O que causa sobretensão na rede elétrica?

Na região onde eu moro, existe um padrão de estado que diz que o desvio de tensão da rede elétrica pode estar dentro de 5% continuamente e dentro de 10% por curtos períodos de tempo, portanto, se a tensão da rede elétrica estiver dentro desses limites - tudo bem. A tensão nominal é de 220 volts, portanto pode estar na faixa de 209..231 volts continuamente e na faixa de 198..242 volts por curtos períodos de tempo.

Agora eu entendo que, às vezes, há fios subdimensionados, enormes perdas e juntas ruins, e isso pode causar subtensão no local do consumidor.

O que causaria sobretensão? Quero dizer, existem geradores cuidadosamente projetados em algum lugar que giram a velocidades "corretas" cuidadosamente monitoradas e produzem tensão cuidadosamente pré-computada. Depois, há transformadores que novamente têm o número certo de ventos em cada enrolamento e, portanto, convertem a tensão certa na outra tensão correta. Portanto, não vejo como a tensão subitamente se tornaria superior à projetada. No entanto, existe até um padrão de estado que permite grandes desvios.

O que exatamente causa sobretensões na rede elétrica?

Por que a tensão da rede geralmente está acima do valor nominal? Não estou falando de picos de energia, que deixam as margens. Estamos falando de operações padrão. Por design, o poder é definido mais próximo da margem superior do que do meio. Estas são as razões:

Todos os geradores de energia padrão funcionam com uma certa velocidade de rotação que é sincronizada com a frequência da rede. A frequência de rotação do gerador também depende de quantos polos está equipado, todos os geradores de quatro polos em grades de 50Hz funcionam com 1500 / min, por exemplo.

A frequência da grade é praticamente o único valor persistentemente constante que você pode esperar da grade.

Na velocidade fixa, a potência de um gerador é regulada pela excitação das bobinas de campo e pela entrada mecânica na turbina ou no motor. Ambos os valores devem ser regulados em uníssono. Se você aumentar a excitação sem aumentar a entrada mecânica, a máquina diminuirá a velocidade e sairá de sincronia, o que deve ser evitado.

Alguns tipos de usinas de energia funcionam de forma assíncrona (volante, solar, eólica principalmente), o que significa que sua produção de energia precisa ser regulada eletronicamente para ajustá-la à rede.

Por várias razões, os fornecedores de energia irão regular na extremidade superior.

Primeiro, eles podem reagir mais rapidamente para reduzir a potência: Desvie um pouco de vapor, reduza a excitação e pronto. Para reagir para cima, eles devem primeiro produzir mais vapor, o que leva tempo. Portanto, é mais seguro estar no limite máximo.

Em segundo lugar, a mesma potência pode ser transportada com mais eficiência quando a tensão é maior. As perdas vêm quase que exclusivamente da corrente; tensão mais alta significa menos corrente; portanto, menos perda, maior porcentagem de tensão chega ao cliente e apenas a energia que chega será paga.

Por fim, parte da energia utilizada é pura resistência elétrica, que consome mais energia com maior voltagem, levando a maior consumo e maiores vendas. Suponho que isso não é grande coisa.

Agora, os fornecedores de energia sabem muito bem quanta energia será consumida em média. Eles sabem quanto mais será necessário em dias especiais, como no dia de ação de graças (todos os fogões estão em ação naquele dia) ou no dia do super-herói. Eles vão planejar com antecedência por um bom tempo.

A qualidade das linhas de rede é levada em consideração aqui: se eles sabem que a queda de tensão em um bairro é bastante alta, o fornecimento para esse bairro será configurado para que a tensão planejada chegue aos clientes, se possível. Os transformadores entre as redes de alta / média / baixa tensão podem ser regulados em algum grau. (consulte o ULTC em http://en.wikipedia.org/wiki/Tap_%28transformer%29 )

Portanto, quedas de tensão e também mudanças de fase são uma desgraça dos fornecedores: esses dois fatores levam a maiores perdas nas linhas, que eles têm que pagar por si mesmos.

Você está certo de que a grade é afinada com precisão, no entanto, não é tão estática quanto o levaria a acreditar. Toda a grade é uma imensa máquina que é bastante instável. É necessário monitoramento e reajuste constantes para que o sistema mantenha operações estáveis.

Enquanto você estiver certo de que um gerador gera uma tensão estável (na maioria das vezes), a carga na rede muda a cada segundo. Os sistemas que monitoram essas alterações nem sempre podem reagir instantaneamente, principalmente quando objetos grandes e em movimento, como geradores, estão envolvidos.

Vamos começar em sua casa. O transformador que abastece sua área possui três fases. O planejador da cidade teria planejado as casas em sua vizinhança em (quase) quantidade igual em cada fase. Agora, se as cargas diferirem, causará pequenas mudanças nas tensões em cada fase, à medida que as fases se desequilibram. Isso geralmente é pequeno, mas pode facilmente causar as pequenas flutuações que você vê. Se você pode representar graficamente as medições ao longo do tempo, deve ser interessante a aparência das flutuações durante os horários de pico (manhãs e noites).

Existem muitas outras maneiras pelas quais a rede é dinâmica: as linhas de transmissão esquentam e esfriam alterando suas resistências, a atividade solar induz correntes nas linhas de transmissão, cidades inteiras são derrubadas da rede devido a um acidente. Minha instabilidade favorita pessoal é a fase do gerador. Os geradores precisam ser mantidos em fase e com frequência; no entanto, quando a carga sobre eles (a grade) muda, isso faz com que o gerador acelere ou desacelere levemente. Isso é compensado com rodas de reação que liberam e absorvem energia do gerador.

Todas as alternativas acima alteram a carga na rede e, portanto, você verá flutuações de tensão.

Como já foi dito, o problema básico é que a demanda pode mudar rapidamente, mas as grandes máquinas que geram eletricidade e a energia fornecida não podem ser alteradas tão rapidamente.

Aqui nos EUA, o padrão é que tudo é reavaliado a cada 4 segundos. O centro de controle de cada região monitora as correntes através das várias linhas de transmissão, tensões em vários locais e energia sendo despejada na rede por cada um dos grandes produtores.

As características de cada produtor são conhecidas e, a cada 4 segundos, eles são informados sobre se devem ou não regular sua potência. As usinas nucleares são as mais lentas a reagir e geralmente são mantidas na carga "básica". Depois, existem usinas que atingem o pico, que podem reagir muito mais rapidamente, mas também tornam a eletricidade mais cara. As usinas de pico são geralmente motores de turbocompressor que funcionam com um gerador. Estes geralmente são mantidos, exceto durante a alta demanda. As usinas hidrelétricas têm seus próprios conjuntos de características. Eles podem reagir rapidamente, da ordem de um minuto ou alguns minutos, a grandes mudanças na demanda. 4 segundos foram escolhidos em parte porque na época nada podia responder tão rápido. O controlador central que envia os sinais a cada 4 segundos também aplica um algoritmo de justiça. Por exemplo, se houver várias plantas de pico na área, tenta utilizá-los igualmente. Gerenciar a grade é um problema complexo, e há muito dinheiro a ser desperdiçado ao errar.

Existe uma empresa local, a Beacon Power , que fabrica sistemas de armazenamento com volante para a rede. São volantes grandes em câmaras evacuadas, montadas em rolamentos magnéticos. Cada volante pode armazenar cerca de 100 kWh de eletricidade. Isso é puramente armazenamento, não geração, mas a vantagem é que o armazenamento e a recuperação de energia são tratados eletronicamente e, portanto, podem reagir muito rapidamente. É possível fazer um caso de negócios para a instalação desses volantes apenas para o pico de curto prazo, absorvendo e produzindo, eles fornecem. Algumas novas instalações de geração de energia incorporarão esse armazenamento de curto prazo localmente. Isso permite que a instalação geral pareça uma central elétrica bem comportada, flexível e de reação rápida, mesmo que a fonte de energia definitiva seja hidrelétrica, carvão ou petróleo.

Existe outra planta interessante perto de ouvir chamada Northfield Mountain Reservoir . É uma estação de armazenamento de energia muito maior que funciona com a energia potencial da água. Durante cargas leves, quando as centrais elétricas de reação lenta estão produzindo mais do que o necessário, a água é bombeada do rio Connecticut, subindo a colina até o reservatório de Northfield Mountain. Durante a alta demanda, a água flui ladeira abaixo de volta ao rio e produz energia. A estação possui 4 geradores reversíveis, cada um com capacidade de 270 MW, para que toda a estação possa fornecer mais de 1 GW de potência por um tempo.

Mais ou menos o que eles disseram na maioria dos casos. Mais:

Leva um tempo finito para alterar a potência de saída, se houver máquinas muito grandes. As turbinas a vapor com caldeiras alimentadas a carvão devem lidar com a energia no forno se a carga cair - ou adicionar combustível extra se a carga saltar repentinamente.

Acidentes de iluminação / um carro bate em um poste / incêndio na casa ou uma linha quebrada interrompe um alimentador. Disjuntores abertos. A falha pode não se propagar pela cadeia ou pode ocorrer de alguma maneira. A carga cai repentinamente. Os controladores de máquinas rotativas exigem o desligamento da entrada de energia. A alimentação de água às gotas da turbina, a alimentação de carvão ao fogo diminui. A tensão aumenta rapidamente e depois volta ao estado estacionário.

Na final da copa do mundo de Rugby, a França e a Nova Zelândia são 12 a 11, pouco antes do intervalo. Nenhuma penalidade concedida. O árbitro apita e os dois times saem do campo. 1.300.000 NZers param de assistir TV. 22% vão ao banheiro. A estação da bomba de abastecimento de água não notará o aumento por alguns minutos. 127.000 jarros elétricos são ligados para uma rápida xícara de café. Mais. A carga de energia aumenta drasticamente. Quedas de tensão. Mais água é discada. mais carvão, mais .... As duas equipes correm para o campo, chaleiras estalam. As luzes estão apagadas. Banheiros estão desocupados. ... Carga cai. O carvão ainda está sendo adicionado, até agora. A tensão aumenta ....

Todos esses geradores geram voltagens exatas para as quais foram construídos .. é o que acontece ao longo do caminho .. do gerador ao seu plugue na maior parte.

• Na África do Sul, durante tempestades elétricas, a iluminação acenderá perto ou direcionará para uma linha de alta tensão, causando massacre nas estações descendentes - há proteção para isso (e tenta reagir imediatamente), mas muitas vezes as pessoas de cidades próximas encher lojas de reparos elétricos no dia seguinte porque a TV explodiu. Esses picos agitam a rede, o que é permitido devido a níveis de tolerância de 10%. (Falo por experiência própria e não invento as coisas aqui)

• Em outras partes do mundo, causadas por furacões, terremotos.

• Em outras circunstâncias, pode ser causado por uma árvore caindo em linhas de alta potência

• Mudança repentina nas propriedades atmosféricas.

• Redirecionamento da rede elétrica (chamadas de manutenção)

• Mas também pode ser causado dentro de casa por dispositivos que geram feedback.

Ao longo dos anos e com muitas novas leis de fiação introduzidas, esses quedas / picos foram removidos principalmente. Mas a tolerância ainda existe e a maioria dos dispositivos do usuário final tolera esse desvio, porque a corrente é refinada ainda mais usando transformadores no dispositivo.

Como todos os outros disseram, a grade é uma constante mudança. Eu já vi alguns documentários sobre empresas de energia locais aqui na Holanda. A coisa mais comum que você ouve é que eles têm períodos de pico "típicos" nos quais precisam produzir eletricidade. Normalmente, as centrais elétricas se preparam para esses momentos; existe capacidade suficiente para acompanhar a demanda crescente?

É tão longe que algumas empresas de energia observam o radar meteorológico para chuvas (especialmente inesperadas), chuveiros etc. O que acontece é que a chuva resfria muitos edifícios, o que, por sua vez, requer energia para mantê-los à temperatura. A resposta típica (ou seja, média) é que as pessoas vão usar mais eletricidade e energia para manter tudo quente. Para combater isso, a usina se prepara para mais capacidade quando parece que vai chover porque eles sabem que terão que fornecer mais energia, como de costume.

Todos esses efeitos são controlados por computadores. Muitas estatísticas e curvas 'típicas esperadas' sob certas circunstâncias provavelmente são modeladas para manter a grade um pouco estável. Na verdade, apenas alguns operadores estão nas próprias usinas. Pode haver 1-2 técnicos na pequena usina e 1-2 operadores no escritório.

Voltando à sua pergunta: é muito difícil manter a grade estável. Devido à carga que pode mudar mais rapidamente do que as máquinas, grande parte da regulação é feita nos "padrões esperados". A adição de turbinas eólicas à rede torna a regulação um pouco mais difícil, pois elas podem produzir alguns MW extras quando o vento está soprando forte e, alguns minutos depois, pode desaparecer quando para.

A principal razão para sobretensões é

1. Relâmpago
2. Picos de comutação
3. Falha de isolamento
4. ressonância

As cargas são de natureza resistiva, indutiva e capacitiva. nesse indutivo e capacitivo, as cargas são reativas na natureza, enquanto as cargas resistivas são chamadas de reais (potência). Em um sistema de potência normal, a potência real e a potência reativa devem estar em equilíbrio, ou seja, (aproximadamente) potência real gerada = potência real consumida (carga + perdas), caso contrário, a velocidade do gerador e a frequência aumentarão ou diminuirão. Da mesma forma, energia reativa gerada = energia reativa consumida, caso contrário a tensão aumentará e diminuirá. Normalmente, os geradores são equipados para ajustar a potência real e reativa conforme a exigência de carga, monitorando a tensão e a frequência. Atividades como comutação de raios causam variações repentinas que resultam em sobretensões. A indutância se opõe à mudança de corrente. para referência adicional.