Даже если вы читаете это на листе бумаги, который был доставлен вам из рук в сибирской глуши, где-то кто-то должен был использовать энергию для запуска принтера, а также должен был каким-то образом получить всю эту информацию от энергоемкая информационная супермагистраль. В то время как мы полагаемся на электросеть для удовлетворения многих наших повседневных энергетических потребностей, часто неясно, как именно энергия ядерных топливных стержней, ископаемого топлива, ветра и солнца превращается в электроны, которые каким-то образом попадают в вещи, которым они нужны. электроны. Мы немного рассказали об истории электрической сети и о том, как она появилась в первой части этой серии постов, но как именно энергия доставляется к нам по сети?
Поколение
Все начинается на электростанции. Будь то ветряк, дизельный генератор, реактивный двигатель или атомная электростанция, идея одна и та же: генератор должен вращаться. Его может дуть ветер, двигатель внутреннего сгорания может вращать его, или источник тепла может производить пар для вращения турбины, которая затем вращает его. (Одним заметным исключением является солнечная панель, которая вырабатывает постоянный ток, а затем использует инвертор для преобразования этой энергии в переменный ток для сети.) В любом случае, как только генератор вращается, энергия начинает вытекать в сеть.
Также есть несколько различных типов электростанций. Некоторые электростанции хорошо производят постоянное большое количество энергии все время, но не слишком хороши в изменении своей мощности для удовлетворения спроса. Атомные станции и турбины внутреннего сгорания с комбинированным циклом являются хорошими примерами таких станций с «базовой нагрузкой», которые производят энергию для постоянной нагрузки на сеть. Однако, поскольку мощность потребляется сразу после ее производства, важно не отставать от спроса, чтобы напряжение и частота сети оставались постоянными. В периоды повышенного спроса на электрическую сеть, например, в полдень летом, когда все кондиционеры начинают работать на полную мощность, пиковые электростанции подключаются к сети. Часто это однотактные турбины внутреннего сгорания, дизельные генераторы или гидроэлектростанции. Эти установки хорошо запускают и останавливают при необходимости, в отличие от крупных установок с базовой нагрузкой, которые не могут быть легко запущены или остановлены.
Есть и другие генерирующие станции, которые не попадают ни в одну из категорий, в первую очередь некоторые возобновляемые ресурсы. Часть проблемы с ветровой и солнечной энергией заключается в том, что их производство энергии не соответствует спросу на энергию. К сожалению, ветер не всегда дует, когда людям нужно включить кондиционеры или запустить производство. Именно по этой причине усовершенствованная технология аккумуляторов может стать огромным благом для возобновляемых источников энергии. Если бы можно было хранить солнечную и ветровую энергию, эти генерирующие мощности можно было бы использовать как настоящие пиковые электростанции и, возможно, в конечном итоге как станции с базовой нагрузкой.
Подстанция за пределами электростанции. Александр Ситенький (Alexander Seetenky) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) или GFDL (https://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], через Wikimedia Commons
Трансформеры
Откуда бы ни поступала энергия, электроэнергия от типичной электростанции будет иметь более низкое напряжение (обычно где-то около 10 кВ) для большого генератора по нескольким причинам. Во-первых, низкое напряжение безопаснее и с ним проще работать. Во-вторых, дешевле изолировать низковольтные цепи. Так как обмотки генератора, по сути, состоят из множества проводов, генератор будет дешевле, если его обмотки не нуждаются в большой изоляции. Однако для экономичной доставки энергии на большие расстояния по линиям электропередач напряжение должно быть намного выше, часто в диапазоне 100-500 кВ. Чтобы преодолеть разрыв между низковольтными генераторами и высоковольтными линиями электропередач, энергия передается через повышающий трансформатор на подстанции (или «распределительной станции») рядом с электростанцией. Подобно тому, как трансмиссия автомобиля использует шестерни для обмена скорости на крутящий момент, трансформатор обменивает напряжение на ток. Сильноточное низковольтное электричество от генератора «трансформируется» в слаботочное высоковольтное электричество, которое теперь можно отгружать с электростанции.
Высоковольтные провода, отходящие от подстанции электростанции, называются линиями электропередачи. Это самые большие линии электропередач, часто на огромных башнях или опорах, к которым не подключены потребители, поскольку почти все линии электропередачи соединяют подстанции с другими подстанциями. Линии электропередачи являются основой энергосистемы, и без них мы застряли бы в маленьких локальных сетях в стиле Эдисона с электростанцией на каждом блоке.
Линии передачи. Этот полюс поддерживает две цепи. Автор Liammolina (собственная работа) [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], через Wikimedia Commons
Как только энергия от линий электропередач попадает на подстанцию, расположенную ближе к конечному потребителю, напряжение может быть снижено до более низкого напряжения и передано в более локальную сеть с собственным набором линий электропередач. Эти линии электропередач называются распределительными, работают при напряжении около 10-20 кВ и обычно обслуживают жилые районы и предприятия электроэнергией (хотя некоторые крупные предприятия, такие как сталелитейные заводы, например, имеют собственную линию электропередачи, обслуживающую собственную небольшую подстанцию). местный). В общем, за пределами точки обслуживания будет установлен еще один понижающий трансформатор для снижения напряжения до стандартных 120/240 вольт.
Три этапа
Распределительные линии с трансформатором на столбе. Плитки из англоязычной Википедии, CC BY-SA 3.0, Все это может показаться большим усилием только для того, чтобы передать немного электричества, но часто связанные с этим большие расстояния делают это, по сути, единственным экономичным вариантом, поскольку потери мощности растут пропорционально квадрату силы тока. Это означает, что если ток в любом отдельном проводе можно уменьшить вдвое (путем удвоения напряжения через трансформатор), резистивные потери будут в четыре раза меньше.
Трехфазный сигнал. Обратите внимание, что когда одна фаза находится на пике, на двух других напряжение ниже нуля. Автор: ikaxer - собственная работа, CC BY-SA 3.0, Хотя это и не очевидно сразу, линии передачи всегда состоят из трех штук. Как правило, они также будут иметь меньший заземляющий провод для защиты от молнии. Каждый провод несет одну «фазу» электричества. Большая часть мира остановилась на трехфазной системе, потому что это самый эффективный способ получить как можно больше энергии с наименьшим количеством проводов. Это также создает меньшую нагрузку на генераторы и двигатели, чем двухфазная система. Каждая фаза находится под одним и тем же напряжением, но находится в разных точках своего вращения. Это означает, что в то время как одна фаза находится на пике, другая фаза отстает на одну треть периода, а другая на одну треть периода опережает. Хотя поначалу это довольно трудно понять, на практике это означает, что между любой из двух фаз имеется большее напряжение, чем между одной фазой и нейтралью или заземляющим проводом, и что это гораздо более эффективный способ при работе с большими двигателями, чем при использовании одной фазы.
В то время как трехфазное питание полезно для промышленности, небольшие двигатели, такие как те, которые используются в холодильниках, кондиционерах и потолочных вентиляторах, прекрасно работают от одной фазы питания. Другие нагрузки, такие как электроника, в любом случае преобразуют переменный ток в постоянный, поэтому они также хорошо работают только с одной фазой. Вот почему почти все бытовые пользователи в сети питаются от одной фазы питания. По крайней мере, в Соединенных Штатах фаза разделена пополам от трансформатора с центральным отводом, поэтому к обычному дому ведут два провода. Напряжение между ними составляет 240 вольт и 120 вольт от любого провода до центрального ответвления трансформатора. Провода часто неправильно называют «фазами», но лучше использовать термин «отводы» или «отводы», поскольку разделение фазы - это не то же самое, что наличие двух фаз, поскольку отводы или ответвления по-прежнему имеют одинаковый фазовый угол.
От электростанции до дома, на первый взгляд сеть довольно проста. Однако, когда он достигает размера целой страны, все не так просто. Энергия может течь интересными путями, и, как мы рассмотрим в следующей статье, иногда вся сеть может разрушиться.