Электрическое напряжение | Частная школа. 8 класс
Конспект по физике для 8 класса «Электрическое напряжение». Что такое напряжение. Каковы единицы напряжения. Какой прибор используют для измерения напряжения в цепи.
Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике
При подключении лампочки (или какого-либо другого потребителя) к источнику тока в цепи возникает электрическое поле. Оно действует на заряженные частицы с некоторой электрической силой, под действием которой начинается их упорядоченное движение. Возникает электрический ток. При этом при движении зарядов в электрическом поле совершается определённая работа.
РАБОТА ТОКА
Пусть под действием электрической силы Fэл частица с зарядом q переместилась по проводнику из одной точки в другую. Говорят, что при этом электрическая сила совершила некоторую работу Аэл.
В механике мы говорили о том, что механическая работа совершается тогда, когда тело под действием некоторой силы перемещается.
При рассмотрении электрических явлений также вводится понятие работы, но здесь речь идёт уже о перемещении электрического заряда. Электрическая сила, действующая на заряд, возникает только при наличии электрического поля.
Работу электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока.
Поскольку действие тока зависит от силы тока в цепи, значит, его работа также должна зависеть от силы тока или от перемещённого заряда.
Нетрудно представить, что электрический ток подобен потоку воды в шланге. Если удерживать оба конца шланга на одном уровне, то никакого течения воды не будет. Если же один из концов опустить вниз, то вода потечёт с более высокого уровня на низкий. Разность уровней воды аналогична напряжению источника тока. Чем выше напряжение (чем больше разница в уровнях воды), тем больше сила тока в цепи (тем быстрее движется вода в шланге).
Понятие работы в физике неразрывно связано с понятием энергии. При совершении работы всегда происходят изменения и превращения энергии. Изученные ранее действия электрического тока на самом деле обусловлены работой тока. При этом происходит превращение энергии движущихся зарядов в другие виды энергии.
Соберём две электрические цепи, содержащие одинаковые по назначению элементы. В первой цепи потребителем электрической энергии является лампочка от карманного фонаря, а в качестве источника тока используется обычная батарейка. Во второй цепи потребитель — бытовая осветительная лампа, подключённая к аккумулятору. Амперметры, включённые в эти цепи, показывают одинаковую силу тока. Но одинаковым ли будет при этом действие тока в каждой цепи? Опыт показывает: лампа, включённая в цепь, источником тока которой является аккумулятор, даёт гораздо больше тепла и света, чем лампочка от карманного фонаря.
Поскольку при одной и той же силе тока его тепловое действие было различным, значит, и работа тока в этих цепях различна. Следовательно, работа тока зависит также от другой его характеристики.
Эту новую физическую величину называют электрическим напряжением. Напряжение, которое создаёт батарейка, значительно меньше напряжения аккумулятора. Именно поэтому при одной и той же силе тока лампа, соединённая с батарейкой, даёт меньше света и тепла.
НАПРЯЖЕНИЕ
Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного электрического заряда из одной точки в другую, и обозначают буквой U.
Напряжение равно отношению работы электрических сил Аэл к заряду q, который перемещается из одной точки в другую: U = Аэл/q.
ЕДИНИЦЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Единица электрического напряжения называют вольтом в честь итальянского учёного Алессандро Вольта, создавшего первый гальванический элемент.
За единицу напряжения принимают такое электрическое напряжение на концах проводника, при котором работа по перемещению электрического заряда в 1 Кл по этому проводнику равна 1 Дж:
1 В = 1 Дж/Кл.
ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
Прибор, с помощью которого измеряют напряжение на полюсах источника тока или на каком-либо участке цепи, называют вольтметром. По внешнему виду и устройству вольтметр очень похож на гальванометр и амперметр. На шкале вольтметра ставят букву V.
При измерении напряжения зажимы вольтметра подключают к тем точкам цепи, между которыми надо измерить напряжение. Как и у амперметра, у одного зажима вольтметра ставят знак « + », у другого — «–».
Клемму со знаком « + » нужно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком «–» — с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.
На электрических схемах вольтметр изображают в виде кружка с буквой V.
Для человеческого организма напряжение в 1 В неопасно. Безопасным для человека считается напряжение до 12 В. Однако надо иметь в виду, что величина напряжения, опасного для человека, зависит ещё и от внешних условий. Например, в сырых помещениях степень опасности существенно возрастает. Происходит это потому, что многие вещества, являющиеся в сухом состоянии изоляторами, во влажном состоянии становятся проводниками электричества. Дело в том, что обычная (недистиллированная) вода является проводником.
Алессандро Вольта (1745—1827) — физик, химик и физиолог, один из основоположников учения об электричестве.
Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрическое напряжение».
Вернуться к Списку конспектов по физике
Просмотров: 4 533
Что такое электрическое напряжение
С понятием «электрическое напряжение» всем нам приходится сталкиваться практически каждый день, ведь область его использования не ограничивается одними только электроприборами. Это и грозовые разряды во время дождя, и искры на пластмассовой расческе и одежде из синтетических тканей и пр.
Сухой академический язык дает следующее определение данному явлению: электрическое напряжение — это физическая величина, указывающая на величину совершаемой зарядом в 1 Кл (Кулон) работы. Кулон, в свою очередь, указывает на величину заряда, пропущенную по проводящему материалу за 1 секунду при силе тока в 1 А.
Также допустимо другое определение, согласно которому электрическое напряжение представляет собой отношение работы, выполняемой электрическим полем по перемещению тестового (пробного) заряда между двумя точками, к численному значению данного заряда. При этом принято считать, что перенос заряда не влияет на разность потенциалов (не изменяет напряжения), а траектория движения может быть проигнорирована. В виде формулы данное определение записывается следующим образом:
U=A/q,
где U – напряжение, A – работа, q – заряд.
Чтобы запомнить, в чем измеряется электрическое напряжение, нет необходимости в заучивании, ведь подсказка всегда под рукой, так как на всех источниках тока указывается значение напряжения и его размерность: достаточно взглянуть на любую батарейку. Единица измерения – Вольт (В, V).
Понятия «электрическое напряжение» для цепей постоянного и переменного тока различаются. В переменном токе, характеризующемся периодическим прохождением синусоиды через нулевую отметку, для расчетов используется не мгновенное, а действующее значение. Это возможно благодаря тому, что его работа при активной линейной нагрузке численно соответствует постоянному напряжению.
Тот, кому довелось сталкиваться с трехфазными электродвигателями, наверняка обратил внимание на странную запись в паспортных характеристиках. Там через знак дроби указывается два напряжения, например, 220/380 В. Никакой опечатки нет, действительно, оборудование способно работать на двух разных действующих значениях. Откуда же в сети 380 В может взяться 220? Оказывается, напряжение может быть как фазным, так и линейным, в зависимости от способа измерения. Фазное определяют, измеряя значение между каждой фазой и нулевым проводом, а линейное – между фазными проводниками. Соединив цепь нагрузки в треугольник, можно получить равенство линейного и фазного напряжений, а для схемы «звезда» фазное в 1,73 раза меньше линейного.
Для измерения напряжения используется специальный прибор – вольтметр. Главная его особенность – это необходимость подключения токоснимающих щупов параллельно нагрузке. Высокое внутреннее сопротивление не вносит шунтирующих искажений. Именно поэтому, например, в бытовом применении возможно прямое подключение к розетке (в отличие от амперметра, включающегося в разрыв цепи).
Но оставим трехэтажные формулы академикам и разберемся, что же такое «напряжение электрического тока», говоря простым человеческим языком. Итак, это разность зарядов (потенциалов) между двумя произвольными точками проводника или электрического поля. Источник, вызывающий движение электронов по проводнику (генератор, батарея), создает на одном его конце их избыток, а на другом – недостаток. Соответственно, значение зарядов также отличается. Достаточно соединить эти точки любой проводящей средой, и возникнет электрический ток – движение заряженных частиц, стремящееся нивелировать указанное различие. Другими словами, природа тока подразумевает стремление атомов к устойчивому состоянию, нарушенному магнитными полями генератора. Напряжение может существовать и без тока, если сопротивление между точками велико. Это объясняет тот факт, что привычные батарейки не «бьются током».
Дорожный адаптер для США | Electric Safety First
Дорожные адаптеры для США
Каждый год Соединенные Штаты Америки привлекают тысячи туристов, желающих открыть для себя страну и изучить ее. Чтобы убедиться, что вы увидите все, что может предложить США, важно спланировать свое путешествие, прежде чем отправиться в свое приключение.
Адаптеры для путешествий в США: какой тип мне нужен?
- Тип А
- Тип Б
Вам нужно подумать, что взять с собой, чтобы безопасно пользоваться личными электроприборами за границей. Обычно это включает в себя использование дорожного адаптера, который представляет собой устройство, которое просто позволяет вам подключать любой электрический прибор Великобритании к иностранной электрической розетке. Важно отметить, что он не преобразует напряжение или частоту.
Для США существует два соответствующих типа вилок, типы A и B. Тип вилки A — это вилка с двумя плоскими параллельными контактами, а тип вилки B — это вилка с двумя плоскими параллельными контактами и заземляющим контактом. USA работает при напряжении питания 120В и частоте 60Гц.
Преобразователи и трансформаторы напряжения
Электроснабжение по всему миру может варьироваться от 100В до 240В. Использование электроприбора, рассчитанного на напряжение, отличное от напряжения питания, может быть чрезвычайно опасным.
Поскольку напряжение в разных странах может различаться, в США вам может понадобиться преобразователь напряжения или трансформатор. Если частота отличается, нормальная работа электроприбора также может быть нарушена. Например, часы с частотой 50 Гц могут работать быстрее при подаче электроэнергии с частотой 60 Гц. Большинство преобразователей напряжения и трансформаторов поставляются со штепсельными адаптерами, поэтому вам может не понадобиться покупать отдельный дорожный адаптер.
Все преобразователи и трансформаторы имеют максимальную номинальную мощность (AMPS или WATTS), поэтому убедитесь, что любой прибор, который вы собираетесь использовать, не превышает этот номинал.
Прибор с двойным номинальным напряжением
Вы можете определить, нужно ли вам использовать преобразователь или трансформатор, взглянув на паспортную табличку прибора.
Устройство с двойным номинальным напряжением будет отображать, например, «ВХОД: 110–240 В» на корпусе устройства или на его блоке питания. Это означает, что вам не понадобится преобразователь или трансформатор, а только дорожный адаптер, потому что в США используется напряжение питания 120 В, что находится в диапазоне 110–240 В, на котором работает устройство с двойным напряжением.
Приборы с одним номинальным напряжением
В США напряжение питания составляет 120 В. Если устройство или его блок питания не рассчитаны на двойное напряжение, устройство с одним напряжением необходимо использовать вместе с трансформатором или преобразователем напряжения, чтобы обеспечить безопасную и правильную работу устройства (если только устройство не работает при напряжении 120 В).
Преобразователи и трансформаторы выполняют схожие функции, но их применение различается. Преобразователи обычно используются с приборами, которые работают в течение короткого времени (1-2 часа), в то время как большинство трансформаторов можно использовать вместе с приборами, которые работают непрерывно.
Важно понимать, что некоторые дорожные адаптеры не подходят для каких-либо приборов, требующих заземления. Эти типы дорожных адаптеров следует использовать только с оборудованием с двойной изоляцией, которое будет четко обозначено символом, показанным ниже.
Прежде чем отправиться в путешествие, мы рекомендуем вам проверить свои приборы, чтобы понять требования США.
Для получения информации о дорожных адаптерах, необходимых для других стран Северной Америки, перейдите по одной из ссылок ниже:
Канада | Гренландия | Мексика
Проектирование электрических систем среднего напряжения | Консультации
Цели обучения
- Проанализировать, как и почему определенная система среднего напряжения (СН) выбрана для данной конструкции.
- Оцените применимые нормы и стандарты и то, как они влияют на проектирование электрических систем.
- Вспомните, что следует учитывать при проектировании систем распределения электроэнергии среднего напряжения.
Мы привыкли рассматривать электроэнергию так же, как и любую другую коммунальную услугу, поставляемую в наш дом или на работу. И это правильный взгляд на это. Так же, как вода и природный газ, электроэнергия передается и распределяется для общего пользования. Точно так же, как давление (или разница давлений между двумя точками) приводит в движение воду и газ, напряжение «движет» электрический ток. Чтобы электроэнергия была доставлена конечным пользователям, она должна пройти несколько итераций.
Электроэнергия производится с использованием магнитной и кинетической энергии. Когда магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами, прерывается движущейся катушкой, в этой катушке индуцируется электрический ток. Именно с помощью этого процесса сегодня производится большая часть электроэнергии. Например, атомная электростанция использует ядерную энергию для производства пара высокого давления, который приводит в движение лопасти турбины. Затем это движение передается на ротор турбины. Магнитное поле генератора, соединенного с валом турбины, используется движущимся ротором для создания электрического тока в обмотке якоря. Угольные электростанции также используют тепло горящего угля для создания пара и производства энергии через паровую турбину, но с гораздо меньшей эффективностью, чем атомные электростанции. Гидроэлектростанция использует потенциальную энергию падающей воды для приведения в движение лопастей турбины. Точно так же ветряная турбина использует кинетическую энергию ветра для вращения лопастей. В солнечных батареях не используется турбина, но они используют энергию солнца для стимуляции электронов специально изготовленных фотоэлектрических модулей, тем самым создавая постоянный ток (постоянный ток). Затем этот постоянный ток преобразуется в переменный ток (переменный ток) с помощью инверторов.
Несмотря на то, что существует так много источников энергии, которые можно преобразовать в электроэнергию, строить электростанции везде, где требуется электроэнергия, нецелесообразно и часто невыполнимо. Чтобы решить эту проблему, электроэнергия передается от источника туда, где она необходима. Для перехода от коммунальных линий электропередачи к конечному потребителю коммунальные предприятия используют электрические подстанции. Эти подстанции снижают напряжение на уровне передачи до напряжения на уровне распределения. С этих подстанций, называемых коммунальными, электроэнергия подается (распределяется) жилым, коммерческим и промышленным потребителям.
Электроэнергия может передаваться через постоянный или переменный ток. Первой электростанцией была станция Перл-Стрит (построенная компанией Edison Illuminating Co., которую возглавлял Томас Эдисон) в Нью-Йорке. Эта станция поставляла электроэнергию постоянного тока потребителям в непосредственной близости от станции. Однако проблема с постоянным током заключается в том, что его нельзя транспортировать на большие расстояния, потому что его нельзя преобразовать в более высокое напряжение. Никола Тесла был убежден, что путь преодоления барьера расстояния состоит в том, чтобы чередовать, а затем передавать мощность при более высоких напряжениях с помощью трансформаторов. Westinghouse запатентовала идею Теслы и построила первую линию электропередач переменного тока в штате Нью-Йорк, передающую энергию от Ниагарского водопада в Буффало. Сегодняшние технологические достижения позволяют экономично передавать постоянный ток высокого напряжения, и это вполне может быть способом будущего.
Первая линия электропередач переменного тока была построена в 1886 году в Черки, Италия, и передавалась на 17 миль при напряжении 2000 В. были развиты линии электропередач. В 1936 году в США была проложена линия электропередачи напряжением 287 кВ: линия от плотины Гувера до Лос-Анджелеса. В настоящее время в Соединенных Штатах для передачи энергии обычно используются напряжения до 345 кВ. Использование более высокого напряжения возможно, но проводится тщательный экономический анализ, поскольку цена оборудования существенно возрастает при переходе на более высокий уровень напряжения.
Уровни напряжения Существует несколько причин для выбора одного уровня напряжения над другим для передачи электроэнергии. Основной причиной является стоимость. При более высоком напряжении требуется меньше меди для проводки, но больше денег на электрооборудование — это баланс. Другая причина — длина линий. Для более длинных линий электропередач имеет смысл использовать более высокое напряжение, но это связано с увеличением расстояния между проводами. Часто на решение влияют существующие линии электропередач в конкретном районе. Использование одной и той же системы напряжения упрощает соединение различных линий в сеть, и это может сделать определенный уровень напряжения очень привлекательным, даже если непосредственные затраты выше.
Уровни напряжения были стандартизированы, чтобы производители могли сосредоточиться на разработке определенных типов оборудования. Стандарт ANSI C84.1 определяет среднее напряжение (MV) как «класс номинального напряжения системы выше 1000 В и ниже 100 кВ». IEEE 141 (Красная книга) ссылается на ANSI C84.1 при распознавании тех же уровней напряжения, которые связаны с диапазоном среднего напряжения. Из всех возможных уровней напряжения от 1 кВ до 100 кВ в США чаще всего используются стандартные напряжения 4160 В, 12 470 В, 13 200 В, 13 800 В, 24,940 В и 34 500 В для четырехпроводных систем и 69 000 В для трехпроводных систем. Также используются другие системы напряжения, такие как 2 400 В, 4 800 В, 6 900 В, 8 320 В, 12 000 В, 20 780 В, 22 860 В, 23 000 В и 46 000 В. Определенные напряжения, такие как 4,1 кВ, 6,9 кВ и 13,8 кВ. кВ, совпадают со стандартными напряжениями двигателя, поэтому им отдается предпочтение.
В зависимости от размера кампуса конечный пользователь должен будет выбрать, какой уровень напряжения распределять по сети. При выборе уровня напряжения необходимо принять несколько решений. Помимо стоимости проекта, одним из важнейших аспектов является безопасность. Несколько лет назад электрики обычно работали с оборудованием под напряжением, причем не только с низковольтным (НН; 1000 В и менее), но и с оборудованием СН. Эта практика была очень ограничена, потому что она очень опасна. Там, где работы по техническому обслуживанию по-прежнему выполняются на редукторе, находящемся под напряжением, первоочередной задачей является безопасность. В целях обеспечения безопасности NFPA: Национальный электротехнический кодекс (NEC), статья 110: Требования к электрическим установкам, требует определенных зазоров в рабочем пространстве вокруг электрического оборудования — чем выше номинальное напряжение, тем больше требуемый зазор. Техническое обслуживание оборудования является еще одним фактором при определении уровня напряжения в электрической системе. Если ремонтная бригада уже обучена работе с определенным оборудованием, работающим под напряжением, имеет смысл продолжать использовать тот же уровень напряжения. В противном случае потребуется дополнительное обучение.
Использование распределительной системы среднего напряжения имеет несколько преимуществ по сравнению с распределительной системой низкого напряжения. Напряжение и ток имеют обратную зависимость. При определенной потребности в мощности, чем выше напряжение, тем ниже ток, исходя из уравнения:
P = V x I
Где P = мощность, V = напряжение и I = ток.
Иногда проблема не в расстоянии, а в количестве распределяемой мощности. Жилые дома не имеют большой потребности в электроэнергии, поэтому использование НН их вполне устраивает. Но коммерческие клиенты обычно просят большое количество энергии. Предположим, что некоему клиенту требуется мощность 10 МВт (или 12 МВА). При распределении этой мощности по НН (например, 480 В) объект должен был бы вместить почти 14 450 ампер. Это огромное количество тока, которое требует огромного количества проводки. Для сравнения, те же 12 МВА будут производить только около 500 ампер при 13,8 кВ. Это маломощное решение дает владельцу гибкость в подаче электроэнергии через здание как можно ближе к нагрузке, а затем понижает мощность до уровня низкого напряжения для потребления. Выбор распределения электроэнергии через СН также помогает свести к минимуму потери мощности, что увеличивает экономию при эксплуатации. Верно и обратное: чем ниже напряжение, тем выше ток. Система среднего напряжения обеспечивает то же количество энергии за счет меньшего тока по сравнению с системой низкого напряжения. Меньшее количество тока позволяет использовать проводники меньшего размера и/или меньше наборов проводников для распределения мощности, что приводит к значительной экономии. Более низкие уровни тока также приводят к меньшим потерям мощности и, как следствие, к меньшему падению напряжения. Меньшее падение напряжения делает возможным распределение мощности на большие расстояния. Очень часто в кампусе используется распределительная система 13,8 кВ с понижением напряжения до 480 В в здании и 4160 В и 480 В в здании центрального хозяйства. Если расстояния от главной коммунальной подстанции кампуса до отдельных зданий велики, можно использовать более высокие напряжения, но очень распространена распределительная система 13,8 кВ. Другие распространенные напряжения: 12,47 кВ, 24 кВ и 24,9 кВ.кВ (номинально 25 кВ).
Проектирование распределительной системы
При проектировании распределительной системы среднего напряжения особое внимание следует уделить размерам оборудования, номинальным значениям и зазорам между ними. Габариты оборудования для систем среднего напряжения больше, чем для систем низкого напряжения. Поэтому пространство, предназначенное для оборудования, становится очень важным и должно быть выделено на ранней стадии процесса проектирования. В таблице 1 показано сравнение электрооборудования для двух очень распространенных систем напряжения, 480 В и 13,8 кВ, с использованием оборудования одного и того же производителя.
Рабочие зазоры вокруг высоковольтного оборудования также больше, чем зазоры низковольтного оборудования. Статья 110 NEC описывает минимальные рабочие расстояния вокруг электрооборудования. В Таблице 2 сравниваются рабочие зазоры для тех же двух распределительных систем, что и те, что перечислены в Таблице 1.
Условие 1 выполняется, когда на одной стороне рабочего пространства имеется открытая часть под напряжением, но нет частей под напряжением или заземления на противоположной стороне рабочего пространства. Если с обеих сторон имеются токоведущие части, условие 1 выполняется только в том случае, если части защищены изоляционными материалами. Условие 2 применяется, когда на одной стороне рабочего пространства имеются открытые токоведущие части, а на другой — заземленные, при этом бетон, кирпич и плитка считаются заземленными. Состояние 3 — наихудший сценарий с открытыми токоведущими частями по обеим сторонам рабочего пространства.
Если оборудование среднего напряжения находится на открытом воздухе, оно должно быть ограничено, по крайней мере, забором, который, в зависимости от уровня напряжения, должен находиться на расстоянии не менее 10 футов от токоведущих частей или кожуха. Для системы с номинальным напряжением 13,8 кВ зазор должен составлять 15 футов. Дополнительные сведения см. в статье 110.31 NEC.
Оборудование среднего напряжения не обладает такой гибкостью, как оборудование низкого напряжения. Для систем низкого напряжения имеются автоматические выключатели всех типоразмеров, а более крупные выключатели оснащены легко регулируемыми расцепителями. В простых системах среднего напряжения для защиты можно использовать выключатели с предохранителями, и эти предохранители также бывают разных размеров. Однако в сложных распределительных системах среднего напряжения, таких как критически важные объекты, использование выключателей среднего напряжения становится необходимостью. Самый маленький автоматический выключатель для системы с номинальным напряжением 13,8 кВ (распределительное устройство 15 кВ) рассчитан на 1200 ампер. Следующий размер — 2000 ампер, затем 3000 ампер. Как упоминалось ранее, большое преимущество систем среднего напряжения заключается в том, что сила тока мала, но в настоящее время для этих систем нет выключателя достаточно малых размеров. Однако для систем Международной электротехнической комиссии (МЭК) доступны выключатели на 630 ампер. Этот автоматический выключатель мы называем «тупым». Его называют немым, потому что он не наделен никаким разумом и не знает, когда нужно устранить ошибку. По этой причине используются реле. Реле предлагают отличные возможности защиты и схемы, но это не отменяет того факта, что самый маленький автоматический выключатель среднего напряжения на 1200 ампер очень часто слишком велик для величины проходящего через него тока. Это отсутствие гибкости имеет финансовые последствия, которые необходимо учитывать.
Защита от сбоев для систем среднего напряжения становится важной из-за последствий сбоя защиты. Автоматический выключатель на 1200 ампер, рассчитанный на 480 В, может выдерживать мощность, близкую к 1 МВА (при номинале 100 и нагрузке). Для сравнения, автоматический выключатель на 1200 ампер на 13,8 кВ может выдерживать более 28 МВА. Как мы видим, выключатель среднего напряжения обеспечивает гораздо большую нагрузку, поэтому крайне важно, чтобы была обеспечена защита. Из-за такого сильного воздействия на систему распределения единичного сбоя надежность системы становится важной частью усилий по проектированию. IEEE 493-2007: Industrial Power Systems Design («Золотая книга») — хороший ресурс для анализа надежности. На основе этих анализов и потребностей владельца в систему может быть встроено резервирование. Избыточность может быть N + x (где x может быть 1, 2 или любое число) или 2N. Для системы 2N требуется два источника питания для каждой единицы оборудования, причем каждый источник полностью способен нести всю нагрузку (см. рис. 1). В случае неисправности на стороне «А» питание по-прежнему доступно на стороне «В». Когда сторона А недоступна, система не является 2N до тех пор, пока сторона А не будет снова введена в эксплуатацию. Резервирование важно учитывать при любом уровне напряжения, но оно становится особенно важным в системах среднего напряжения, поскольку обеспечивается большое количество мощности, которая может быть потеряна. Используя тот же пример, выключатель на 1200 ампер при 480 В может обеспечить мощность около 1 МВА, а при 13,8 кВ — более 28 МВА. Потеря 28 МВА может иметь гораздо больший эффект, чем потеря 1 МВА мощности.
Для больших и сложных электрических систем защиту системы среднего напряжения можно легко спроектировать с помощью реле, но это может быть сложно и должно быть тщательно продумано. Существует много видов схем защиты, и обычно в надежной системе задействовано множество различных типов реле и функций. Каждому типу реле присвоен номер, как и каждому защитному устройству, изображенному в ANSI/IEEE C37. 2, что упрощает проектирование, а также понимание разработок других людей. Реле дифференциальной защиты (87) суммирует входящие токи и сравнивает их с суммой выходящих токов. Этот вид защиты является одним из самых распространенных, поскольку действует быстро. Дифференциальная защита применяется к главной шине оборудования и зоне, охватывающей все выключатели. Дифференциальная защита также может быть предусмотрена для трансформаторов и фидеров среднего напряжения, имеющих значительную длину. Другими распространенными типами защиты являются максимальная токовая (51), мгновенная (50), защита от перенапряжения (59).), пониженное напряжение (27), обратная мощность (32) и многое другое. Отличным источником по защите электрических систем является IEEE 242-2001: Защита и координация промышленных и коммерческих энергетических систем.
В последнее десятилетие предпринимались попытки централизовать защиту оборудования среднего напряжения. Отдельные реле посылают сигналы на центральное устройство, которое затем обрабатывает информацию и решает, какое действие следует предпринять, чтобы избежать ложных срабатываний. Сигнал может передаваться туда и обратно по оптоволокну или по беспроводной связи. Эта технология была впервые разработана в Европе, и стандартом для нее является IEC 61850: Power Utility Automation. Эта технология перспективна, но пока не получила широкого применения.
Распределительные трансформаторы среднего напряжения также имеют тенденцию быть больше и дороже, чем трансформаторы низкого напряжения. Из-за воздействия неисправности трансформатора на всю систему больше внимания уделяется защите трансформаторов среднего напряжения. В дополнение к обычной защите от перегрузки по току, которую могут получить трансформаторы низкого напряжения, трансформаторы среднего напряжения получают тепловое реле (49) для контроля температуры масла, реле давления (63) для контроля давления в масляном баке и реле уровня жидкости (71). следить за уровнем масла (см. рис. 2). Все эти реле будут отключать выключатель при заданном значении соответствующих параметров, выходящих за допустимые пределы. Чтобы уточнить, некоторые трансформаторы низкого напряжения могут иметь все эти уровни защиты, но в трансформаторах среднего напряжения такая защита является обычной.
Распределительные системы среднего напряжения обладают теми же преимуществами, что и вспомогательное оборудование, в отношении резервного (или резервного) питания. Например, система на 13,8 кВ может поддерживаться генераторами на 13,8 кВ. Резервная мощность, вырабатываемая генераторами, может быть так же легко распределена как можно ближе к нагрузке, как и на стороне коммунальных служб. В зависимости от типа конструкции распределительной системы часто возникает необходимость параллельного подключения этих генераторов среднего напряжения для резервирования всей системы.
При параллельном подключении генераторов среднего напряжения необходимо учитывать несколько моментов. Один из них — надежность. Например, если для поддержки энергосистемы в случае полного отказа электросети необходимо четыре генератора, следующим решением является масштаб резервирования. Если требуется N + 1, нам нужно будет использовать пять генераторов, причем четыре из пяти необходимы в любой момент времени. Надежность (готовность) такой системы составляет 0,999. Если приемлема меньшая надежность, можно использовать только четыре генератора для коэффициента готовности 0,9.6. Подробную информацию о том, как рассчитать надежность энергосистем, см. в Золотой книге IEEE.
Другое решение заключается в том, как система резервного копирования взаимодействует с утилитой. Во многих случаях достаточно открытого перехода, когда резервная система отключается от нагрузки до того, как к ней будет снова подключено питание от сети. Открытые переходы легче и проще реализовать. В некоторых случаях требуется закрытый переход, когда система резервного питания и система энергоснабжения работают параллельно в течение очень короткого периода времени, обычно нескольких циклов.
Примеры систем с закрытым переходом можно найти в больницах и центрах обработки данных. Закрытый переход усложняет систему распределения, поскольку элементы управления и ретрансляции должны включать больше зон управления.
Кроме того, из-за параллелизма между сетью и резервным питанием доступность тока короткого замыкания увеличивает наихудший сценарий возникновения неисправности во время замкнутого перехода. Это увеличение отказоустойчивости может привести к следующему более высокому стандартному рейтингу распределительного устройства, что может значительно повлиять на затраты (см. рис. 3).
Система среднего напряжения с резервными генераторами также требует пристального внимания к заземлению и защите от замыканий на землю. Заземление электрических систем — это широкая тема, и здесь мы ее рассматривать не будем, за исключением того, что читатель может обратиться к двум хорошим источникам: IEEE 142-1991: Заземление промышленных и коммерческих энергосистем и IEEE C37.101: Руководство по защите заземления генераторов.
Плюсы и минусы среднего напряжения Распределительные системы среднего напряжения имеют много преимуществ перед распределительными сетями низкого напряжения, но они также имеют некоторые недостатки. Выбор должен быть результатом тщательного анализа, где преобладающими факторами являются стоимость и безопасность. Преимущества систем среднего напряжения включают использование гораздо меньшего количества меди в виде меньших проводников и меньшего количества наборов проводников, меньшие потери мощности, меньшее падение напряжения и, как следствие, распределение гораздо большей мощности на нагрузку. Недостатки систем среднего напряжения включают в себя большие размеры оборудования, большие рабочие зазоры, необходимые вокруг электрооборудования, большие инвестиции в обучение и более длительные периоды обслуживания для ремонта оборудования.
Несмотря на эти преимущества и недостатки, иногда распределение на уровне низкого напряжения невозможно, и в этом случае используется распределение среднего напряжения (см. рис. 4). В таких случаях следует уделить особое внимание безопасности работников путем разработки подробных процедур обслуживания оборудования среднего напряжения. Следует также тщательно учитывать безопасность необслуживающего персонала.
