Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

11.3. Передача электроэнергии переменным током

11.3. Передача электроэнергии переменным током

Значительный прогресс в технологии передачи электрической энергии на большие расстояния был достигнут в середине 80-х годов XIX века с началом использования переменного тока. Было установлено, что получение тока высокого напряжения непосредственно от динамо-машины переменного тока достигается значительно легче, чем от динамо-машины постоянного тока. Кроме того, необходимое высокое напряжение электропередачи можно получать не в самой динамо-машине, а посредством повышающего трансформатора, что значительно проще и эффективнее. При этом в конце электропередачи может быть установлен понижающий трансформатор для обратного понижения напряжения.

Первый опыт электропередачи переменным током был осуществлен Л.Голардом (1850– 1888) в 1884 г. в Турине. В этом опыте были использованы трансформаторы, которые повышали напряжение до 2 кВ. Длина линии составляла 40 км и по ней передавалась мощность 20 кВт.

В конце 80-х годов XIX века крупнейшие установки однофазного переменного тока были построены в России и Украине. В Одессе (1887 г.) от сети переменного тока напряжением 2000 В через трансформаторы питались электролампы в Оперном театре и в частных домах. В том же году в Царском Селе (ныне г. Пушкин) под Петербургом началась эксплуатация электростанции постоянного тока. Протяженность воздушной сети была 64 км. В 1890 г. станция и воздушная сеть были реконструированы и переведены на однофазный переменный ток напряжением 2000 В. Царское Село (по свидетельству современников) было первым городом в Европе, который освещался исключительно электричеством.

Рис. 11.2. Линия передачи однофазного переменного тока в Портленде (1889 г.)

 

С 1882 г. начали строиться генераторы английского инженера Дж. Гордона (1852–1893). В 1885 г. венгерскими электротехниками О. Блати, М. Дери и К. Циперновским был разработан промышленный трансформатор с замкнутой магнитной системой, который стал выпускаться заводом в Будапеште.

Это открыло возможность получать необходимое высокое напряжение в начале электропередачи на повышающем трансформаторе вне динамомашины, что оказывалось проще и эффективней. При этом в конце электропередачи низкое напряжение у потребителей можно было получать за счет установки понижающего трансформатора.

Рис. 11.3. Конструкция первичной станции в Лауфене на Неккаре

В 1889 г. в США была построена линия промышленной электропередачи однофазного тока протяженностью 28 км от гидростанции до осветительных установок в г. Портленде. На гидростанции были установлены 19 генераторов, каждый из которых питал 100 ламп по отдельной линейной цепи, так как синхронизация генераторов еще не производилась. Из рис. 11.2 легко понять, насколько неэкономичными при таких условиях оказывались электрические сети, на сооружение которых расходовались колоссальные количества проводниковой меди и изоляторов.

Небольшое немецкое местечко Лауфен, расположенное на берегу реки Неккар, сыграло значительную роль в истории развития электротехники. В нем был цементный завод, снабжаемый значительным количеством водяной энергии от близлежащего водопада. При этом завод мог использовать лишь небольшую ее часть. Дирекция завода, зная об удачных опытах по передаче электрической энергии на большие расстояния, решила, что существует возможность продавать избыток своей водяной энергии промышленному Франкфурту-на-Майне, расположенному на расстоянии 175 км от Лауфена, в форме электрического тока. Оскар Миллер – создатель всей этой по тем временам грандиозной системы передачи электрической энергии – предложил использовать трехфазный переменный ток, о котором в то время только начинали говорить, на что и получил согласие заводской дирекции.

Конструкция первичной станции в Лауфене на Неккаре показана на рис. 11.3, а схема электропередачи Лауфен – Франкфурт-наМайне приведена на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Схема электропередачи Лауфен–Франкфурт-на-Майне (1891 г.): Г – синхронный генератор; Т1и Т2– трансформаторы

Напряжение электропередачи Лауфен – Франкфурт-на-Майне с 15 кВ было вскоре повышено до 30 кВ. В 1901 г. в США на р. Миссури была построена электропередача напряжением 50 кВ, а к 1903 г. предельное напряжение возросло до 60 кВ, передаваемая мощность – до 17 тыс. кВт (Ниагара – Буффало), а дальность достигла 350 км.

В 1891 г. система была введена в эксплуатацию. Для получения электрической энергии были установлены три водяные турбины по 300 л.с., соединенные передаточным редуктором с динамо-машиной переменного тока (рис. 11.5). Линия состояла из трех медных проволок, подвешенных на столбах высотой 8 м при помощи особой конструкции из фарфоровых изоляторов. По проводам передавался переменный ток напряжением в 8500 В, получаемый с помощью первичного повышающего трансформатора. Во Франкфурте-на-Майне в конце электропередачи напряжение понижалось до 65 В и использовалось для питания электродвигателей и ламп накаливания. Коэффициент полезного действия такой электропередачи достигал 75%.

Вся дальнейшая история развития линий электропередачи вплоть до конца XX века сопровождалась увеличением напряжения, передаваемых мощностей и протяженности линий. На первом этапе преобладающей по важности проблемой было уменьшение потерь в линиях, что требовало повышения напряжения.

Дальнейший рост номинального напряжения линий электропередачи ограничивался возможностями использовавшихся в то время штыревых изоляторов, не позволявших поднять напряжение выше 70 кВ. Только изобретение в начале ХХ века подвесных изоляторов позволило резко увеличить применявшееся напряжение, и уже в 1908–1912 гг. в Америке и Германии были построены первые линии электропередачи переменного тока напряжением 110 кВ.

Дополнительное затруднение на пути роста номинального напряжения возникло в связи с увеличением потерь на корону (коронный разряд с поверхности проводов). Теоретические исследования показали, что уменьшить потери можно путем увеличения действительного либо «электрического» диаметра провода. Первое направление привело к применению алюминиевых, сталеалюминиевых и полых проводов большего диаметра. Второе направление (предложенное В.Ф. Миткевачем в 1910 г. ) привело к применению расщепленных фаз, состоящих из нескольких проводов.

Удачное завершение Лауфенского проекта, доказавшего принципиальную техническую возможность передачи электрической энергии на большие расстояния, обратило на себя внимание электротехников во всем мире, стремившихся решить сложную техническую задачу использования огромного количества дешевой водяной энергии и в первую очередь энергии падающей воды.

В 1889 г., т.е. еще до осуществления Лауфенского проекта, созданная в США компания приобрела права на использование энергии Ниагарского водопада в размере 450 тыс. л.с. с американской и канадской сторон. Полученная электрическая энергия распределялась по заводам, расположенным в районе г. Ниагары, а также использовалась для городского электрического освещения. Часть электрической энергии направлялась по специально сооруженной линии электропередачи в г. Буффало, для чего предварительно напряжение повышалось до 22000 В с помощью трансформаторов.

Рис. 11. 5. Динамомашина переменного тока

Физика 9 кл. Получение и передача переменного электрического тока. Трансформатор

Физика 9 кл. Получение и передача переменного электрического тока. Трансформатор

Подробности
Просмотров: 218

 

1. Какой электрический ток называется переменным? С помощью какого простого опыта его можно получить?

Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.

Переменный ток можно получить, если в катушке, замкнутой на гальванометр, периодически двигать магнит вверх и вниз.
При этом стрелка гальванометра будет периодически отклоняться от нулевого значения то в одну сторону, то в другую.
Значит, модуль силы индукционного тока и его направление периодически меняются во времени, т.е. в катушке образуется переменный ток.

Сила тока, вырабатываемого генераторами переменного тока, меняется со временем по гармоническому закону ( по закону синуса или косинуса).

2. Где используют переменный электрический ток?

В осветительной сети наших домов и во многих отраслях промышленности используется именно переменный ток.


3. На каком явлении основано действие наиболее распространенных в настоящее время генераторов переменного тока?

В настоящее время для получения переменного тока используют в основном электромеханические индукционные генераторы.
Эти устройства преобразуют механическую энергию в электрическую.
Индукционными они называются потому, что их действие основано на явлении электромагнитной индукции.

4. Как устроен и действует промышленный генератор переменноо тока?

Работа электромеханического генератора переменного тока аналогична способу получения индукционного тока в плоском контуре при вращении внутри него магнита.
Неподвижная часть генератора, аналогичная контуру, называется статором, а вращающаяся (магнит) – ротором.


В мощных промышленных генераторах вместо постоянного магнита используется электромагнит.


Статор промышленного генератора представляет собой стальной цилиндр, в его пазах витками укладывается медный провод.
При изменении пронизывающего витки магнитного потока в них индуцируется переменный электрический ток .

Магнитное поле создаётся ротором.
Чаще это электромагнит, на стальной сердечник которого надета обмотка, по которой протекает постоянный электрический ток.
Ток подводится через щётки и кольца от источника постоянного тока.

Внешняя сила вращает ротор, создаваемое им магнитное поле тоже вращается.
При этом меняется магнитный поток, пронизывающий статор.
В результате этого в обмотке статора индуцируется переменный ток.

5. Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловой электростанции? на гидроэлектростанции?

На тепловой электростанции ротор генератора приводится во вращение паровой турбиной; на гидроэлектростанции — водяной турбиной.

На тепловых электростанциях ротор генератора вращается с помощью паровой турбины, на гидроэлектростанциях – с помощью водяной турбины.

6. Почему в гидрогенераторах используют многополюсные роторы?

Так как скорость вращения водяных турбин относительно невысока, то для создания тока стандартной частоты применяют многополюсные роторы.

Ротор гидрогенератора обычно имеет несколько пар магнитных полюсов.
Чем больше пар полюсов, тем больше частота переменного электрического тока, вырабатываемого генератором.
Так как скорость вращения водяных турбин невелика, для создания тока стандартной частоты используют многополюсные роторы.

7. Какова стандартная частота промышленного тока, применяемого в России и многих других странах?

Стандартная частота переменного тока, применяемого в промышленности и осветительной сети в России и многих других странах, равна 50 Гц.

8. По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП и за счёт чего их можно уменьшить?

Для передачи электроэнергии от электростанций в места её потребления служат линии электропередачи (ЛЭП).
Чем дальше от электростанции находится потребитель тока, тем больше потери энергии – Q.

E потребляемая = E генерируемая – Q

Уменьшение потерь электроэнергии – это важная задача экономики.
Большие потери энергии возникают из-за нагревания проводов ЛЭП.
По закону Джоуля-Ленца : Q = I2Rt.
Уменьшить эти потери можно за счёт уменьшения сопротивления R проводов и силы тока I в них.
Так как R = ρl/S, то провода делают из дешевых меди или алюминия, у которых малое удельное сопротивление.
Увеличивать толщину проводов экономически невыгодно.
Можно уменьшать силу тока, но при этом необходимо во столько же раз увеличить получаемое от генератора напряжение U, чтобы не снижать мощность тока Р = UI.

9. Для чего при уменьшении силы тока во столько же раз повышают его напряжение перед подачей в ЛЭП?

В ЛЭП при передаче электроэнергии на большие расстояния важно не снижать мощность тока Р = UI.
Чтобы уменьшить потери электроэнергии при передаче можно уменьшать силу тока.
Но при этом необходимо во столько же раз увеличить получаемое от генератора напряжение.
При таких преобразованиях мощность тока (Р = UI) в ЛЭП сохраняется.

10. Что такое трансформатор?

Трансформатор – это устройство, предназначенное для увеличения или уменьшения переменного напряжения и силы тока.

Трансформатор был изобретён в 1876 г. русским учёным П.Н. Яблочковым.
В основе его работы лежит явление электромагнитной индукции.

11. Как устроен трансформатор? его принцип действия?


Трансформатор состоит из двух обмоток (как минимум) и железного сердечника.
Протекающий в первичной обмотке переменный ток создаёт внутри сердечника переменное магнитное поле, которое порождает переменное электрическое поле во вторичной обмотке.
Во вторичной обмотке возникает индукционный ток, а на ее концах переменное напряжение U2.

Величина U2 определяется из соотношения:

При N2 > N1 трансформатор называется повышающим ( U2 > U1).
При N2 < N1 трансформатор называется понижающим (U2 < U1).

12. Где применяются трансформаторы?

Трансформаторы нашли широкое применение в быту, на производствах, при передаче электроэнергии.
Например:
– в зарядных устройствах сотовых телефонов,
– в радио- и телеаппаратуре,
– повышающие и понижащие трансформаторные подстанции на предприятиях, для подачи электроэнергии в жилые дома,
– в линиях электропередач на большие расстояния.

Следующая страница – смотреть

Назад в “Оглавление” – смотреть

ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА РАССТОЯНИИ КАК АЛЬТЕРНАТИВА УСТАРЕВШИМ СПОСОБАМ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА — NovaUm.Ru

ТЕХНОЛОГИИ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА РАССТОЯНИИ КАК АЛЬТЕРНАТИВА УСТАРЕВШИМ СПОСОБАМ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Технические науки

Исхаков Рамзил Фаритович

Научный руководитель: Шабаев Р. Б., к.п.н., доцент, Стерлитамакский филиал Башкирского Государственного университета, г. Стерлитамак

Ключевые слова: ЭЛЕКТРИЧЕСТВО; ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА; БЕСПРОВОДНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА; НОВЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА; ELECTRICITY; TRANSMISSION OF ELECTRICAL CURRENT; WIRELESS WAYS OF TRANSMITTING ELECTRIC CURRENT; NEW WAYS OF TRANSMITTING ELECTRIC CURRENT.


Аннотация: В статье раскрыты основные способы передачи электрического тока на расстоянии. Рассмотрены новые способы передачи электричества на расстоянии: начиная от практически применяемых, заканчивая новыми теоретическими способами. Приведены положительные и отрицательные стороны всех способов передачи.

В 21 веке произошел большой скачек в научно техническом прогрессе. Человек получил доступ к таким технологиям, что раньше даже не представлялись возможными. Так же с помощью современных технологий и последних разработок человечество получило шанс на сотворение в реальности своих давних и самых сокровенных желаний.

Одной из таких вещей стала передача электричества на расстояние. С тех пор как человечество открыло для себя электроэнергию, перед нами встал вопрос передачи электроэнергии на расстояние для обеспечения бесперебойной работы устройств и машин.

Разберем для начала, что такое электрический ток? Электрический ток — это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц. Эти частицы отличаются в зависимости от среды в которой протекает ток. В основном частицами служат отрицательно заряженные электроны или положительно и отрицательно заряженные ионы.

Выработка электроэнергии происходит на различных электростанциях. Используемое топливо нагревает воду, которая из жидкого агрегатного состояния переходит в газообразное – водяной пар. Пар по паропроводам движется к турбинам, вращая которые и происходит выработка электричества. Такие станции подразделяют на несколько групп в зависимости от используемого топливо для получения электричества: АЭС (используют энергию радиоактивного распада), ТЭЦ (в качестве топлива служит уголь, нефть, природный (попутный) газ), СЭС (используют энергию солнечного света). Но и тут есть исключения на ГЭС используют поток воды, который падая вниз вращает лопасти генератора, на ГеоЭС используют пар который поднимается из недр земли, на ВЭС лопасти генератора толкают воздушные массы.

Все эти станции производят колоссальные объёмы электроэнергии, но как ее доставить до потребителя?

На данный момент электроэнергию доставляют до потребителей по средствам ЛЭП. На электростанции производят ток с низким напряжением, но с большой силой тока. Если такой ток сразу падать на провода к потребителю он не дойдет до него. Необходимо повысить его напряжение. Для этого на станциях есть повышающие трансформаторы, которые существенно поднимают напряжение. После поднятия напряжения, ток пускают по проводам. Сейчас он способен перемещаться на большие расстояния. По с помощью ЛЭП ток доходит в самые отдаленные города и села. Перемещаясь непосредственно близко к потребителю, он падает в ЦРП. В ЦРП находятся понижающие трансформаторы, которые понижают напряжение до привычных нам значений. Дальше ток по проводам поступает к потребителю, где мы можем им спокойно пользоваться.

Так же для передачи электроэнергии используют электрические батареи и аккумуляторы. Они созданы для портативных устройств, для которых необходим постоянное потребление электричества. В настоящее время существует большое множество разнообразных форм и классификаций батареек и аккумуляторов.

Это все давно известные и хорошо отлаженные способы передачи электрического тока на расстоянии. Но и ни имеют свои недостатки. Батарейные блоки и аккумуляторы имеет фиксированную емкость, и когда они разрядятся они бесполезны. Передача тока по ЛЭП тоже имеет свои минусы. Нет возможности взять прибор с собой и пользоваться, когда необходимо. Для этого надо чтобы он был постоянно подключен к сети, а это невозможно.

Так какие альтернативные способы передачи электрического тока существуют? Альтернативой может выступить бесконтактная передача электрического тока.

Впервые о таком способе передачи тока заговорили еще в 19 веке, когда Ампер открыл свойство электрического поля переходить в магнитное поле. Позже это явление назвали законом Ампера.

На данный момент существует несколько способов бесконтактной передачи электрического тока: метод электрической индукции, электростатическая индукция, ультразвуковой метод, лазерный метод.

Метод электромагнитной индукции. При беспроводной передаче электроэнергии методом электромагнитной индукции используется ближайшее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же присутствуют. Так же присутствуют резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создаёт переменное магнитное поле, которое оказывает воздействие на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере удаления вторичной обмотки от первичной, всё большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно малых расстояниях индуктивная связь становится очень неэффективной. Это из-за малого КПД такой установки. Большинство передаваемой энергии теряется по пути, и до вторичной обмотки доходит лишь малая часть. В наше время этот метод применяется для зарядки батарей в технике. С ее помощью отпадает нужна в проводе зарядки и разъёме на технике. Вместо нее используют тонкую пластинку вторичной обмотки, что позволяет уменьшить объём устройств.

Микроволновое излучение. В 20 веке активно начали развивать теории об передаче энергии по средству микроволнового излучения. В том же веке были проведены первые положительные опыты по передачи энергии на большие расстояния по средствам микроволнового излучения. Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, значительно увеличив расстояние эффективной передачи энергии путём уменьшения длины волны электромагнитного излучения, как правило, до микроволнового диапазона. Для обратного преобразования микроволновой энергии в электричество может быть использована ректенна, эффективность преобразования энергии которой превышает 95 %. Данный способ был предложен для передачи энергии с орбитальных солнечных электростанций на Землю и питания космических кораблей, покидающих земную орбиту.

Лазерный метод. В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра, энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника. Лазерный метод позволяет передавать энергию на больше расстояния, из-за сфокусированности луча и малого угла расходимости между пучками световых волн. Так же лазер не создает помех, не оказывает негативного воздействия на радиочастотные приемники и передатчики. Передача энергии возможна только при освещении приемника, что позволяет четко контролировать передачу энергии. Но и у этого метода имеются свои недостатки. Приемник и передатчик должны быть в прямой видимости для того что бы лазер мог попасть в приемник. Так же в атмосфере неизбежны потери в энергии. Данный метод пользуется хорошей популярностью в аэрокосмической области.

Таким образом использование бесконтактной передачи электрического тока является приоритетным направлением. В последствии при бурном развитии этого направления мы можем полностью отказаться от метода передачи с помощью ЛЭП.


Список литературы

  1. С.С. Ананичева, П.И. Бартоломей, А.Л. Мызин. Передача электроэнергии на дальние расстояния. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1993, 80 с.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Передача электроэнергии на расстояние. Трансформаторы

Приливная электростанция имеет водохранилище прямоугольной формы площадью 100 км и высоту прилива и отлива 8 м. Прилив продолжается 12 ч. КПД преобразования энергии приливной волны в электрическую 90%. Напряжение с шин генератора повышается трансформатором со 100 В до 500 кВ с КПД 95 %. Электроэнергия передается в город на расстоянии 30 км по линиям электропередачи, имеющим удельное сопротивление 0,0003 Ом/м. Понижающий трансформатор, имеющий КПД также 95 %, снижает напряжение на нагрузке до 100 В. Определите значение мощности, подведенной к потребителю. Сколько энергии теряется прн производстве, преобразовании и передаче электроэнергии В какой форме проявляются потери (Предположим, что подведенная энергия и потери в сумме равны аккумулирующей способности водохранилища, куда поступает вода во время прилива.)  [c.44]
Гибкость электричества особенно увеличилась после изобретения трансформатора (преобразователя) электрического тока, который открыл широчайшие перспективы для передачи электроэнергии на большие расстояния от центров ее производства до потребителей. При передаче электроэнергии по проводам происходят потери за счет нагревания проводов, утечки электричества в атмосферу и т. д.  [c.18]

Переменный ток применяется во всех случаях, когда нужно передать электрическую энергию на большие расстояния. Этому способствует свойство переменного тока трансформироваться с одного напряжения на другое. Для передачи электроэнергии на большие расстояния у источника тока устанавливается повышающий трансформатор, а у приемника — понижающий. При этом для передачи по линии той же мощности необходим гораздо меньший ток, поэтому есть возможность применять провода меньшего сечения.  [c.126]

При передаче электроэнергии на большое расстояние применяют переменный ток высокого напряжения, который у потребителей превраш,ается в ток низкого напряжения при помощй трансформаторов.  [c.131]

В современных условиях невозможно осуществить передачу электроэнергии к потребителям без трансформаторов, особенно на большие расстояния. Материалами для сердечников трансформаторов, в которых происходит непрерывное перемагничивание переменным магнитным полем, могут быть только ферромагнитные вещества с малой  [c.12]

Потери энергии в линии передач зависят главным образом от силы тока и в меньшей степени от напряжения. Поэтому становится выгодным повысить напряжение и, не увеличивая силу тока, передавать электроэнергию на более длинные расстояния при равных потерях. В месте потребления электроэнергии трансформатор позволяет снова понизить напряжение до уровня, необходимого потребителю. В результате открытия явления трансформирования электрической энергии снято ограничение по передаче ее на большие расстояния.  [c.18]

Первые электрифицированные железные дороги по своей протяженности были небольшими. Строительство железных дорог большой протяженности наталкивалось на трудности, связанные с большими потерями энер-гии которые вызывает передача постоянного тока на длительные расстояния. С появлением в 80-х годах трансформаторов переменного тока, дающих возможность передавать ток на большие расстояния, они были введены в схемы питания электроэнергией железнодорожных магистралей.  [c.231]

Напряжение иа выводах генератора обычно не удается получить выше 15—20 тыс. в. Передача же электроэнергии на дальние расстояния должна производиться при значительно более высоком напряжении, чтобы уменьшить потери в линиях. Сейчас уже находятся в эксплуатации линии электропередач переменного тока на 330 и 500 тыс. в. Задача повышения напряжения переменного тока при неизменной частоте решается нри помощи трансформаторов.  [c.18]


Выработанная электроэнергия многократно трансформируется сначала повышается напряжение для высоковольтной передачи на большое расстояние — до районной понизительной подстанции, затем для передачи с меньшим напряжением — от районной до заводской подстанции, затем снова трансформируется (до 380—500 в и более) и с этим напряжением подводится к электрическим печам. В зависимости от типа электрической печи возможна дополнительная трансформация электрической энергии при прямом нагреве устанавливается трансформатор, понижающий напряжение до 5—20 в и выше, при индукционном нагреве требуется преобразователь частоты, повышающий промышленную частоту тока с 50 до 2000 гц и более. При каждой трансформации теряется часть энергии в мощных 2—4%, в менее мощных 4—5%, в преобразователях частоты до 20—25%, в сетях до 10—15%. Общие электрические потери могут быть весьма большими. К- п. д. сети от электрического генератора до электротермической установки составляет величину порядка т сет 0,80 0,85.  [c.241]

Для гидроэлектростанций вопрос решается однозначно в пользу передачи электроэнергии. Передача же электроэнергии, вырабатываемой па тепловых электростанциях, обходится в ряде случаев дороже, чем транспортирование угля, имеющего высокую энергоемкость (теплоту сгорания). Еще выгоднее транспортировать на дальние расстояния нефть и природный газ. С другой стороны, большой экономический эффект дает строительство тепловых электростанций у крупных месторождений дешевого малоэнергоемкого угля с передачей электроэнергии в энергетические системы [29, 104, 108]. При этом следует учитывать и капитальные затраты. Например, с учетом стоимости постройки линий электропередач и потерь электроэнергии (на линиях, в трансформаторах, в устройствах стабилизации и регулирования режима) стоимость передачи 150 МВт на 400 км равна половине стоимости постройки тепловой электростанции той же мощности.[c.102]

Уже первые трансформаторы и генераторы однофазного переменного тока, обладавшие достаточно высокими эксплуатационными параметрами, позволили осуществить в 1884 г. пробные передачи электроэнергии на расстояние. Важным событием в истории освоения техники переменных токов стала первая крупная электростанция однофазного тока, построенная в 1885 г. в Дентфорде (близ Лондона) для освещения улиц в западной части города мощность 1000 кВт, расстояние передачи 12 км при напряжении 10 кВ. Крупные станции однофазного переменного тока в 1887 г. были построены в России в Одессе и Царском Селе.  [c.59]

Все энергетические системы — это системы т р е х ф аз -ного переменного тока, получившего развитие после изобретения выдающимся русским инженером М. О. Доливо-Добровольским в 1889—1900 гг. трехфазных генераторов и трехфазных трансформаторов. Трехфазный ток в совокупности с трехфазными асинхронными двигателями, также изобретенными Доливо-Добровольским, оказался наиболее удобным для передачи электроэнергии на далекие расстояния и широкого внедрения ее в промышленность.[c.265]


5 минут об электричестве в человеке

Всем привет, я Маша Осетрова, и сегодня я немного расскажу вам про электричество в теле человека.

Сюжет о Викторе Франкенштейне, создавшем монстра из неживой материи, идейно восходит к проведенным в XVIII веке опытам Луиджи Гальвани, который заставил мышцы лягушки сокращаться под действием электрического тока. Его эксперименты вдохновили многих исследователей на изучение функций электричества в теле живых существ. На сегодняшний день ученые сильно продвинулись в этой области: придумали обезболивающие, выяснили, что заставляет наше сердце биться, что происходит в голове у влюбленных и многое другое.

Между электричеством нашего организм, и электричеством, которое обеспечивает наши дома, есть два фундаментальных различия. Электричество из розетки представляет собой поток электронов. В отличие от этого практически все токи в живых существах являются потоками ионов — атомов, имеющих электрический заряд. Токи в нашем организме связаны с пятью типами частиц: четырьмя положительными ионами — натрия, калия, кальция и водорода — и одним отрицательным хлорид-аниона.

Второе важное различие связано с направлением движения частиц. Ток в электрической цепи течет вдоль проводника, в то время как распространению электрического импульса по нейрону способствует движение ионов в перпендикулярном направлении.

В книге «Искра жизни» Фрэнсис Эшкрофт собрала воедино имеющиеся на сегодняшний день знания об электрических токах в организме человека и процессах на клеточном и молекулярном уровне, управляющих передачей электрических импульсов.

В состоянии покоя на мембране всех клеток существует разность потенциалов в 70 мВ, которую также называют потенциалом покоя. Изменение этого потенциала возможно при проходе заряженных частиц через мембрану внутрь и наружу клетки через специальные шлюзы — ионные каналы.

Для управления ионными каналами соседей нервные клетки выпускают в синаптическую щель — место контакта нейронов — специальные вещества, нейромедиаторы. Они специфично взаимодействуют с ионными каналами в мембране целевой клетки, подходя к определенному типу каналов как ключ к замку. В результате взаимодействия канал открывается, пропуская через себя ионы внутрь или наружу клетки. Направление движения частиц при этом зависит от концентрации ионов и распределения зарядов.

В состоянии покоя потенциал-зависимые натриевые и калиевые каналы клеток нервной и мышечной ткани находятся в закрытом состоянии под действием потенциала покоя. Они открываются только тогда, когда потенциал смещается в положительную сторону: когда это происходит, генерируется нервный импульс.

Хотя потенциально нервные волокна могут проводить импульсы в любую сторону, обычно они передают их только в одном направлении. Двигательные нервы передают сигнал от головного и спинного мозга к мышцам для управления их сокращением, а чувствительные нервы передают информацию в обратном направлении — от органов чувств к головному мозгу.

Поддержание клеток в поляризованном состоянии жизненно важно для организма и крайне энергозатратно. Один лишь мозг использует около 10% вдыхаемого кислорода для поддержания работы натриевого насоса и подзарядки аккумуляторов нервных клеток.

Наибольшее значение для генерации нервного импульса имеют калиевые и натриевые каналы. Это подчеркивает тот факт, что яды пауков, моллюсков, актиний, лягушек, змей, скорпионов и множества других экзотических существ воздействуют именно на них и, таким образом, нарушают функционирование нервов и мышц. Многие токсины крайне специфичны и нацелены на какой-нибудь один вид ионных каналов.

Разные яды имеют разный механизм действия: некоторые из них закупоривают ионные поры, а некоторые выступают в роли «распора», фиксируя канал в открытом состоянии. Это приводит к тому, что результатом проникновения в организм одних токсинов является паралич, а других — чрезмерное возбуждение, вызывающее судороги.

К примеру, яд тетродотоксин, содержащийся во внутренностях иглобрюха, которого японцы называют «рыба фугу», обладает специфичностью к натриевым каналам. Прочно закупоривая ионные поры, он препятствует нормальной передаче нервных импульсов, вызывая паралич и зачастую приводя к летальному исходу. Тем не менее, гурманы со всего мира регулярно рискуют жизнью, чтобы отведать фугу: при правильном приготовлении она перестает быть ядовитой, и лишь слегка покалывает небо.

Еще один токсин, ради эффекта которого люди готовы рискнуть — ботокс, используемый в косметических целях для разглаживания морщин. Ботокс, он же ботулотоксин — яд бактерий вида Clostridium botulinum, — один из самых сильных известных природных ядов. Он препятствует сокращению мышц и постепенно приводит к смерти от удушья. В количестве, умещающемся на кончике иглы, он смертелен для взрослого человека, однако инъекции ботокса под кожу в ничтожных концентрациях способствуют избавлению от мимических морщин.

На этом все, читайте умные книги, не суйте пальцы в розетку и читайте портал «Чердак»! А в следующем выпуске я расскажу вам о том, как мы делаем ЭТО.

 Анастасия Тмур

Однопроводный ток – реальность, снижающая затраты на передачу энергии в сотни раз! – Энергетика и промышленность России – № 9 (61) сентябрь 2005 года – WWW.

EPRUSSIA.RU

Газета “Энергетика и промышленность России” | № 9 (61) сентябрь 2005 года

Авраменко предположил, что статические заряды каким‑то образом приводятся в движение, и образуется то самое переменное электромагнитное поле, которое и зажигает газ в лампе. Он стал проводить многочисленные эксперименты со статическим электричеством (которое на сегодняшний день практически не используется).

Статический заряд почти невесом, чтобы получить его и переместить в пространстве, тяжелой механической работы производить не надо, мощные и металлоемкие двигатели и генераторы могут оказаться ненужными. Изобретатель старался получить свободный заряд, придать ему направленное перемещение, заставить действовать так же, как и обычный ток в проводах. Для этого он пытался преобразовать обычный ток из электросети в ток смещения свободных статических зарядов (в так называемые реактивные токи). Первичным источником служили обычные звуковые генераторы, используемые в радиотехнике. Из литературы он узнал о трансформаторе Теслы (этот ученый также пытался передавать на расстояние электрическую мощность с помощью реактивных токов) и использовал этот опыт.

Трансформатор Авраменко

Дело пошло. Сначала появились малые токи, 2‑3 Вт, потом – большей мощности. В результате Станиславу Викторовичу удалось сделать то, что до этого не получалось ни у кого: создать систему передачи тока свободных статических зарядов по одному проводу.

На выходе созданного Авраменко трансформатора мы имеем обычный переменный ток, который попал туда из обычной же электросети, только с полной асимметрией выходного напряжения: один конец вторичной обмотки остается под нулевым потенциалом, а вся синусоида подаваемого тока находится на другом ее конце. В трансформаторе Теслы второй конец был заземлен, небольшой потенциал на нем все‑таки был, нулевого добиться ему не удалось. А в трансформаторе Авраменко подсоединяем к «нагруженному» электроду всего один провод и гоним электричество по нему.

В научных журналах (например, «Изобретатель и рационализатор»), заинтригованных уникальным явлением, пытались объяснить природу этого «однопроводного электричества». Рассказывалось и о трансформаторах без сердечников, подобных трансформаторам Теслы, о «вилке Авраменко» – включенных особым образом диодах. С их помощью удавалось накачивать энергией некую емкость, из которой потом получать эту энергию и перемещать ее по незамкнутой цепи, то есть по одному проводу. Причем течет она не внутри этого провода, а как бы вдоль него. По словам самого Авраменко, «поле перемещается вдоль провода как по волноводу». Из теории электричества известно, что токи смещения закону Джоуля – Ленца не подчиняются. Стало быть, сечение этого провода значения не имеет, он может быть тоньше волоса, его задача – лишь указывать направление. Кроме того, провод не нагревается, и потерь энергии почти нет.

В системе Авраменко ток проводимости из сети выпрямляется, преобразуется в реактивный ток нужной частоты, который передается по одному проводнику на любое расстояние, а там вновь преобразуется в обычный ток проводимости, заставляющий гореть лампы, крутиться моторы, работать лазеры и нагревать электроприборы.

Преимущества однопроводного электричества

Полного теоретического объяснения работы однопроводной системы нет и сегодня. Вопросы остаются, светила электротехники ответа на них не находят. И тем не менее возможность передачи энергии по одному проводу Авраменко доказал экспериментально. Это было около десяти лет назад.

За прошедшее с этого момента время Авраменко удалось установить уникальные свойства однопроводной сети.

Прежде всего выявились огромные преимущества однопроводной передачи электроэнергии на расстояние. При передаче ее обычным способом 10‑15% энергии теряется на нагрев проводов (джоулево тепло). Для однопроводной же передачи можно брать настолько тонкий провод, насколько это позволяют соображения прочности, скажем, 2‑4 мм в диаметре. Если в современных цепях плотность передаваемого тока не превышает 6‑7 А/мм2, то по однопроводниковой она достигает 428 А/мм2 при мощности в 10 кВт. Причем провод не нагревается, а джоулевы потери уменьшаются почти в сто раз. Во столько же раз, соответственно, уменьшается расход меди на провода. Мало того, провода могут быть сделаны из обычной стали: ведь их электропроводимость значения не имеет, их задача – указывать направление тока. Что это значит? А это значит – происходит колоссальная экономия на опорах и проводах линий электропередач, а также контактных линий электротранспорта. Их можно сделать значительно менее громоздкими и материалоемкими.

Электрический ток… по трубопроводам

Станислав Викторович стал приглашать на демонстрацию опытов различных специалистов, руководителей Минэнерго, ученых из ФИАН, МИФИ и пр. Ни расчетам, ни своим глазам никто не верил. Первым человеком, поверившим Авраменко, стал директор Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства (ВНИИЭСХ), академик РАСХН, профессор, д. т. н. Д.С. Стребков. Он первый понял, что все демонстрируемое изобретателем вполне подчиняется законам физики и электротехники.

Дмитрий Семенович пригласил Авраменко к себе в институт, создал там соответствующую лабораторию, выделил оборудование, выбил деньги, и опыты стали производиться на гораздо более серьезной основе. Если раньше у Авраменко была лишь небольшая десятиваттная установка, то во ВНИИЭСХе изготовили опытную установку мощностью в 100 Вт, позволившую провести ряд важных экспериментов.

Например, было доказано, что однопроводное электричество можно передавать не только по медному проводу. Как происходит такой эксперимент? Выходящий из трансформатора Авраменко и батареи конденсаторов, где генерируются мощные статические заряды, стальной провод ныряет в лоток с водой, за которым идет графитовая нить, затем в лоток с грунтом (лотки, разумеется, изолированы). В линии специально устроены разрывы, в них возникают дуговые разряды между проводом и водой, землей, графитом. По проводу ползает однопроводная троллея (макет троллейбусной, например), отбирающая энергию для находящихся тут же потребителей. В конце линии подключена лампочка. Ток проходит по всем этим проводникам и зажигает ее.

Что этот опыт доказывает? А то, что можно постоянно и без больших потерь передавать энергию по любым токопроводящим изолированным веществам. Например – по трубопроводам, оптоволоконным линиям (по волокну передается информация, а ток – по металлической оплетке кабеля) и т.п. (патент РФ № 2172546). А раз так – то можно изобрести массу машин и устройств, использующих это явление.

Не воруйте провода, они… стальные!

Авраменко совместно со Стребковым и к.т.н. А.И. Некрасовым, руководящим лабораторией ВНИИЭСХа, разработали дождевальную машину, идущую вдоль арыка или лотка с водой и получающую из них не только воду, но и энергию для своей работы. Еще одна область применения (патент № 2136515) – оборудование для питания трамваев, троллейбусов, электропоездов и электромобилей с помощью одной троллеи взамен обычных двух (причем при этом по рельсу ток не идет!), а также – оборудование для питания мобильных электроагрегатов, вроде тракторов, аэростатов, вертолетов по сверхтонкому и легкому кабелю (патент № 2158206). Мало того, реактивные токи установки Авраменко можно передавать по лазерному лучу вообще без проводов (патент № 2143735), а за пределами атмосферы – и по электронному лучу (патент № 2163376).

Но корифеи все не верили, специальные журналы в публикациях отказывали: «Большие мощности все равно невозможно передать на расстояние. Сделайте киловаттную установку».

Ну, так ведь и сделали! Тут призадумались уже и специалисты. Первым всерьез заинтересовался «Газпром» – организация, далеко не бедная и на перспективные разработки денег не жалеющая. Вдоль газопроводов сейчас обязательно устраивают линии электропередачи для катодной защиты, питания перекачивающих насосов и для других эксплуатационных служб. Линии эти стоят дорого, провода из цветных металлов воруют. А при однопроводной передаче энергии можно протянуть стальной провод или даже пустить ток по самой трубе.

Воробей не сядет

«Газпром» спонсировал изготовление еще более мощной установки, на 20 кВт. Ее сделали с запасом: Д. С. Стребков утверждает, что она выдаст и 100 кВт. Установленный в начале этой линии высокочастотный трансформатор генерирует мощные электростатические заряды, которые концентрируются вдоль линии к резонансному контуру понижающего трансформатора Теслы и через выпрямитель отводятся к нагрузке, то есть к потребителям. Передает установка энергию по проводку толщиной всего в 80‑100 мкм: его можно увидеть, только подойдя вплотную. Он отчаянно вибрирует, когда установка включена, иной раз даже отрывается от изолятора (разумеется, в реальных условиях столь тонкий провод никто ставить не собирается, он разорвется, даже если на него сядет воробей). И тем не менее по этому волоску течет ток, который питает 24 киловаттных лампы, мощный электромотор и пр.

Такая система имеет в сотни раз лучшие электрические параметры, чем традиционные двух-трехпроводные. При этом в конструкции установки применены стандартные, серийно выпускаемые отечественной промышленностью узлы: например, преобразователь, применяемый при термообработке труб, конденсаторы и пр. Между тем НПО «Сапфир» по заказу ВНИИЭСХа разрабатывает в настоящее время во много раз меньшие преобразователи на тиристорах, так что можно ожидать, сверх всего прочего, что установка станет гораздо более компактной.

Электротрактор без барабана и коагулятор в кармане
Применение принципиально новой системы подачи электроэнергии позволит значительно упростить и удешевить строительство троллейбусных и трамвайных линий или, допустим, даст возможность устанавливать на автомобилях электропривод с «антенной», чтобы водители, подъехав к устроенным повсеместно однопроводным линиям, подсоединялись к ним и ехали куда угодно, отключив ДВС и не загрязняя атмосферу.

Кроме того, можно было бы вернуться и к электротракторам, работающим от кабеля. От них в свое время отказались из‑за того, что барабан кабеля, устанавливаемый на тракторе, весил 3 тонны. Теперь же его вес составит не более 30 кг. Да и без барабана можно обойтись.

Можно создать аэростатное телевидение, установив ретрансляторы километрах в десяти над землей. Или устроить аэростатную же систему мониторинга огромных площадей лесов или полей. Сейчас только вес кабелей мешает этому.

Но и это еще не все. Энергию по лазерным и электронным лучам можно передавать даже на спутники и ракеты!

Но это пока только будущее.

Однако вот вам настоящее: коагуляторы крови, изготовленные с помощью однопроводной системы. Эти приборы применяют для остановки крови при ранах и операциях, они как бы сваривают крохотной дугой электроплазмы края разорванных сосудов. Существующие сегодня в мире коагуляторы мощностью 8 Вт представляют собой громоздкую тумбу, стационарную или на колесах, весом около сотни килограммов, охлаждаемую водой из водопровода и потребляющую более киловатта энергии. Точно такой же мощности и еще более эффективного действия коагулятор, изготавливаемый во ВНИИЭСХе, питается от обычных аккумуляторных батареек, весит несколько сот граммов, помещается в «дипломате» или бардачке автомобиля, так что может работать и в полевых условиях, и дома. Тем более что его стоимость сегодня составит примерно $1000 (против 45‑60 тыс. $ для громоздких зарубежных аналогов). Он может использоваться и уже используется не только в клиниках, но и в салонах красоты, для уничтожения бородавок, папиллом, татуировок и пр.

Сегодня работами Авраменко и его коллег весьма пристально интересуются иностранцы. Изобретения были отмечены золотой медалью Салона инноваций в Брюсселе и золотой медалью Николы Теслы, выдаваемой за выдающиеся работы в области электротехники. Англичане и японцы оплатили международное патентование, причем американцы выдали патент, в котором работы российских ученых названы «букетом открытий». С Индией ведутся переговоры о поставке демонстрационной установки в 25 кВт.

Но увы, увы и еще раз увы! О широком, массовом применении однопроводного тока в России пока приходится только мечтать.

Получение и передача переменного тока. Трансформатор

Переменный ток – это электрический ток, меняющийся во времени периодически по модулю и направлению.

На практике это в подавляющем большинстве случаев означает, что зависимость тока от времени будет представлять из себя синусоиду. Например, напряжение в розетке вполне синусоидальное с частотой 50 Гц и амплитудой 311 В, как бы неожиданно это не звучало.


Для получения такого напряжения сейчас используют электромеханические индукционные генераторы.

Принцип действия генератора переменного тока основан на вращении магнита внутри контура. При этом вращающаяся часть называется ротором, а неподвижная – статором.

Ниже показана схема реального электрогенератора – на неё видны магнит (ротор), общий сердечник катушек, сами катушки (статор). Такой генератор называется трёхфазным и он представляет из себя сразу три источника напряжения – так уж вышло, что на практике проще сделать генератор, являющийся сразу тремя источниками, чем генератор, который был бы одним источником аналогичной мощности.


Когда ротор вращается, магнитный поток в катушках меняется – чтобы это увидеть, достаточно взглянуть на линии магнитного поля.


Когда полюс направлен на обмотку, в ней поток околонулевой, когда обмотка сбоку от полюса, в ней поток максимальный.

Обычно на электростанциях генератор вращает турбина – паровая или водяная. В автомобиле генератор вращает поршневой двигатель.

Изобретение переменного тока в своё время было большим достижением. Дело в том, что переменный ток легко передавать на большие расстояния. Большое расстояние предполагает, что мы передаём ток по длинному проводу, а значит, сопротивление велико. Тепловые потери равны Q = I* R * t, а передаваемая энергия равна E = U * I * t, то есть если мы хотим передавать такую же энергию, как и раньше, но с меньшими потерями, нам надо или уменьшать сопротивление проводов (что очень дорого), или увеличивать передаваемое напряжение при уменьшении тока.

Если увеличить напряжение, это приведёт к тому, что на розетке будет написано на 220 В, а 10000 В, например, и изоляция будет толщиной с садовый шланг, и любое короткое замыкание будет выглядеть вот так:


Все эти проблемы легко решаются переменным током, потому что его можно передавать на дальние расстояния с огромным напряжением, а затем понижать напряжение и передавать в дома уже безопасным способом.

Ключевые слова здесь – можно понижать напряжение.

Для этой задачи у нас есть трансформаторы. Трансформатор устроен следующим образом:


Протекающий в первичной обмотке ток создаёт магнитное поле в сердечнике (переменное магнитное поле, так как ток переменный), это магнитное поле создаёт переменный ток во вторичной обмотке, потому что изменение магнитного потока порождает ток самоиндукции.

Фишка трансформатора в том, что индуктивность обмоток разная – и значит, напряжение на них тоже будет разным.

Напряжения на обмотках соотносятся по формуле:

U/ U= N/ N2, где N – число витков в соответствующей обмотке.

Передача переменного тока от электростанции до дома происходит по следующей схеме: вначале генератор производит напряжение порядка 25 кВ, затем это напряжение повышается трансформатором до примерно 750 кВ, передаётся на ЛЭП, а затем на подстанции оно понижается до 220 В (ну, амплитуда 311 В, но среднее значение всё же 220 В, а лампочка светится пропорционально среднему значению, а не максимальному), и дальше мы им пользуемся.

Редактировать этот урок и/или добавить задание Добавить свой урок и/или задание

Добавить интересную новость

Передача электроэнергии


Передача электроэнергии на большие расстояния является одной из основных проблем электрического века. Цели, над которыми работали инженеры в направлении остались прежними, несмотря на то, что многое изменилось года.

1. КПД – транспортная электрическая мощность на расстояние с минимальными потерями
2. Безопасность – транспортная мощность через городские и сельские районы, сводящие к минимуму вред людям и животным.
3. Стоимость – используйте минимальное сырье материалы и строительные / эксплуатационные расходы возможны
4. Надежность – создать систему который не уязвим для ударов молний, ​​солнечных вспышек, землетрясений, ледяные бури, ураганы и система может «исцелить» себя, когда происходят перебои в работе, изолируя проблемные места.

Ниже: простая иллюстрация электросети, показывающая высокое напряжение. перешел на фидерные линии

С момента первой большой дальности связи передача в Мюнхен, Германия в 1882 году, люди совершали все ошибки возможно и извлек из этого урок.Инженеры все еще пытаются решить очень сложные проблемы, такие как контроль затрат и устойчивость к солнечным вспышкам который мог бы вывести из строя власть во всем мире.

Есть четыре способа транспортировки электрических мощность:



Высокое напряжение переменного тока

Самый большой распространенный в мире метод, при этом используются алюминиевые проводники со стальным центр поддержки. Линии подвешены высоко выше земли. Чем выше напряжение, тем больше электромагнитный поле вокруг провода

Ниже: простая модель системы распределения переменного тока.Мощность ступенчатая до 345 кВ, понижен до 69 кВ и в конечном итоге оказывается в доме на 220 вольт. Трансформаторы изменяют напряжение, а конденсаторы и катушки индуктивности синхронизировать форму волны. Влияние индуктивности и изменяющихся нагрузок может привести к рассинхронизации формы сигнала переменного тока, что приведет к потере эффективных коробка передач.

Вверху: HVDC облегчает пересечение водоемов. Дания и Великобритания зависят от Подключение HVDC к материку, чтобы их системы оставались частью более крупных сетка.

Высокое напряжение постоянного тока

Это может быть более эффективным, чем кондиционер, и технология для твердых Государственные системы HVDC являются относительно новыми. HVDC был первой формой Передача на большие расстояния Эти линии не находятся в конфигурации «сети» которые могут равномерно распределять мощность в сети, но системы HVDC представляют собой единую междугородная линия, соединяющая основные сети. Сети HVDC пересекают Китай, США и Европа, соединяющие основные географические области.HVDC особенно полезно для соединения островов, таких как Великобритания и Япония, так как он может уйти под воды.


Вверху: поперечное сечение сверхпроводящего ленточного провода. Сверхпроводящий провод разработан инженерами специально для данного использования.

Сверхпроводники

Если мы используем сверхпроводящие проводники при сверхнизких температурах, мы можем доставлять электроэнергию по подземным кабелям практически без потерь. К сожалению, эта технология пока не является рентабельной.Короткий экспериментальный линии были введены в Олбани, штат Нью-Йорк и других местах в Японии и Германия.

Беспроводная передача энергии

Можно передавать энергию по беспроводной сети. Никола Однако Tesla и Исследовательская лаборатория General Electric экспериментировали с этим. это непрактично по ряду причин. Это крайне неэффективно проходит через воздух, и это смертельно опасно для таких животных, как птицы проходя через мощные лучи.Вряд ли эта технология когда-либо будет полезен, особенно с учетом того, что мы продвигаемся вперед с HVDC, достижение впечатляющих уровней эффективности.

Тестирование:

Инженеры работали в специальных лабораториях для проверки устойчивости. на освещение, шорты, ЭМИ-бомбардировку. Многие инженеры Эдисона Tech Center, проводивший собеседования на протяжении многих лет, обнаружил, что тестирование достаточно удовлетворительная карьера.

Первый шаг в понимании передачи энергии – это поведение проводов и электромагнетизма.

Узнайте о деталях «трансмиссии» электросети:


Грозовые разрядники
Трансформаторы
Изоляторы
Регуляторы напряжения
Шунтирующие конденсаторы
Провода
Метры

Источники:
Технический центр Джона Д. Хардена-младшего Эдисона.
Интервью с Майком Морлангом. Энергетическая ассоциация Сан-Мигель. 2014
Интервью с Марком Бенцем и Карлом Роснером. Технический центр Эдисона. 2008 г.

Основы электричества | Американская ассоциация государственной энергетики

Что такое электричество?

Люди используют электричество каждый день – для зарядки телефонов, питания компьютеров, включения света, приготовления ужина и заваривания утренней чашки кофе.

Электричество – это поток электрического заряда. Дома, здания и предприятия получают электроэнергию через взаимосвязанную систему, которая генерирует, передает и распределяет электроэнергию, также называемую сетью.

ПОКОЛЕНИЕ : Электричество производится, когда определенные силы (механические, магнитные, тепловые или световые) взаимодействуют с энергоресурсами – солнечным светом, ветром, водой, природным газом, углем, нефтью, ядерной энергией. Различные процессы преобразуют потенциальную энергию этих ресурсов в электрический ток, который представляет собой движение заряженных частиц.

ПЕРЕДАЧА : Электрический ток затем перемещается к группе взаимосвязанных линий электропередач и другому оборудованию. Эти линии перемещают электричество от источника, часто передавая электрический ток высокого напряжения на большие расстояния.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ : Устройства, называемые трансформаторами, затем снижают напряжение электричества и перемещают его на другой набор линий и оборудования, которые подключаются непосредственно к домам и предприятиям в вашем районе.

Какие источники электроэнергии?

Наличие электроэнергии

Некоторые источники энергии можно довольно легко наращивать и уменьшать, в то время как другие должны работать непрерывно. Непрерывно работающие станции также называются «ресурсами базовой нагрузки», а станции, которые используются только при увеличении энергопотребления, называются «промежуточными» или «пиковыми» ресурсами.Возобновляемые источники вырабатывают электроэнергию только при наличии достаточного количества энергии, например, от ветра или солнца, и при отсутствии соответствующих накопительных мощностей считаются «прерывистыми» или «переменными» ресурсами.

Куда едет электричество

Сеть электропередачи в Соединенных Штатах состоит из трех взаимосвязей – больших сетей, которые работают синхронно и тщательно координируются для предотвращения массовых отключений электроэнергии. Эти соединения эффективно устанавливают границы того, где электричество течет через U.С.

Купля-продажа электроэнергии

Поставщики электроэнергии могут продавать электроэнергию, которую они производят или передают, на оптовых рынках электроэнергии. Федеральная комиссия по регулированию энергетики регулирует эту оптовую продажу электроэнергии. Стремясь расширить доступ к передаче для покупателей и продавцов, FERC призвал владельцев инфраструктуры передачи передать операции по передаче электроэнергии региональным передающим организациям, также называемым независимыми системными операторами.Эти RTO / ISO предоставляют услуги по передаче электроэнергии между штатами и управляют оптовыми рынками энергоснабжения. Не во всех регионах страны есть RTO или ISO, и существуют различия в региональных рынках электроснабжения и передачи.

Что такое интеллектуальная сеть?

Интеллектуальная сеть – это развивающаяся сеть линий электропередачи, оборудования, средств управления и технологий, работающих вместе для немедленного реагирования на спрос на электроэнергию.

Узнать больше об электричестве

Прорыв в высоковольтном постоянном токе может стимулировать рост возобновляемой энергии

Томас Эдисон отстаивал постоянный ток, или постоянный ток, как лучший способ подачи электричества, чем переменный или переменный ток. Но изобретатель лампочки проиграл Войну Токов. Несмотря на иногда плачевные усилия Эдисона – в какой-то момент он ударил электрическим током слона в зоопарке Кони-Айленда, пытаясь показать опасность технологии, – переменного тока является основным путем, по которому электричество течет от электростанций к домам и предприятиям повсюду. (Соответствующий тест: «Что вы не знаете об электричестве»)

Но теперь, более чем через столетие после ошибочного трюка Эдисона, округ Колумбия, возможно, получает определенное оправдание.

Обновленная высоковольтная версия постоянного тока, называемая HVDC, рекламируется как метод передачи будущего из-за ее способности передавать ток на очень большие расстояния с меньшими потерями, чем переменный ток.И эта тенденция может быть усилена новым устройством, называемым гибридным выключателем HVDC, которое может позволить использовать постоянный ток в больших электрических сетях, не опасаясь катастрофического сбоя, который мешал технологии в прошлом. (См. Фотографии по теме: «Худшие отключения электроэнергии в мире».)

Швейцарский гигант энергетических технологий и автоматизации ABB, который разработал этот выключатель, говорит, что он может оказаться критически важным для перехода 21 века от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии. использование всего потенциала массивных ветряных электростанций и солнечных электростанций для обеспечения электроэнергией отдаленных городов.

Пока что устройство тестировалось только в лабораториях, но генеральный директор ABB Джо Хоган рекламирует гибридный выключатель постоянного тока высокого напряжения как «новую главу в истории электротехники» и предсказывает, что он сделает возможным развитие «сеть будущего» – то есть массивная сверхэффективная сеть для распределения электроэнергии, которая соединит не только страны, но и несколько континентов. Сторонние эксперты не такие грандиозные, но они все же считают этот прорыв важным прорывом.

«Я поражен потенциалом этого изобретения», – говорит Джон Кассакян, профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института. «Если он работает в больших масштабах и экономичен в использовании, он может стать существенным активом».

На расстоянии

Гибридный выключатель постоянного тока высокого напряжения может ознаменовать новый день для излюбленного Эдисона режима электричества, в котором ток передается в постоянном потоке в одном направлении, а не в прямом и обратном направлении переменного тока.В начале 1890-х годов округ Колумбия проиграл так называемую войну течений в основном из-за проблем с передачей на большие расстояния.

Во времена Эдисона из-за потерь из-за электрического сопротивления не было экономичной технологии, которая позволила бы системам постоянного тока передавать энергию на большие расстояния. Эдисон не видел в этом недостатка, потому что он предполагал, что электростанции будут в каждом районе.

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Но его соперники в новаторскую эпоху электричества, Никола Тесла и Джордж Вестингауз, вместо этого рекламировали AC, который можно было отправлять на большие расстояния с меньшими потерями.Напряжение переменного тока (представьте его аналогом давления в водопроводе) можно легко повышать и понижать с помощью трансформаторов. Это означало, что переменный ток высокого напряжения можно было передавать на большие расстояния до тех пор, пока он не попадал в районы, где он был преобразован в более безопасную электроэнергию низкого напряжения.

Благодаря переменному току дымовые угольные электростанции можно было строить за много миль от домов и офисных зданий, которые они питали. Эта идея победила и стала основой для распространения электроэнергетических систем в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Но развитие технологий в конечном итоге сделало возможным передавать постоянный ток при более высоких напряжениях. Тогда преимущества HVDC стали очевидными. По сравнению с переменным током, HVDC более эффективен – линия HVDC протяженностью в тысячу миль, несущая тысячи мегаватт, может потерять от 6 до 8 процентов своей мощности по сравнению с 12-25 процентами для аналогичной линии переменного тока. А для HVDC потребуется меньше линий на маршруте. Это сделало его более подходящим для мест, где электроэнергия должна передаваться на чрезвычайно большие расстояния от электростанций в городские районы.Он также более эффективен для передачи электроэнергии под водой.

В последние годы такие компании, как ABB и немецкая Siemens, построили ряд крупных проектов передачи HVDC, таких как 940-километровая (584-мильная) линия ABB, которая была введена в эксплуатацию в 2004 году для доставки энергии с огромной китайской гидроэлектростанции «Три ущелья». в провинцию Гуандун на юге. В США компания Siemens впервые установила подводный кабель на 500 киловольт, 65-мильную линию HVDC, чтобы взять дополнительную мощность из энергосистемы Пенсильвании / Нью-Джерси на энергоемкий Лонг-Айленд.(По теме: «Может ли ураган« Сэнди пролить свет на сокращение перебоев в подаче электроэнергии »?»). Самая длинная линия электропередачи в мире, около 2500 километров (1553 мили), строится ABB сейчас в Бразилии: проект HVDC в Рио-Мадейре будет свяжет две новые гидроэлектростанции в Амазонке с Сан-Паулу, главным экономическим центром страны. (Связанные изображения: «Речные люди ждут плотины Амазонки»)

Но все эти проекты предусматривали прямую доставку электроэнергии. Некоторые инженеры начали предвидеть возможность разветвления HVDC на «суперсети».«Разрозненные массивы ветряных электростанций и солнечных установок могут быть объединены в гигантские сети. Благодаря своей стабильности и низким потерям, HVDC может уравновесить естественные колебания возобновляемой энергии так, как никогда не сможет AC. потребность в постоянной мощности базовой нагрузки крупных угольных или атомных электростанций.

Необходимость в выключателе

Однако до сих пор такие решения в области возобновляемых источников энергии сталкивались по крайней мере с одним серьезным препятствием. Гораздо сложнее регулировать сеть постоянного тока , где ток течет непрерывно, чем при переменном токе.«Когда у вас большая сеть, и у вас есть удар молнии в одном месте, вам нужно иметь возможность быстро отключить этот раздел и изолировать проблему, иначе с остальной частью сети могут случиться плохие вещи», например, катастрофическое «отключение электроэнергии», – объясняет технический директор ABB Прит Банерджи. «Но если вы можете быстро отключиться, остальная часть сети может продолжать работать, пока вы устраняете проблему». Вот где могут пригодиться гибридные выключатели HVDC – по сути, невзрачные стойки схем внутри электростанции.Выключатель объединяет в себе ряд механических и электронных устройств отключения, которые перенаправляют скачок тока и затем отключают его. ABB заявляет, что устройство способно остановить выброс, эквивалентный мощности электростанции мощностью один гигаватт, которая могла бы обеспечить электроэнергией 1 миллион домов в США или 2 миллиона домов в Европе, за значительно меньшее время, чем мгновение ока.

Хотя новый выключатель АББ все еще должен пройти испытания на реальных электростанциях, прежде чем он будет признан достаточно надежным для широкого использования, независимые эксперты считают, что он представляет собой шаг вперед по сравнению с предыдущими попытками.(Сименс, конкурент ABB, по сообщениям, также работал над усовершенствованным выключателем постоянного тока высокого напряжения.)

«Я думаю, что этот гибридный подход – очень хороший подход», – говорит Нараин Хингорани, исследователь и консультант в области передачи энергии, который в то же время с Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. «Есть и другие способы сделать то же самое, но их сейчас нет, и они могут быть более дорогими».

Хингорани считает, что гибридные выключатели HVDC могут сыграть важную роль в создании разветвленных сетей HVDC, которые могли бы реализовать потенциал возобновляемых источников энергии.Кабели HVDC могут быть проложены вдоль дна океана для передачи электроэнергии от плавучих ветряных электростанций, которые находятся в десятках миль от берега и вне поля зрения жителей побережья. По словам Хингорани, линии HVDC, оборудованные гибридными выключателями, также будет намного дешевле закопать, чем линии переменного тока, поскольку они требуют меньше изоляции.

Для ветряных электростанций и солнечных установок в регионах Среднего Запада и Скалистых гор кабели HVDC можно прокладывать под землей в экологически уязвимых районах, чтобы не загромождать ландшафт опорами электропередач и воздушными линиями.«До сих пор мы преследовали низко висящие плоды, строя их в местах, где легко подключиться к сети», – объясняет он. «Есть и другие места, где может быть много ветра, но где потребуются годы, чтобы получить разрешения на строительство воздушных линий – если вы вообще сможете их получить, – потому что общественность против».

Другими словами, из-за того, что общество предпочитает держать угольные электростанции вне поля зрения, или из-за желания использовать силу удаленных оффшорных или горных ветров, общество по-прежнему ищет наименее назойливый способ доставки электроэнергии на большие расстояния.Это означает, что по той же причине, по которой Эдисон проиграл Войну течений в конце 19-го века, его постоянный ток может получить возможность (благодаря технологическим достижениям) служить основой более чистой сети 21-го века. (См. Статью по теме: «Энергосистема 21-го века: можем ли мы исправить инфраструктуру, которая питает нашу жизнь?»)

Эта история является частью специальной серии , в которой исследуются вопросы энергетики. Для получения дополнительной информации посетите The Great Energy Challenge .

Примечание редактора: в более ранней версии этой истории неверно говорилось, что достижения в технологии трансформаторов сделали возможным передавать постоянный ток на большие расстояния при высоком напряжении. История теперь отражает то, что это стало возможным благодаря другим технологическим достижениям, а не усовершенствованиям трансформаторов. Определения напряжения и переменного тока также были изменены для ясности.

Передача электроэнергии – обзор

2 Изменчивость, неопределенность и гибкость в распределительных сетях

Системы передачи и распределения электроэнергии формально различаются по уровню напряжения, но имеют существенные различия в конструкции и работе.Эти различия объясняют разнообразие проблем, возникающих в контексте интеграции возобновляемых источников энергии, а также историческое отставание распределения от систем передачи с точки зрения наблюдаемости и сложности измерений. Вообще говоря, системы распределения имеют тенденцию быть низкотехнологичными, устаревающими и нуждающимися в модернизации [2–4].

Архитектура : Для экономии и простоты защиты распределительные системы обычно располагаются радиально, с устаревшим оборудованием, спроектированным с учетом однонаправленного потока мощности от подстанции к нагрузкам.Хотя радиальная конструкция в принципе проще в эксплуатации, она также несет в себе недостатки: когда распределенная генерация вводит обратный поток мощности, некоторые старые элементы управления могут работать со сбоями. Кроме того, радиальная конструкция затрудняет математическую оценку рабочего состояния, поскольку оценка напряжений и токов в одном узле не может быть подтверждена оценками в соседних узлах. В распределительных системах также намного больше узлов или точек разветвления, чем в сетях передачи, потому что каждый вторичный трансформатор представляет собой шину нагрузки.При гораздо большем количестве узлов, чем точек измерения, и без данных интеллектуального счетчика, доступных в режиме, близком к реальному времени, становится очень трудно выполнить оценку состояния, аналогичную тому, что обычно делается на уровне передачи. Традиционные операции по распределению никогда не требовали такого уровня анализа, но неопределенности, вносимые разнообразными распределенными ресурсами, делают все более важной оценку фактического рабочего состояния системы.

Вариант : В локальном масштабе мы теряем статистические эффекты агрегирования множества потребителей, которые предполагаются при анализе уровня передачи.Следовательно, существует больше вариаций как во времени, так и в пространстве. Кривая продолжительности нагрузки более «пиковая» для отдельного распределительного фидера, чем для всей территории обслуживания, и темпы линейного изменения в процентах от нагрузки могут быть намного круче. Кроме того, фазовые дисбалансы гораздо более значительны, часто в пределах десятков процентов, что делает необходимым рассматривать все три фазы по отдельности. (Обратите внимание, что распределительные линии не транспонированы, как линии передачи, поэтому три импеданса также не равны.) Вариация также означает, что более важны местные особенности, такие как типы нагрузки и топография: нет двух абсолютно одинаковых распределительных фидеров, и может быть трудно экстраполировать аналитические результаты из одной области в другую. Это подчеркивает необходимость тщательного мониторинга отдельных распределительных цепей по мере увеличения уровня проникновения активных компонентов.

Воздействие : Близость ко многим типам опасностей (флора, фауна и деятельность человека) означает большую подверженность и уязвимость для распределительных цепей: неудивительно, что большинство отключений потребителей происходит в распределительной системе.С любым количеством локальных факторов, влияющих на распределение, но без резервных путей поставки, операции распределения часто вращаются вокруг процедур переключения, таких как изоляция секций или восстановление обслуживания клиентов как можно безопаснее и быстрее. Одно из выводов состоит в том, что повышение надежности распределения – вероятная область для получения первых выгод от расширенного мониторинга. Подверженность стихийным бедствиям и действиям многих людей также означает более высокую степень неопределенности в распределительных операциях, в то время как эксплуатационные ошибки и неисправности представляют непосредственный и физический риск.

Непрозрачность : Исторически операторы распределения полагались на полевые бригады как на свои глаза и уши, чтобы сообщать о состоянии системы. Несмотря на растущее распространение диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), по-прежнему часто необходимо отправить кого-нибудь в грузовике, чтобы проверить, например, открыт ли переключатель или замкнут, или определить местонахождение вышедшей из строя линии. Это имеет важные практические последствия, но также представляет собой аналитическую проблему: хотя расчет потока мощности в сетях передачи предполагает, что топология сети и физические характеристики всех ветвей точно известны, такая информация, как правило, не может быть надежно доступна для распределительных цепей.

Были разработаны и внедрены различные инструменты для обеспечения операций распределения и планирования с более подробной и своевременной информацией. Даже в этом случае создание ситуационной осведомленности из разрозненных потоков данных остается проблемой. Схемные модели, если они доступны, могут быть основаны на ненадежных исходных данных и сомнительных предположениях. Физические измерения в полевых условиях остаются ограничивающим фактором для анализа, людей-операторов и автоматизированных систем управления.

Отсутствие видимости систем распределения следует из простой экономики: никогда не было острой необходимости в оправдании значительных инвестиций в измерительное оборудование и средства связи.Даже с учетом растущей потребности в возможностях мониторинга затраты должны быть намного ниже, чтобы иметь экономическое обоснование для измерительных устройств в распределительной цепи по сравнению с настройкой передачи.

Возможно, время для такого бизнес-кейса быстро приближается. Распределенные энергетические ресурсы начинают создавать как проблемы, так и возможности для активного управления распределительными цепями. Как обсуждалось в другом месте этого тома, возобновляемые и другие нетрадиционные ресурсы создают потребность в координации с более высоким разрешением как в пространстве, так и во времени, от защиты до регулирования напряжения и других вопросов качества электроэнергии.Они также представляют собой новое меню опций для функций поддержки сети, таких как оптимизация вольта-VAR, хранение энергии в любых временных масштабах от циклов до часов или даже преднамеренное изолирование. Как с точки зрения предотвращения неблагоприятных воздействий на потребителя, так и с точки зрения оптимального использования новых ресурсов требуется повышенная гибкость в работе распределительных цепей. Однако, учитывая особую насыщенность данных распределительных цепей, это означает, что для принятия разумных и экономичных решений потребуется больше, лучше и быстрее получать информацию от подстанции.В этой главе предлагается возможность того, что мониторинг и управление распределительной системой может пропустить поколение SCADA, разработанное для систем передачи, и перейти прямо в двадцать первый век, к современному уровню техники переменного тока. измерение.

Виды тока в физике | Примеры электрического тока – видео и стенограмма урока

Типы электрического тока

Существует два типа тока, каждый из которых имеет свое уникальное применение. Это:

  • Постоянный ток
  • Переменный ток

Постоянный ток – это ток, который имеет фиксированную величину и направление.Чистый поток электронов в постоянном токе происходит в фиксированном направлении от отрицательного к положительному полюсу приложенного напряжения. С другой стороны, переменный ток имеет изменяющиеся во времени величину и направление. При переменном токе направление чистого потока электронов меняется несколько раз в секунду.

Что такое постоянный ток (DC)?

Чтобы лучше понять, что такое постоянный ток, рассмотрим лампочку, которая светится при подключении к батарее. Пусть аккумулятор приложит разность потенциалов {eq} V = 6 \: volts {/ eq}, а внутреннее сопротивление лампы будет {eq} R = 2 \: ohms {/ eq}.

Тогда постоянный ток через лампочку, когда она подключена к батарее, определяется выражением

{eq} \ mathrm {I_ {DC} = \ frac {V} {R} = \ frac {6} {2} = 3 \: A} {/ eq}

постоянного тока течет через цепь с той же величиной и в том же направлении.

Ток {eq} \ mathrm {I_ {DC}} {/ eq} течет от положительной клеммы батареи к отрицательной клемме батареи, и его значение является постоянным.Таким образом, этот постоянный ток не имеет изменяющихся во времени величины и направления. График зависимости {eq} \ mathrm {I_ {DC}} {/ eq} от времени представляет собой прямую линию, параллельную оси времени. График зависимости постоянного тока от времени для лампы представлен ниже:

Величина и направление постоянного тока остаются постоянными со временем.

Применение DC

Источники постоянного тока находят множество применений в повседневной деятельности.Вот некоторые из них:

  • Батареи, которые используются в нескольких устройствах, таких как часы, калькуляторы и часы, могут использовать только постоянный ток для хранения энергии.
  • Практически все электронные устройства работают на транзисторах, и эти транзисторы могут работать только на постоянном токе.
  • Хотя постоянный ток обычно не используется в обычных линиях электропередачи, постоянный ток можно эффективно использовать для передачи электроэнергии на чрезвычайно большие расстояния с использованием передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC).

Что такое переменный ток (AC)?

Переменный ток – это изменяющаяся во времени функция, которую можно представить следующим выражением:

{eq} \ mathrm {I_ {AC} = I_ {0} \, sin (f \, t)} {/ eq }

Здесь {eq} \ mathrm {I_ {AC}} {/ eq} – это переменный ток в момент времени {eq} \ mathrm {t} {/ eq}.

График зависимости переменного тока от времени представлен ниже:

Величина и направление переменного тока периодически меняются со временем.

Как показано на рисунке, переменный ток варьируется от {eq} \ mathrm {I_ {0}} {/ eq} до {eq} \ mathrm {-I_ {0}} {/ eq}. Таким образом, максимальная величина {eq} \ mathrm {I_ {AC}} {/ eq} равна {eq} \ mathrm {I_ {0}} {/ eq}, что называется амплитудой функции переменного тока.

Время, затрачиваемое функцией переменного тока на один полный цикл, называется ее периодом времени; на рисунке это выражается как {eq} \ mathrm {T} {/ eq}.Кроме того, длина волны тока от впадины до впадины (или от пика до пика) называется длиной волны, а количество циклов, которые ток завершает в секунду, называется частотой (f). Период времени и частота обратно пропорциональны друг другу, то есть

{eq} \ mathrm {T = \ frac {1} {f}} {/ eq}

Таким образом, величина переменного тока изменяется в пределах {eq } \ mathrm {I_ {0}} {/ eq} и {eq} \ mathrm {-I_ {0}} {/ eq} с периодом времени {eq} \ mathrm {T} {/ eq} и частотой {eq } \ mathrm {f} {/ eq}, и его направление меняется с положительного на отрицательное каждые полупериод.Стандартная частота переменного тока, которая подается в различные сектора, колеблется в пределах 50-60 Гц, в зависимости от страны. Частота переменного тока в США составляет 60 Гц.

Применение переменного тока

Переменный ток так же важен и полезен, как и постоянный. Некоторые из его применений:

  • переменного тока используется для передачи электроэнергии от электростанций в домохозяйства, поскольку его можно легко и недорого модифицировать для обеспечения минимальных потерь мощности во время передачи.
  • Розетки
  • переменного тока используются для зарядки аккумуляторных батарей, которые широко используются в фотоаппаратах, мобильных телефонах и цифровых часах.
  • Большинство бытовых приборов, таких как микроволновые печи, индукционные плиты, компьютеры и ноутбуки, должны быть подключены к розеткам переменного тока, чтобы они потребляли ток.

Сравнение переменного и постоянного тока

Два типа тока, переменного и постоянного, имеют свои преимущества и недостатки. Рассмотрим таблицу ниже, в которой сравниваются различные аспекты переменного и постоянного тока.

Переменный ток (AC) Постоянный ток (DC)
Величина и направление переменного тока меняются со временем. Величина и направление постоянного тока постоянны и не меняются со временем.
Переменному току соответствует определенная частота, в соответствии с которой он меняет свое направление со временем. DC не имеет связанной частоты, поскольку его величина и направление фиксированы.
Переменный ток используется в линиях электропередачи, так как это простой и недорогой способ передавать переменный ток на большие расстояния с низкими потерями мощности. DC обычно не используется в линиях электропередачи, поскольку он относительно дороже, чем использование переменного тока.
Большинство бытовых приборов необходимо подключать к розеткам переменного тока, чтобы они могли потреблять ток и работать. Несколько бытовых приборов, подключенных к розеткам переменного тока, преобразуют переменный ток в постоянный во внутренних цепях.
Некоторые промышленные машины (например, заводские динамо-машины), подключенные к электросетям, напрямую используют переменный ток. DC может эффективно использоваться для передачи электроэнергии на чрезвычайно большие расстояния посредством передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC).

Как ток течет в проводниках

Твердые проводники, такие как металлы, содержат определенное количество электронов, которые по существу могут свободно перемещаться по поверхности проводника.Когда проводник находится сам по себе, свободные электроны внутри него совершают случайное, хаотическое зигзагообразное движение. В то время как все свободные электроны движутся, их случайные движения во всех направлениях компенсируют друг друга, в результате чего нет чистого потока электронов.

Однако, когда внешний источник напряжения подключен к проводнику и на концах проводника возникает разность потенциалов, свободные электроны демонстрируют чистый поток или чистый дрейф электронов к положительному выводу приложенного напряжения, в результате чего возникает ток внутри дирижер.{8} \: м / с {/ экв}). С другой стороны, реальный дрейф электронов относительно намного медленнее. Интересно, что обычное направление потока тока считается противоположным направлению чистого потока электронов. Электрический ток, протекающий в этом условном направлении, называется условным током .

Для протекания электрического тока в проводниках должны быть выполнены следующие условия:

  • Должен быть достаточный запас свободных электронов, которые могут течь внутри проводника.
  • На свободные электроны следует подавать соответствующий толчок, чтобы они могли демонстрировать требуемый дрейф в одном направлении (это внешнее приложенное напряжение).
  • Должен быть правильно замкнутый путь в виде электрической цепи.

Электрический ток в жидкостях, газах и полупроводниках

Хотя электрический ток во всех типах веществ возникает из-за потока заряженных частиц, конкретный механизм и тип электрического тока в жидкостях, газах и полупроводниках отличаются от таковых в жидкостях, газах и полупроводниках. сплошные проводники.

Электрический ток в жидкостях

В жидкостях протекание тока происходит из-за движения положительно заряженных и отрицательно заряженных ионов . Ионы – это атомы, которые не имеют равного количества положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов, что приводит к чистому несбалансированному заряду на них. Жидкости, в которых есть свободные ионы, могут проводить электричество под действием внешнего напряжения, подключенного через замкнутую цепь.

Это известный факт, что вода и электричество плохо сочетаются друг с другом; незакрепленные открытые электрические провода в воде могут привести к поражению электрическим током любого человека, прикоснувшегося к этой воде.Однако чистая вода сама по себе является плохим проводником электричества. Способность природной воды проводить электричество обусловлена ​​наличием в ней различных растворенных солей и минералов, которые способствуют образованию ионов.

Электрический ток в газах

Газы сами по себе не обладают способностью проводить электричество, поскольку они не содержат свободных заряженных частиц. Чтобы газы проводили электрический ток, требуется процесс, называемый ионизация .Ионизация – это процесс принудительного удаления электрона из атома, в результате чего образуется ион и свободный электрон. Поток ионов и свободных электронов, полученный после ионизации молекул газа, приводит к протеканию электрического тока в газах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники – это по существу чистые материалы, которые были легированы определенными примесями для увеличения их проводимости. В зависимости от легирующей примеси полупроводники бывают двух типов: p-типа и n-типа , которые содержат дырок, и электронов, в качестве токонесущих частиц, соответственно.

Краткое содержание урока

Электрический ток в проводниках возникает из-за потока свободных электронов под действием приложенного извне напряжения. Единица измерения электрического тока в системе СИ – Ампер (А). Существует два типа электрического тока, протекающего по проводникам:

  • Постоянный ток или Постоянный ток – Он имеет фиксированную величину и направление.
  • Переменный ток или Переменный ток – Он имеет изменяющиеся во времени величину и направление.

Источники постоянного тока – это батареи и транзисторы, которые используются в некоторых бытовых и электронных приборах. Розетки в домах и офисах подают переменный ток стандартной частоты для данной страны.

Обычный ток в проводниках течет в направлении, противоположном направлению потока свободных электронов. В отличие от проводников, электрический ток в жидкостях возникает из-за потока положительно и отрицательно заряженных ионов .В газах электрический ток возникает за счет ионов и свободных электронов, полученных после ионизации газа. В полупроводниках электрический ток возникает из-за дырок в полупроводниках p-типа и электронов в полупроводниках n-типа .

Powering A Generation: Передача электроэнергии

Перемещение и использование электронов

Генерация электронов только первая шаг в процессе подачи электроэнергии, они должны быть отправлены в конечные пользователи.В электроэнергетике обычно различают два этапа. этого транспортного процесса. «Передача» и «Распределение» использовать похожие технологии, но есть явные различия, обычно связанные величине электрического тока.

Трансмиссия

Передача относится к перемещению больших токов по сеточные системы, которые могут охватывать континенты. От генератора электроны летят небольшое расстояние до ближайшей передающей станции, где повышено напряжение до высоких уровней с трансформатором.Затем мощность отправляется в сеть. состоящий из толстых тросов, поддерживаемых высокими башнями. Сеть передачи который соединяет генераторы друг с другом и с подстанциями, где напряжение сокращается для распространения.

Сети транспортные системы. А Высоковольтная передающая сеть – это, по сути, межгосударственный переход для электронов. Номинальные параметры от 115 кВ до 765 кВ (самая большая линия в настоящее время в эксплуатации), они дороги. строить и поддерживать, и приобретение полосы отвода становится все более сложно.Однако они необходимы для эффективного обмена мощности между коммунальными предприятиями. (Изображение показывает Пенсильванию и New Jersey Interconnection, SI отрицательный № 80-16516)

Разрешение на присоединение утилита для распространения своих генерирующих установок на обширной территории и обеспечения региональное резервное копирование в случае проблем на данном предприятии. Многие утилиты связаны во взаимосвязь, позволяя каждому полагаться на других. Вместо отдельных коммунальных предприятий, которым приходится строить дополнительные генераторы, чтобы покрыть рутинную работу или аварийного отключения, они могут легко покупать электроэнергию друг у друга, необходимо через соединение.

Отключение электроэнергии

Конечно, высокий уровень системы интеграция может привести к проблемам, так как жители Запада США и Канады обнаружил в августе 1996 года. Серия неудач в период тяжелых спрос на электроэнергию привел к домино-каскаду, по мере того как завод за заводом отключен от сети, чтобы избежать повреждения оборудования.

Одна из причин, по которой линии электропередачи проложены так высоко над землей, по мере того, как через линии, ее температура повышается, и она расширяется (или «проседает»).1996 год Блэкаут был начат из-за провисания линии электропередачи в ветку дерева. и короткое замыкание. Поскольку ток был перенаправлен на альтернативные линии, некоторые из них тоже провисал в деревья. Через несколько минут большая часть запада была отключена.

Расширение и сжатие со временем может привести к износу лески. Линии передачи сталкиваются с другими напряжениями как хорошо; ветер и погода берут свое. Даже солнце может разрушить системы передачи, поскольку солнечные вспышки вызывают большие токи в сетях.

Несмотря на размер оборудования и на покрытой площади эти системы могут быть удивительно хрупкими.Генераторы подключенные к общей сети, должны поддерживаться в синхронном режиме для поддержания частота 60 Гц. Поскольку электричество нельзя хранить, сети должны оставаться постоянно находится под напряжением для удовлетворения потребительского спроса. Также количество мощности генерируемая сумма должна оставаться близкой к требуемой в любой момент времени. Нестабильность в системе, если ее не исправить, может привести к ее разрушению и затемнение.

В определенной степени системы передачи являются заложниками основных законов физики. Обычно есть несколько маршрутов между любыми двумя заданными точками в системе, чтобы обеспечить объезд в в случае возникновения проблемы.Электричество будет проходить по разным путям между двумя точек и даже может течь по системам в виде «петель». Это может привести к нестабильности системы и нагрузке на некоторые линии электропередачи. больше, чем другие.

HVDC И подземные кабели

Большинство систем передачи работают с Переменный ток, который можно экономично передавать по длинным дистанционные линии. Используются линии постоянного тока высокого напряжения или HVDC. в некоторых установках с 1960-х гг.Эти системы конвертируют сгенерированные Переменный ток в постоянный для передачи и обратно в переменный ток для распределения конечным пользователям. Из-за эффектов, проистекающих из фундаментальной природы переменного тока, он может создавать головная боль для инженеров, а DC – нет. Использование HVDC решает проблему синхронизации на частоте 60 Гц, например, поскольку постоянный ток не имеет частоты.

По мере роста спроса на электроэнергию и превращения сельских районов в городские и пригородов, энергетические компании сталкиваются с все более жесткой оппозицией на строительство магистральных линий электропередачи.Хотя исследования рисков для здоровья и электромагнитные поля неубедительны, возможность подсказала опасения по поводу расширения энергетической инфраструктуры.

Коммунальные предприятия пытаются модернизировать существующие линии для работы с большей пропускной способностью сталкиваются с огромными расходами. Более тяжелые кабели требуют более мощных опор и более высоких напряжения требуют более высоких опор и большего пространства между линиями. Натыкаясь на Линия от 115 кВ до 230 кВ может стоить полмиллиона долларов за милю на один смета, в которую не входят затраты на модернизацию подстанций к более высокому напряжению.

Очевидной альтернативой было закопать линии электропередач под землей , и в некоторых областях это было сделано. Подземные системы еще больше однако дороже в установке, чем башни, и эти линии страдают от гораздо больше теплового стресса, чем линии, которые могут передавать тепло воздуху. Эдисона В инсталляции на Перл-стрит использовались линии метро, ​​но улицы разрушались. Прокладка проводов была медленным и сложным процессом в 1880-х годах, и это не так уж и много. теперь проще.

Беспроводная связь Мощность

Пока технологические усовершенствования в производство электроэнергии открыло путь для конкуренции, передачи (и распределение) по-прежнему считаются “естественным монополии ». Несмотря на эксперименты с« беспроводной передачей » власти, такие как те, которые провел несколько десятилетий назад Никола Тесла, нет нового метода передачи и распределения электронов еще не альтернатива кабелям, вышкам и подстанциям.

Одно нововведение, которое помогло телекоммуникационной отрасли к дерегулированию была коммерциализация от Microwave Communication Inc. (MCI), нового способа передачи на большие расстояния Сообщения. Их микроволновая релейная система позволила MCI обойти AT&T. система проводов. В электроэнергетике пока нет этой технологической вариант, поэтому вопросы доступа и обслуживания линий электропередачи решаются регулируется деловыми соглашениями и законодательством.

Автоматизация

Компьютеризация происходит в все аспекты отрасли, от проектирования оборудования до анализа потребителей использовать шаблоны.Одним из важных применений автоматизации было улучшение мониторинга и контролировать качество электроэнергии в передающих сетях. Как утилиты отправляют больше мощности через сетки и поля для уменьшения ошибок, быстрая точная информация о работоспособности и состоянии нагрузки сетей становится еще более важным.

В соответствии с недавними постановлениями Федеральной комиссии по регулированию энергетики, коммунальные службы дорабатывают системы под названием “OASIS” или открытый доступ Одновременная информационная система. Эти системы позволяют всем заинтересованным силам компании для мониторинга состояния сетей передачи независимо от кто владеет этой сетью.Он был специально направлен на то, чтобы быть доступным в Интернете, так что информация доступна в режиме реального времени.

Распределение

Раздача, на первый взгляд, кажется во многом то же самое, что и передача, и в определенной степени это так. Когда сила исходит из передающей подстанции, она направляется в подсети с напряжение от 69кв до 138кв. Когда электроны движутся дальше вниз В системе напряжение падает ниже 69 кВ и направляется в различные местные подстанции и трансформаторы.Конечное распределенное напряжение зависит от требования конечного пользователя; большинство домов в США и Европе снабжены около 240 В, хотя в США он используется в большинстве цепей на 120 В.

Метров

Нравится системы передачи, системы распределения полагаются на кабели, столбы и подстанции – они просто работают при более низком напряжении. Основное отличие состоит в том, что электричество потребляется в конце распределительной цепи. Использует может диапазон от нагрева пищи до освещения офисов и сварочного тяжелого оборудования; разные классы конечных пользователей имеют разные потребности и разные модели использования.Последний шаг в распределительной системе коммунального предприятия – счетчик.

В то время как электросчетчики были более 100 лет (Эдисон изобрел одну для своей системы освещения), они редко предоставляли много информации. Обычно это простая мера количество потребляемой электроэнергии. Последние разработки позволяют поставщиков электроэнергии для сбора более подробной информации от счетчики нового поколения.
(Здесь показан многофазный ватт-часметр Томпсона, ок.1930 г., из собрания Национального музея. американской истории, SI отрицательный № 38,970e).

НИАЛМС

Использование бытовой техники можно контролировать путем анализа потока мощности на электросчетчике. Двигатели и техника изменяют потоки мощности при их запуске и остановке, а Non-Intrusive Appliance Система мониторинга нагрузки (NIALMS) может распознавать определенные устройства из их влияние на потоки мощности. «Умный» счетчик может отслеживать закономерности использования и автоматически передать эту информацию в утилиту.

Использование этой техники для детализации счетов и показать домовладельцам, какие бытовые приборы потребляют много энергии, было бы одним из основных выгода. Дорогие энергосберегающие приборы могут оказаться непростыми задачами. если покупатель не видит потенциальной экономии. Как больше электрических устройств выйти на рынок либо для удовлетворения нового спроса (персональные компьютеры), либо для замены технологии на ископаемом топливе (электромобили) больше потребителей могут почувствовать потребность чтобы точно отслеживать, куда идет их электричество.

Спрос Управление

Коммунальные предприятия использовали “Demand Side” Методы управления »или« DSM »с потребителями с тех пор, как начала 1980-х годов, чтобы контролировать рост спроса, тем самым отсрочив необходимость строительства новых растения.Для мониторинга можно оборудовать крупногабаритное промышленное оборудование. и контролировать время использования. В магазинах можно приобрести эффективные люминесцентные установки. Компании были привлечены к участию в DSM за счет поощрительных цен. и экономией на электроэнергии. Коммунальные предприятия могут потреблять сэкономленную электроэнергию и продать его новому покупателю, тем самым замедляя рост спроса.

Дома используют широкий ассортимент бытовой техники, большинство из них относительно дешевы и не потребляют много энергии. Жилой DSM был в основном нацелен на программы по утеплению и компактным флуоресцентным лампам. лампы.Отсутствие достоверных данных затрудняет измерение эффекта жилищных программ DSM. Это еще один стимул ставить смарт метров.

Использование Электроны

Как правило, существует три основных типа потребителей электроэнергии: бытовых, коммерческих и промышленных. Муниципальный такие функции, как уличное освещение и электрифицированный общественный транспорт обычно считаются отдельной группой, но составляют лишь небольшой процент от общего использования электроэнергии.У каждой группы потребителей электроэнергии разные шаблоны использования и различные потребности.

Промышленные пользователи

Промышленное Опытным пользователям требуется высокое напряжение и много ампер для выполнения операций обработки. Часть их мощности уходит на функции с более низким напряжением, такие как освещение и питание офисного оборудования, но по мере того, как стандарты качества воздуха становятся более строгими и компьютеризированные средства управления более функциональными, электрифицированные производственные линии становятся более привлекательный. Например, печи, которые могли использовать ископаемое топливо. в предыдущие эпохи теперь электрифицированы. (Показана электрическая печь сопротивления, используемая для остекловывания внутренних стен водонагревателей, ок. 1985. Авторское право Hydro-Québec)

Спрос промышленного заказчика может быть очень стабильным, если компания работает в три смены. А потеря мощности может полностью остановить установку. Поскольку во многих отраслях промышленности технологический пар, они являются главными кандидатами для проектов когенерации.

Коммерческий Пользователи

Опытные коммерческие пользователи, включая офис здания и магазины розничной торговли.Эти потребители, как правило, используют половину их электроэнергии, чтобы сделать свет. Это стимулировало интенсивные усилия по разрабатывать и продвигать энергоэффективное освещение для коммерческого использования во время 1970-е и 80-е годы. Жесткие экономические условия вынуждали бизнес бороться за все, что могло сократить расходы, и многие смотрели новые осветительные установки как хорошие вложения.

Если данный бизнес не действует 24 часа в сутки потребление энергии будет сильно варьироваться в течение день; обычно достигает своего пика ближе к вечеру.Растущее использование компьютеров создал понимание контроля качества электроэнергии. Очень небольшие колебания потока мощности могут вызвать серьезные проблемы для производители микроэлектроники и электроэнергии должны решить эту проблему. Отключение электроэнергии для некоторых из этих клиентов (больниц и аэропортов, для экземпляр) может быть опасным для жизни, поэтому многие используют резервные генераторы на месте.

Жилая Пользователи

Бытовые потребители используют большую часть своих электричество для охлаждения и климат-контроля.По отдельности они используют далеки от того количества энергии, которое использует данный магазин или фабрика, но огромное количество домов и квартир в совокупности используется в огромных количествах. Бытовые потребители склонны придавать большее значение покупной цене. электрического устройства, а не стоимости жизненного цикла. Это ведет к покупка электрически неэффективного оборудования.

Энергопотребление в жилых помещениях варьируется в зависимости от в течение дня, с пиковым спросом, как правило, утром и рано вечером.

Грузы & Вместимость

С начала этого века коммунальные службы Были обеспокоены двумя цифрами: пиковой нагрузкой и коэффициентом загрузки. “Пик Нагрузка »- это просто наивысший уровень спроса на электроэнергию в данном промежуток времени, обычно день или год. «Коэффициент нагрузки» – это разница между средним спросом и пиковым спросом в данный момент времени.

В то время как низкий коэффициент нагрузки – это плохо, высокий коэффициент загрузки не обязательно хороший. Оборудование требует регулярного обслуживания, и случаются сбои.У поставщика электроэнергии должна быть достаточная «резервная маржа». освещать эти события. Здесь подключаются к другим утилитам может пригодиться, так как покупательная способность у соседа может быть дешевле чем строительство редко используемого завода.

Поставщики электроэнергии должны быть в состоянии удовлетворить общий потребительский спрос в любое время за счет создания (или покупки) достаточной «мощности» для удовлетворения потенциальных пиковых нагрузок. Однако спрос редко бывает на пике, что означает это оборудование может простаивать, а простаивающее оборудование не приносит дохода.Уловка состоит в том, чтобы получить правильное сочетание оборудования с базовой нагрузкой. (дорого купить, но дешево в эксплуатации), который покрывает нормальный спрос, и “Пик Загрузите оборудование (дешевле купить, но дорого в эксплуатации), которое может быть зажигаются в короткие сроки по мере необходимости.

Необходимо представить последнюю загрузку: «Диверсифицированная нагрузка». Операторы первых электростанций быстро поняли что им нужно продавать электроэнергию не только для электрического освещения. Немного люди использовали электрические лампы в течение дня, поэтому генераторы просто сидели в светлое время суток.Что было нужно, так это рынки которые потребляли бы электроэнергию в течение дня (и мало, если вообще использовали бы ночью), чтобы чтобы сбалансировать спрос. Это большая причина, по которой электрические трамваи привлекали интерес. Производители электроэнергии пытаются сбалансировать свою клиентскую базу, чтобы спрос от разных пользователей будут пиковыми в разное время, что позволяет более эффективно использование оборудования.

линий передачи: проблемы, связанные с линиями передачи высокого напряжения постоянного тока вдоль транспортного коридора

Электричество играет ключевую роль в национальной экономике и повседневной жизни многих американцев, обеспечивая электроэнергию дома, предприятия и промышленность.Сегодня разветвленная система, состоящая из более чем 150 000 миль высоковольтных линий электропередачи, обеспечивает надежную подачу электроэнергии и транспортировку электроэнергии от электростанций к потребителям. Федеральные и государственные органы разделяют ответственность за регулирование электроэнергетической системы. На федеральном уровне Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) регулирует межгосударственную передачу электроэнергии и оптовые тарифы, а также другие регулирующие действия. Комиссии государственных коммунальных предприятий, как правило, несут ответственность за регулирование розничных продаж электроэнергии и, в некоторых случаях, за планирование новых электростанций и линий электропередачи.Однако, как показали исследования, рост спроса на электроэнергию вызвал нагрузку на систему электропередачи страны, что привело к снижению гибкости в реагировании на системные проблемы и повышенному риску потенциальных отключений. Эти проблемы заставили некоторых предположить, что могут потребоваться новые линии или другие инвестиции в систему передачи для увеличения пропускной способности и удовлетворения растущего спроса на электроэнергию. Несколько компаний недавно представили предложения по строительству новых линий электропередачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC).Некоторые из этих предложенных линий будут следовать активным полосам проезда, например, по железным дорогам, автомагистралям и трубопроводам. Некоторые заинтересованные стороны выразили обеспокоенность по поводу потенциальных экономических проблем, вопросов безопасности и защиты, связанных с размещением новых линий электропередачи постоянного тока постоянного тока вдоль полосы проезда, особенно для жителей и потребителей электроэнергии поблизости. Учитывая эти проблемы, Конгресс включил положение в Рекомендации по реализации Закона о комиссии по терактам 11 сентября 2007 года, требующее от нас оценки размещения линий электропередачи постоянного тока высокого напряжения вдоль действующей железной дороги и других транспортных участков и отчитываться перед соответствующими комитетами Конгресса.В ответ на это требование и после обсуждений с комитетами мы изучили (1) роль федерального правительства в размещении линий электропередачи HVDC вдоль активных полос проезда, (2) преимущества и недостатки добавления линий электропередачи и использования технологии HVDC. и (3) преимущества и риски, связанные с размещением линий электропередачи постоянного тока высокого напряжения вдоль активных полос проезда.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.