Was verursacht Überspannung im Stromnetz?

In der Region, in der ich lebe, gibt es einen staatlichen Standard, der besagt, dass die Netzspannungsabweichung kontinuierlich innerhalb von 5 Prozent und für kurze Zeit innerhalb von 10 Prozent liegen kann. Wenn also die Netzspannung innerhalb dieser Bereiche liegt, ist das in Ordnung. Die Nennspannung beträgt 220 Volt, kann also kontinuierlich im Bereich von 209 bis 231 Volt und für kurze Zeit im Bereich von 198 bis 242 Volt liegen.

Jetzt verstehe ich, dass es manchmal zu kleine Drähte und große Verluste und schlechte Drahtverbindungen gibt, was zu Unterspannungen beim Verbraucher führen kann.

Was würde eine Überspannung verursachen? Ich meine, es gibt irgendwo sorgfältig entworfene Generatoren, die sich mit sorgfältig überwachten "richtigen" Drehzahlen drehen und sorgfältig vorberechnete Spannung erzeugen. Dann gibt es Transformatoren, die wieder die richtige Anzahl von Winden in jeder Wicklung haben und so die richtige Spannung in die andere richtige Spannung umwandeln. Ich sehe also nicht, wie die Spannung plötzlich höher als geplant werden würde. Es gibt jedoch sogar einen staatlichen Standard, der ziemlich große Abweichungen zulässt.

Was genau verursacht Überspannungen im Stromnetz?

Warum liegt die Netzspannung generell über dem Nennwert? Ich spreche nicht von Stromspitzen, die die Ränder verlassen. Wir sprechen über Standardoperationen. Die Leistung wird standardmäßig näher am oberen Rand als in der Mitte eingestellt. Dies sind die Gründe:

Standard-Stromerzeuger laufen alle mit einer bestimmten Drehzahl, die mit der Netzfrequenz synchronisiert ist. Die Drehfrequenz des Generators hängt auch davon ab, mit wie vielen Polen er ausgestattet ist. Alle 4-poligen Generatoren in 50-Hz-Netzen arbeiten beispielsweise mit 1500 / min.

Die Netzfrequenz ist fast der einzige dauerhaft konstante Wert, den Sie vom Netz erwarten können.

Bei der festen Drehzahl wird die Ausgangsleistung eines Generators durch die Erregung der Feldspulen und den mechanischen Eingang an der Turbine oder dem Motor geregelt. Beide Werte müssen gemeinsam geregelt werden. Wenn Sie die Erregung erhöhen, ohne die mechanische Eingabe zu erhöhen, wird die Maschine langsamer und nicht mehr synchron, was verhindert werden muss.

Einige Arten von Kraftwerken laufen asynchron (Schwungrad, Sonne, Wind meistens), was bedeutet, dass ihre Leistung elektronisch geregelt werden muss, um sie in das Netz einzubauen.

Aus mehreren Gründen werden die Stromversorger zum oberen Ende hin regulieren.

Erstens können sie schneller reagieren, um die Leistungsabgabe zu verringern: etwas Dampf umleiten, Erregung reduzieren, fertig. Um nach oben zu reagieren, müssen sie zuerst mehr Dampf erzeugen, was Zeit braucht. Es ist also sicherer, an der Obergrenze zu sein.

Zweitens kann dieselbe Leistung effizienter transportiert werden, wenn die Spannung höher ist. Verluste entstehen fast ausschließlich durch Strom, höhere Spannung bedeutet weniger Strom, so dass weniger Verlust, ein größerer Prozentsatz der Spannung beim Kunden ankommt und nur der ankommende Strom bezahlt wird.

Ein Teil der verbrauchten Leistung ist der reine elektrische Widerstand, der bei höherer Spannung mehr Strom verbraucht, was zu einem höheren Verbrauch und höheren Umsätzen führt. Ich nehme an, das ist keine große Sache.

Jetzt wissen die Stromversorger sehr gut, wie viel Strom durchschnittlich verbraucht wird. Sie wissen, wie viel mehr an besonderen Tagen wie Thanksgiving (jeder Herd ist an diesem Tag in Aktion) oder am Superbowl-Tag benötigt wird. Sie werden eine ganze Weile vorausplanen.

Hierbei wird die Qualität der Netzleitungen berücksichtigt: Wenn sie den Spannungsabfall in einer Nachbarschaft ziemlich hoch kennen, wird die Versorgung dieser Nachbarschaft so eingerichtet, dass die geplante Spannung nach Möglichkeit bei den Kunden ankommt. Transformatoren zwischen den Hoch- / Mittel- / Niederspannungsnetzen können bis zu einem gewissen Grad geregelt werden. (siehe ULTC unter http://en.wikipedia.org/wiki/Tap_%28transformer%29 )

Daher sind Spannungsabfälle und auch Phasenverschiebungen der Fluch der Lieferanten: Diese beiden Faktoren führen zu größeren Verlusten in den Leitungen, die sie selbst bezahlen müssen.

Sie haben Recht, dass das Raster fein abgestimmt ist, aber es ist nicht so statisch, wie Sie glauben machen würden. Das gesamte Gitter ist eine immense Maschine, die ziemlich instabil ist. Eine ständige Überwachung und Neueinstellung ist erforderlich, damit das System einen stabilen Betrieb aufrechterhält.

Während Sie richtig sind, dass ein Generator (größtenteils) eine stabile Spannung erzeugt, ändert sich die Last im Netz jede Sekunde. Systeme, die diese Änderungen überwachen, können nicht immer sofort reagieren, insbesondere wenn große sich bewegende Objekte wie Generatoren beteiligt sind.

Beginnen wir bei Ihnen zu Hause. Der Transformator, der Ihren Bereich versorgt, besteht aus drei Phasen. Der Stadtplaner hätte die Häuser in Ihrer Nachbarschaft in jeder Phase in (fast) gleichem Umfang entworfen. Wenn sich die Lasten unterscheiden, führt dies zu geringfügigen Verschiebungen der Spannungen in jeder Phase, wenn die Phasen unsymmetrisch werden. Dies ist normalerweise geringfügig, kann jedoch leicht zu geringfügigen Schwankungen führen, die Sie sehen. Wenn Sie Messungen über die Zeit grafisch darstellen können, sollte es interessant sein, wie die Schwankungen in Spitzenzeiten (morgens und abends) aussehen.

Es gibt viele andere Möglichkeiten, wie das Netz dynamisch ist: Übertragungsleitungen heizen sich auf und ab, ändern ihre Widerstände, Sonnenaktivität induziert Ströme in Übertragungsleitungen, ganze Städte werden aufgrund eines Unfalls vom Netz genommen. Meine persönliche Lieblingsinstabilität ist die Generatorphase. Generatoren müssen in Phase und auf Frequenz gehalten werden. Wenn sich jedoch die Belastung (das Netz) ändert, beschleunigt oder verlangsamt sich der Generator geringfügig. Dies wird durch Reaktionsräder ausgeglichen, die Energie vom Generator abgeben und absorbieren.

All dies ändert die Belastung des Netzes und daher werden Spannungsschwankungen auftreten.

Wie andere gesagt haben, besteht das Grundproblem darin, dass sich die Nachfrage schnell ändern kann, aber die großen Maschinen, die Strom erzeugen, und die Stromzufuhr zu ihnen können nicht so schnell geändert werden.

Hier in den USA ist der Standard, dass alle 4 Sekunden alles neu bewertet wird. Das Kontrollzentrum für jede Region überwacht die Ströme durch die verschiedenen Übertragungsleitungen, die Spannungen an verschiedenen Stellen und den Strom, der von jedem der großen Hersteller in das Netz eingespeist wird.

Die Eigenschaften jedes Herstellers sind bekannt, und alle 4 Sekunden wird ihm mitgeteilt, ob er seine Leistung nach oben oder unten regeln soll. Kernkraftwerke reagieren am langsamsten und werden normalerweise auf "Grundlast" gehalten. Dann gibt es "Peaking" -Anlagen, die viel schneller reagieren können, aber auch Strom teurer machen. Peaking-Anlagen sind häufig Turbowellenmotoren, die einen Generator antreiben. Diese werden normalerweise außer bei hoher Nachfrage ferngehalten. Wasserkraftwerke haben ihre eigenen Eigenschaften. Sie können ziemlich schnell in der Größenordnung von einer Minute oder einigen Minuten auf große Nachfrageänderungen reagieren. Zum Teil wurden 4 Sekunden gewählt, weil zu diesem Zeitpunkt nichts so schnell reagieren konnte. Die zentrale Steuerung, die die Signale alle 4 Sekunden sendet, wendet auch einen Fairness-Algorithmus an. Zum Beispiel, wenn es in der Gegend mehrere Peaking-Pflanzen gibt, es versucht, sie ungefähr gleichermaßen zu nutzen. Die Verwaltung des Netzes ist ein komplexes Problem, und es muss viel Geld verschwendet werden, wenn man es falsch macht.

Es gibt eine lokale Firma, Beacon Power , die Schwungradspeichersysteme für das Netz herstellt. Dies sind große Schwungräder in evakuierten Kammern, die auf Magnetlagern laufen. Jedes Schwungrad kann ca. 100 kWh Strom speichern. Dies ist reine Speicherung, keine Erzeugung, aber der Vorteil ist, dass das Speichern und Abrufen von Strom elektronisch erfolgt und daher sehr schnell reagieren kann. Es ist möglich, ein Geschäftsmodell für eine Installation dieser Schwungräder nur für die kurzfristige Spitze zu erstellen, die sie sowohl absorbieren als auch produzieren. Einige neuere Stromerzeugungsanlagen werden solche Kurzzeitspeicher vor Ort enthalten. Dadurch sieht die Gesamtinstallation wie ein gut erzogenes, flexibles und schnell reagierendes Kraftwerk aus, selbst wenn die ultimative Stromquelle Wasserkraft, Kohle oder Öl ist.

In der Nähe von Hear gibt es eine weitere interessante Pflanze namens Northfield Mountain Reservoir . Es ist eine viel größere Energiespeicherstation, die mit der potentiellen Energie von Wasser arbeitet. Bei geringer Belastung, wenn die langsam reagierenden Kraftwerke mehr als nötig produzieren, wird Wasser vom Connecticut River bergauf zum Northfield Mountain Reservoir gepumpt. Bei hoher Nachfrage fließt das Wasser bergab zurück zum Fluss und erzeugt Strom. Die Station verfügt über 4 reversible Generatoren mit einer Leistung von jeweils 270 MW, sodass die gesamte Station für eine Weile eine Spitzenleistung von über 1 GW liefern kann.

Mehr oder weniger das, was sie in den meisten Fällen sagten. Plus:

Bei sehr großen Maschinen dauert es nur eine begrenzte Zeit, um die Leistung zu ändern. Wasserturbinenventile müssen geöffnet oder geschlossen werden, was sich auf Tonnen fließenden Wassers auswirkt. Dampfturbinen mit Kohlekesseln müssen mit der Energie im Ofen umgehen, wenn die Last abfällt - oder es muss zusätzlicher Brennstoff hinzugefügt werden, wenn die Last plötzlich springt.

Lichtschläge / ein Auto trifft eine Stange / ein Hausbrand oder eine unterbrochene Linie kurz vor einem Feeder. Unterbrecher öffnen sich. Der Fehler breitet sich möglicherweise nicht oder nur geringfügig in der Kette aus. Last fällt plötzlich ab. Rotierende Maschinensteuerungen erfordern das Abschalten des Energieeintrags. Wasserzufuhr zu Turbinentropfen, Kohlezufuhr zu Feuer senkt .... Die Spannung steigt schnell an und kehrt dann in den stationären Zustand zurück.

Neuseeland und Frankreich stehen kurz vor der Halbzeit im Rugby-Weltcup-Finale zwischen 12 und 11 Uhr. Der Ball biegt sich in Richtung der Torpfosten - und prallt ab. Keine Strafe vergeben. Der Schiedsrichter pfeift und die beiden Teams joggen vom Feld. 1.300.000 Neuseeländer hören auf, fernzusehen. 22% gehen auf die Toilette. Die Wasserversorgungspumpstation bemerkt den Anstieg einige Minuten lang nicht. 127.000 elektrische Krüge werden für eine schnelle Tasse Kaffee eingeschaltet. Mehr. Die Leistungslast steigt drastisch an. Spannungsabfall. Es wird mehr Wasser angewählt. mehr Kohle, mehr .... Die beiden Teams rennen auf das Feld, Kessel klicken ab. Die Lichter sind ausgeschaltet. Toiletten sind geräumt. ... Lasttropfen. Bisher wird noch Kohle hinzugefügt .... Spannung steigt ....

Alle diese Generatoren erzeugen exakte Spannungen, für die sie gebaut wurden. Dies geschieht zum größten Teil auf dem Weg vom Generator zum Stecker.

• In Südafrika wird während eines Gewitters die Beleuchtung in der Nähe oder direkt an eine Hochspannungsleitung gerichtet, was zu Massakern an den Absenkstationen führt. Es gibt Schutz dafür (und es wird versucht, sofort zu reagieren), aber oftmals werden Menschen aus Städten in der Nähe Füllen Sie am nächsten Tag elektrische Reparaturwerkstätten, weil ihr Fernseher explodiert ist. Diese Spitzen kräuseln das Netzwerk, was aufgrund von Toleranzwerten von 10% zulässig ist. (Ich spreche aus Erfahrung und denke hier nicht nach)

• In anderen Teilen der Welt, verursacht durch Hurrikane, Erdbeben.

• Unter anderen Umständen kann dies durch einen Baum verursacht werden, der auf Hochleistungsleitungen fällt

• Plötzliche Änderung der atmosphärischen Eigenschaften.

• Stromnetzumleitung (Wartungsaufrufe)

• Aber es kann auch zu Hause durch Geräte verursacht werden, die Rückmeldungen erzeugen.

Im Laufe der Jahre und mit vielen neuen Verdrahtungsgesetzen wurden diese Einbrüche / Spitzen größtenteils entfernt. Die Toleranz ist jedoch weiterhin vorhanden, und die meisten Endbenutzergeräte tolerieren diese Abweichung, da der Strom mithilfe von Transformatoren im Gerät weiter verfeinert wird.

Wie alle anderen gesagt haben, ändert sich das Raster ständig. Ich habe einige Dokumentarfilme über lokale Energieunternehmen hier in den Niederlanden gesehen. Am häufigsten hören Sie, dass sie „typische“ Spitzenzeiten haben, in denen sie Strom produzieren müssen. Normalerweise bereiten sich Kraftwerke auf diese Momente vor; Gibt es genügend Kapazitäten, um mit der steigenden Nachfrage Schritt zu halten?

Es geht sogar so weit, dass einige Energieunternehmen das Wetterradar auf (besonders unerwarteten) Regen, Schauer usw. beobachten. Was passiert, ist, dass Regen viele Gebäude abkühlt, was wiederum Energie benötigt, um sie auf Temperatur zu halten. Die typische (dh durchschnittliche) Reaktion ist, dass die Menschen mehr Strom und Energie verbrauchen, um alles warm zu halten. Um dem entgegenzuwirken, bereitet sich das Kraftwerk auf mehr Kapazität vor, wenn es zu regnen scheint, weil es weiß, dass es wie gewohnt mehr Energie liefern muss.

Alle diese Effekte werden von Computern gesteuert. Viele statische Daten und "typische erwartete" Kurven werden unter bestimmten Umständen wahrscheinlich so modelliert, dass das Gitter nicht stabil bleibt. Tatsächlich sind nur wenige Betreiber selbst in den Kraftwerken. Es können 1-2 Techniker im kleinen Kraftwerk selbst und 1-2 Bediener im Büro sein.

Zurück zu Ihrer Frage: Es ist sehr schwierig, das Gitter stabil zu halten. Aufgrund der Last, die sich schneller als die Maschinen ändern kann, erfolgt ein Großteil der Regulierung nach „erwarteten Mustern“. Das Hinzufügen von Windkraftanlagen zum Netz erschwert die Regulierung etwas, da sie bei starkem Wind einige zusätzliche MW erzeugen können und einige Minuten später beim Stoppen weg sein können.

Hauptgrund für Überspannungen sind

1. Blitz
2. Spannungsspitzen schalten
3. Isolationsfehler
4. Resonanz

Lasten sind resistiver, induktiver und kapazitiver Natur. In diesem induktiven und kapazitiven Bereich sind Lasten reaktiver Natur, während ohmsche Lasten als Real (Leistung) bezeichnet werden. In einem normal laufenden Stromversorgungssystem sollten Wirkleistung und Blindleistung im Gleichgewicht sein, dh (ungefähr) erzeugte Wirkleistung = verbrauchte Wirkleistung (Last + Verluste), da sonst die Drehzahl des Generators und der Frequenz zunimmt oder abnimmt. Ähnlich erzeugte Blindleistung = verbrauchte Blindleistung, sonst steigt und sinkt die Spannung. Normalerweise sind Generatoren so ausgestattet, dass sie die Wirk- und Blindleistung je nach Lastanforderung durch Überwachung von Spannung und Frequenz einstellen. Aktivitäten wie Blitzwechsel verursachen plötzliche Schwankungen, die zu Überspannungen führen. Die Induktivität wirkt einer Stromänderung entgegen. zur weiteren Bezugnahme.