) för uppgifter som att slå på generatorer, styra generatorutmatning och koppla in eller ut systemelement för underhåll. De första övervakningssystemen som implementerades bestod av en panel med lampor och strömbrytare vid en central konsol nära den kontrollerade anläggningen. Lamporna gav feedback på anläggningens tillstånd (datainsamlingsfunktionen) och omkopplarna möjliggjorde justeringar av anläggningen (övervakningsfunktionen). Idag är SCADA -system mycket mer sofistikerade och på grund av framsteg inom kommunikationssystem behöver konsolerna som styr anläggningen inte längre vara i närheten av själva fabriken. Istället är det nu vanligt att anläggningar styrs med utrustning som liknar (om inte identisk) en stationär dator. Möjligheten att styra sådana anläggningar via datorer har ökat behovet av säkerhet-det har redan rapporterats om cyberattacker på sådana system som orsakar betydande störningar i kraftsystemen.

Kraftsystem i praktiken

Trots sina gemensamma komponenter varierar kraftsystemen kraftigt både vad gäller design och hur de fungerar. Detta avsnitt introducerar några vanliga typer av kraftsystem och förklarar kortfattat deras funktion.

Bostadskraftsystem

Bostadshus tar nästan alltid mat från lågspänningsfördelningsledningarna eller kablarna som går förbi bostaden. Dessa fungerar vid spänningar mellan 110 och 260 volt (fas-till-jord) beroende på nationella standarder. För några decennier sedan skulle små bostäder matas en enfas med en dedikerad tvåkärnig servicekabel (en kärna för den aktiva fasen och en kärna för den neutrala returen). Den aktiva ledningen skulle sedan drivas genom en huvudisoleringsbrytare i säkringsboxen och sedan delas upp i en eller flera kretsar för att mata belysning och apparater inuti huset. Enligt konvention hålls belysningen och apparatkretsarna åtskilda så att apparatens fel inte lämnar bostadens boende i mörkret. Alla kretsar skulle smälta med en lämplig säkring baserad på trådstorleken som används för den kretsen. Kretsar skulle ha både en aktiv och neutral tråd med både belysning och eluttag parallellt anslutna. Uttag skulle också förses med en skyddande jord. Detta skulle göras tillgängligt för apparater för att ansluta till alla metallhöljen. Om detta hölje skulle bli strömförande, är teorin att anslutningen till jorden skulle orsaka en jordfelsbrytare eller en säkring att utlösa - vilket förhindrar framtida elstötning av en passagerare som hanterar apparaten. Jordningssystem varierar mellan regioner, men i länder som Storbritannien och Australien skulle både den skyddande jorden och den neutrala ledningen jordas tillsammans nära säkringslådan innan huvudisoleringsomkopplaren och den neutrala jordas igen vid distributionstransformatorn.

Det har skett ett antal mindre förändringar under åren när det gäller övning av bostadskablar. Några av de viktigaste sätten som moderna bostadskraftsystem i utvecklade länder tenderar att variera från äldre inkluderar:

  • För enkelhets skull används miniatyrbrytare nu nästan alltid i säkringsboxen istället för säkringar eftersom dessa enkelt kan återställas av passagerare och, om de är av termomagnetisk typ, kan reagera snabbare på vissa typer av fel.
  • Av säkerhetsskäl installeras nu jordfelsbrytare ofta på apparatkretsar och i allt högre grad även på belysningskretsar.
  • Medan bostadsklimatanläggningar från det förflutna kan ha matats från en särskild krets som är ansluten till en enda fas, blir större centraliserade luftkonditioneringsapparater som kräver trefasström nu vanliga i vissa länder.
  • Skyddsjordar drivs nu med belysningskretsar så att metalliska lamphållare kan jordas.
  • Allt fler bostadskraftsystem innehåller mikrogeneratorer , framför allt fotovoltaiska celler.

Kommersiella kraftsystem

Kommersiella kraftsystem som köpcentrum eller höghus är större i skala än bostadssystem. Elektriska konstruktioner för större kommersiella system studeras vanligtvis för lastflöde, kortslutningsfelnivåer och spänningsfall för laster i steady-state och vid start av stora motorer. Syftet med studierna är att säkerställa korrekt utrustning och ledarstorlek och att samordna skyddsanordningar så att minimala störningar orsakas när ett fel åtgärdas. Stora kommersiella installationer kommer att ha ett ordnat system med delpaneler, separerade från huvudfördelningskortet för att möjliggöra bättre systemskydd och effektivare elektrisk installation.

Vanligtvis är en av de största apparaterna som är anslutna till ett kommersiellt kraftsystem i varma klimat HVAC -enheten, och att säkerställa att den här enheten levereras på ett tillfredsställande sätt är en viktig övervägande i kommersiella kraftsystem. Föreskrifter för kommersiella anläggningar ställer andra krav på kommersiella system som inte placeras på bostadssystem. Till exempel i Australien måste kommersiella system uppfylla AS 2293, standarden för nödbelysning, som kräver att nödbelysning ska bibehållas i minst 90 minuter vid förlust av elnätet. I USA kräver National Electrical Code att kommersiella system ska byggas med minst ett 20 A -skyltuttag för att tända utomhusskyltar. Byggregler kan ställa särskilda krav på elsystemet för nödbelysning, evakuering, nödström, rökkontroll och brandskydd.

Hantering av kraftsystem

Strömsystemhantering varierar beroende på kraftsystem. Bostadskraftsystem och till och med elektriska fordonssystem körs ofta till fel. Inom luftfarten använder kraftsystemet redundans för att säkerställa tillgänglighet. På Boeing 747-400 kan någon av de fyra motorerna ge ström och brytare kontrolleras som en del av uppstart (en utlöst strömbrytare som indikerar ett fel). Större kraftsystem kräver aktiv hantering. I industrianläggningar eller gruvplatser kan ett enda team vara ansvarigt för felhantering, förstoring och underhåll. När det gäller elnätet är ledningen uppdelad mellan flera specialiserade team.

Felhantering

Felhantering innefattar övervakning av energisystemets beteende för att identifiera och korrigera problem som påverkar systemets tillförlitlighet. Felhantering kan vara specifik och reaktiv: till exempel att skicka ett team till vilande ledare som har kommit ner under en storm. Eller alternativt kan fokusera på systemförbättringar: till exempel installation av återstängare på delar av systemet som ofta utsätts för tillfälliga störningar (som kan orsakas av vegetation, blixtnedslag eller vilda djur).

Underhåll och förstärkning

Förutom felhantering kan kraftsystem kräva underhåll eller förstärkning. Som ofta är det varken ekonomiskt eller praktiskt för stora delar av systemet att vara offline under detta arbete, kraftsystem är byggda med många switchar. Dessa omkopplare gör att den del av systemet som bearbetas kan isoleras medan resten av systemet förblir levande. Vid höga spänningar finns det två strömbrytare: isolatorer och strömbrytare . Strömbrytare är lastbrytare där driftsisolatorer under belastning skulle leda till oacceptabla och farliga ljusbågar . Vid ett typiskt planerat avbrott utlöses flera effektbrytare för att tillåta att isolatorerna växlas innan strömbrytarna igen stängs för att omdirigera ström runt det isolerade området. Detta gör att arbetet kan slutföras på det isolerade området.

Frekvens- och spänningshantering

Utöver felhantering och underhåll är en av de största svårigheterna i kraftsystem att den förbrukade aktiva effekten plus förluster måste vara lika med den producerade aktiva effekten. Om belastningen minskas medan generationsingångarna förblir konstanta kommer de synkrona generatorerna att snurra snabbare och systemfrekvensen stiger. Motsatsen sker om belastningen ökas. Som sådan måste systemfrekvensen hanteras aktivt främst genom att slå på och av avsändningsbara laster och generering . Att se till att frekvensen är konstant är vanligtvis en systemoperatörs uppgift . Även om frekvensen bibehålls kan systemoperatören hållas upptagen för att säkerställa:

  1. utrustning eller kunder på systemet får den nödvändiga spänningen
  2. reaktiv kraftöverföring minimeras (vilket leder till mer effektiv drift)
  3. team skickas och systemet byts för att minska eventuella fel
  4. fjärrbyte utförs för att möjliggöra systemarbete

Anteckningar

Se även

Referenser

externa länkar