Elektriese kragtransmissie

Elektriese kragtransmissie is die grootmaatbeweging van elektriese energie vanaf 'n opwekkingsterrein, soos 'n kragsentrale, na 'n elektriese substasie. Die onderling verbinde lyne wat hierdie beweging fasiliteer, vorm 'n transmissienetwerk. Dit verskil van die plaaslike bedrading tussen hoogspanning substasies en kliënte, waarna tipies verwys word as elektriese kragverspreiding. Die gekombineerde transmissie- en verspreidingsnetwerk is deel van elektrisiteitslewering, bekend as die elektriese netwerk.

Doeltreffende langafstand-oorbrenging van elektriese krag vereis hoë spannings. Dit verminder die verliese wat deur sterk strome geproduseer word. Transmissielyne gebruik óf wisselstroom (WS) óf gelykstroom (GS). Die spanningsvlak word met transformators verander. Die spanning word verhoog vir transmissie, dan verlaag vir plaaslike verspreiding.

'n Breë-area sinchroniese netwerk, bekend as 'n interkonneksie in Noord-Amerika, verbind kragopwekkers wat wisselstroomkrag met dieselfde relatiewe frekwensie direk aan baie verbruikers lewer. Noord-Amerika het vier groot interkonneksies: Wes, Oos, Quebec en Texas. Een netwerk verbind die grootste deel van die vasteland van Europa.

Histories was transmissie- en verspreidingslyne dikwels deur dieselfde maatskappy besit, maar met die aanvang van die 1990's het baie lande die regulering van die elektrisiteitsmark verander sodat afsonderlike maatskappye transmissie en verspreiding hanteer het.^[2]

Stelsel

Diagram van 'n elektriese kragstelsel.

Die meeste Noord-Amerikaanse transmissielyne is hoë spanning driefase WS-roetes alhoewel enkelfase WS soms in spoorweg elektrifiseringstelsels gebruik word. GS-tegnologie word gebruik vir groter doeltreffendheid oor langer afstande, tipies honderde kilometers. Hoëspanninggelykstroomtegnologie (HSGS) word ook gebruik in onderwater kragkabels, tipies langer as 50 km en ook as 'n koppelvlak tussen kragnetwerke wat nie mooi gesinchroniseer is nie. HSGS-skakels stabiliseer kragverspreidingsnetwerke waar skielike nuwe laste, of onderbrekings, in een deel van 'n netwerk andersins kan lei tot sinchronisasieprobleme en kaskadefoute.

Elektrisiteit word teen hoëspannings oorgedra om die energieverlies as gevolg van weerstand wat oor lang afstande voorkom te verminder. Krag word gewoonlik deur oorhoofse kraglyne oorgedra. Ondergrondse kragoordrag het 'n aansienlik hoër installasiekoste en groter operasionele beperkings, maar laer instandhoudingskoste. Ondergrondse oordrag is meer algemeen in stedelike gebiede of omgewingsensitiewe plekke.

Elektriese energie moet normaalweg opgewek word teen dieselfde tempo waarteen dit verbruik word. ’n Gesofistikeerde beheerstelsel is nodig om te verseker dat kragopwekking dan by die vraag aanpas. As die vraag die aanbod oorskry, kan die wanbalans veroorsaak dat opwekkingsaanleg(e) en transmissietoerusting outomaties ontkoppel of gesluit word om skade te voorkom. In die ergste geval kan dit lei tot 'n deurlopende reeks onbeplande afsluitings en groot streeksverdonkering.

Die Noordooste van VSA het verdonkerings ondervind in 1965, 1977 en 2003. Daar was ook groot verdonkerings in ander VSA streke in 1996 en 2011. Elektriese transmissienetwerke is onderling verbind in streeks-, nasionale en selfs kontinentwye netwerke om die risiko van so 'n mislukking te verminder deur verskeie oortollige, alternatiewe roetes te verskaf vir krag om te vloei sou sulke afsluitings plaasvind. Transmissiemaatskappye bepaal die maksimum betroubare kapasiteit van elke lyn (gewoonlik minder as sy fisiese of termiese limiet) om te verseker dat ekstra kapasiteit beskikbaar is in die geval van 'n faling in 'n ander deel van die netwerk.

Oorhoofse kraglyne

'n Vierkring, twee-spanning kraglyn; Gebondel op 2-maniere

'n Tipiese staalkern-aluminiumgeleier, (SAG) kabel. Die geleier bestaan uit sewe drade van staal wat omring is deur vier lae aluminium.

Hoëspanningoorhoofse geleiers word nie deur isolasie bedek nie. Die geleiermateriaal is byna altyd 'n aluminiumlegering, gevorm uit verskeie stringe en moontlik met staalstringe versterk. Koper is soms vir oorhoofse transmissie gebruik, maar aluminium is ligter, verminder opbrengs net marginaal en kos baie minder. Oorhoofse geleiers word deur verskeie maatskappye verskaf. Geleiermateriaal en -vorms word gereeld verbeter om kapasiteit te verhoog.

Geleiergroottes wissel van 12 mm² tot 750 mm² met wisselende weerstand en stroomdravermoë. Vir groot geleiers (meer as 'n paar sentimeter in deursnee) is baie van die stroomvloei naby die oppervlak gekonsentreer as gevolg van die huideffek. Die middel van die geleier dra min stroom maar dra gewig en koste by. Dus word veelvuldige parallelle kabels (genoem bondelgeleiers) vir hoër kapasiteit gebruik. Bondelgeleiers word teen hoë spannings gebruik om energieverlies, wat veroorsaak word deur korona-ontlading, te verminder.

Vandag is transmissievlakspannings gewoonlik 110 kV en hoër. Laer spannings, soos 66 kV en 33 kV, word gewoonlik as subtransmissiespannings beskou, maar word soms op lang lyne met ligte laste gebruik. Spannings minder as 33 kV word gewoonlik vir verspreiding gebruik. Spannings bo 765 kV word as ekstra hoë spanning beskou en vereis verskillende ontwerpe.

Oorhoofse transmissiedrade is afhanklik van lug vir isolasie, wat vereis dat lyne minimum vry ruimte handhaaf. Uiterste weerstoestande, soos hoë winde en lae temperature, onderbreek transmissie. Windsnelhede van so laag as 23 knope (43 km/h) kan geleiers toelaat om vry ruimte afstande te oorskry, wat lei tot 'n oorvonking en verlies aan toevoer.^[3] Ossillerende beweging van die fisiese lyn word geleiergalop of fladder genoem, afhangende van die frekwensie en amplitude van die ossillasie.

In Suid-Afrika wissel die Eskom transmissie roetes van 132 kV tot 765 kV.

'n Vyfhonderd kilovolt (500 kV) driefase transmissie toring in Washington, die roete is gebondel in 3-maniere
Transmissie drie-drie langs mekaar in Webster, Texas

Ondergronds

Elektriese krag kan deur ondergrondse kragkabels oorgedra word. Ondergrondse kabels neem geen deurgangsregte op nie, het laer sigbaarheid en word minder deur die weer beïnvloed. Kabels se geleiers moet egter geïsoleer word. Kabel- en uitgrawingskoste is baie hoër as oorhoofse konstruksie. Foute in ondergrondse transmissielyne neem langer om op te spoor en te herstel.

In sommige metropolitaanse gebiede word kabels in metaalpype geïnstalleer en geïsoleer met diëlektriese vloeistof (gewoonlik 'n olie) wat óf staties is óf deur pompe gesirkuleer word. As 'n elektriese fout die pyp beskadig en die diëlektriese vloeistof lek, word vloeibare stikstof gebruik om gedeeltes van die pyp te vries om dreinering en herstelwerk moontlik te maak. Dit verleng die hersteltydperk en verhoog koste. Die temperatuur van die pyp en omgewing word gedurende herstelperiode die heeltyd gemonitor.^[4]^[5]^[6]

Ondergrondse lyne word beperk deur hul termiese kapasiteit, wat minder oorlading of hergradering van lyne toelaat. Lang ondergrondse WS-kabels het beduidende kapasitansie, wat hul vermoë verminder om nuttige krag verder as 80 km te verskaf. GS-kabels word nie in lengte beperk deur hul kapasitansie nie.

Geskiedenis

New York-strate in 1890 met verskeie elektriese lyne langs telegraaf lyne. Daar was toevoer vir elke tipe klas toestel wat verskillende spannings benodig het.

Kommersiële elektriese krag is aanvanklik oorgedra teen dieselfde spanning wat deur beligting en meganiese laste gebruik word. Dit het die afstand tussen opwekkingsaanleg en laste beperk. In 1882 kon GS-spanning nie maklik verhoog word vir langafstandtransmissie nie. Verskillende klasse laste (byvoorbeeld beligting, vaste motors en traksie-/spoorwegstelsels) het verskillende spannings vereis en het dus verskillende kragopwekkers en stroombane gebruik.^[7]^[8]

Generators is dus naby hul vragte geplaas, 'n praktyk wat later bekend geword het as verspreide opwekking deur groot getalle klein kragopwekkers te gebruik.^[9]

Oordrag van wisselstroom (WS) het moontlik geword nadat Lucien Gaulard en John Dixon Gibbs, 'n vroeë transformator wat voorsien is van 1:1 draaiverhouding en oop magnetiese stroombaan, in 1881 gebou het wat hulle die sekondêre kragopwekker genoem het.

Die eerste langafstand WS-lyn was 34 km lank, gebou vir die 1884 Internasionale Uitstalling van Elektrisiteit in Turyn, Italië. Dit is aangedryf deur 'n 2 kV, 130 Hz Siemens & Halske alternator en het verskeie Gaulard-transformators gehad, met primêre windings wat in serie gekoppel is, wat gloeilampe gevoer het. Die stelsel het die betroubaarheid van WS elektriese kragoordrag oor lang afstande bewys.^[8]

Die eerste kommersiële WS-stelsel is in diens gestel in 1885 te via dei Cerchi, Rome, Italië en het publieke beligting gedryf. Dit was aangedryf deur twee Siemens & Halske alternators met 'n vermoë van 22 kW, 2 kV teen 120 Hz en het 19 km kabel gebruik. Daar was ook 200 parallel verbinde 2 kV na 20 V verlagingstranformators gebruik met 'n geslote magnetiese kring vir elke lig. 'n Paar maande later was dit gevolg deur die eerste Britse WS-stelsel wat Grosvenor Gallery bedien het. Dit het ook Siemens-alternators en 2,4 kV tot 100 V verlagingstransformators, een per gebruiker, gebruik.

Verwysings

↑ "Grand Coulee Powerplant". U.S. Bureau of Reclamation. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 April 2014. Besoek op 11 Maart 2015.
↑ "A Primer on Electric Utilities, Deregulation, and Restructuring of U.S. Electricity Markets" (PDF). United States Department of Energy Federal Energy Management Program (FEMP). Mei 2002. Geargiveer (PDF) vanaf die oorspronklike op 9 Oktober 2022. Besoek op 30 Oktober 2018.
↑ Hans Dieter Betz, Ulrich Schumann, Pierre Laroche (2009). Lightning: Principles, Instruments and Applications. Springer, pp. 202–203. ISBN 978-1-4020-9078-3. Retrieved on 13 May 2009.
↑ Banerjee, Neela (16 September 2001). "After the Attacks: The Workers; Con Edison Crews Improvise as They Rewire a Truncated System". The New York Times.
↑ "Investigation of the September 2013 Electric Outage of a Portion of Metro-North Railroad's New Haven Line". documents.dps.ny.gov. 2014. Besoek op 29 Desember 2019.
↑ NYSPSC case no. 13-E-0529
↑ Thomas P. Hughes (1993). Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880–1930. Baltimore: Johns Hopkins University Press. pp. 119–122. ISBN 0-8018-4614-5.
↑ ^8,0 ^8,1 Guarnieri, M. (2013). "The Beginning of Electric Energy Transmission: Part One". IEEE Industrial Electronics Magazine. 7 (1): 57–60. doi:10.1109/MIE.2012.2236484. S2CID 45909123.
↑ "Electricity Transmission: A primer" (PDF). National Council on Electricity Policy. Geargiveer (PDF) vanaf die oorspronklike op 9 Oktober 2022. Besoek op 17 September 2019.

[GCPP-1] "Grand Coulee Powerplant". U.S. Bureau of Reclamation. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 29 April 2014. Besoek op 11 Maart 2015.

[femp01-2] "A Primer on Electric Utilities, Deregulation, and Restructuring of U.S. Electricity Markets" (PDF). United States Department of Energy Federal Energy Management Program (FEMP). Mei 2002. Geargiveer (PDF) vanaf die oorspronklike op 9 Oktober 2022. Besoek op 30 Oktober 2018.

[3] Hans Dieter Betz, Ulrich Schumann, Pierre Laroche (2009). Lightning: Principles, Instruments and Applications. Springer, pp. 202–203. ISBN 978-1-4020-9078-3. Retrieved on 13 May 2009.

[4] Banerjee, Neela (16 September 2001). "After the Attacks: The Workers; Con Edison Crews Improvise as They Rewire a Truncated System". The New York Times.

[5] "Investigation of the September 2013 Electric Outage of a Portion of Metro-North Railroad's New Haven Line". documents.dps.ny.gov. 2014. Besoek op 29 Desember 2019.

[6] NYSPSC case no. 13-E-0529

[hughes-7] Thomas P. Hughes (1993). Networks of Power: Electrification in Western Society, 1880–1930. Baltimore: Johns Hopkins University Press. pp. 119–122. ISBN 0-8018-4614-5.

[guarnieri_7-1-8] 8,0 ^8,1 Guarnieri, M. (2013). "The Beginning of Electric Energy Transmission: Part One". IEEE Industrial Electronics Magazine. 7 (1): 57–60. doi:10.1109/MIE.2012.2236484. S2CID 45909123.

[ncep1-9] "Electricity Transmission: A primer" (PDF). National Council on Electricity Policy. Geargiveer (PDF) vanaf die oorspronklike op 9 Oktober 2022. Besoek op 17 September 2019.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]