In der Region, in der ich lebe, gibt es eine staatliche Norm, die besagt, dass die Netzspannungsabweichung kontinuierlich innerhalb von 5 Prozent und für kurze Zeit innerhalb von 10 Prozent liegen kann. Wenn die Netzspannung also innerhalb dieser Bereiche liegt, ist das in Ordnung. Die Nennspannung beträgt 220 Volt, kann also dauerhaft 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 unterdimensionierte Drähte und große Verluste und schlechte Drahtverbindungen gibt und dies zu einer Unterspannung am Verbraucherstandort führen kann.
Was würde Überspannung verursachen? Ich meine, es gibt irgendwo sorgfältig konstruierte Generatoren, die sich mit sorgfältig überwachten "richtigen" Geschwindigkeiten drehen und eine sorgfältig vorberechnete Spannung erzeugen. Dann gibt es Transformatoren, die wiederum die richtige Windungszahl 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 vorgesehen werden würde. Doch es gibt sogar einen staatlichen Standard, der ziemlich große Abweichungen zulässt.
Was genau verursacht Überspannungen im Stromnetz?
Warum liegt die Netzspannung in der Regel über dem Nennwert? Ich spreche nicht von Stromspitzen, die die Margen verlassen. Wir sprechen von Standardoperationen. Die Leistung ist konstruktionsbedingt näher am oberen Rand als in der Mitte eingestellt. Das sind die Gründe:
Herkömmliche Stromgeneratoren 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 50Hz-Netzen laufen beispielsweise mit 1500/min.
Die Netzfrequenz ist so ziemlich der einzige dauerhaft konstante Wert, den Sie vom Netz erwarten können.
Bei fester Drehzahl wird die Leistungsabgabe eines Generators durch die Erregung der Feldspulen und die mechanische Eingabe 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 gerät aus dem Takt, was verhindert werden muss.
Einige Arten von Kraftwerken laufen asynchron (meistens Schwungrad, Solar, Wind), was bedeutet, dass ihre Leistungsabgabe elektronisch geregelt werden muss, um sie an das Netz anzupassen.
Aus mehreren Gründen werden die Stromversorger nach oben regeln.
Erstens können sie schneller reagieren, um die Leistung zu reduzieren: Etwas Dampf umleiten, Erregung reduzieren, fertig. Um nach oben zu reagieren, müssen sie erst mehr Dampf machen, was Zeit braucht. Es ist also sicherer, am oberen Limit zu sein.
Zweitens kann die gleiche Leistung effizienter transportiert werden, wenn die Spannung höher ist. Verluste entstehen fast ausschließlich durch Strom, höhere Spannung bedeutet weniger Strom, also weniger Verlust, ein größerer Prozentsatz der Spannung kommt beim Kunden an, und nur der Strom, der ankommt, wird bezahlt.
Schließlich ist ein Teil des verbrauchten Stroms reiner elektrischer 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 genau, wie viel Strom im Durchschnitt verbraucht wird. Sie wissen, wie viel mehr an besonderen Tagen wie Erntedankfest (jeder Herd ist an diesem Tag in Betrieb) oder am Superbowl-Tag benötigt wird. Sie werden eine ganze Weile vorausplanen.
Dabei wird die Qualität der Netzleitungen berücksichtigt: Kennen sie den Spannungsabfall innerhalb eines Quartiers eher hoch, wird die Versorgung dieses Quartiers so aufgebaut, dass möglichst die geplante Spannung beim 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 Spannungseinbrüche und auch Phasenverschiebungen der Fluch der Versorger: Diese beiden Faktoren führen zu größeren Verlusten in den Leitungen, die sie selbst bezahlen müssen.
Sie haben Recht, dass das Gitter fein abgestimmt ist, aber es ist nicht so statisch, wie Sie glauben machen möchten. Das gesamte Netz ist eine riesige Maschine, die ziemlich instabil ist. Eine ständige Überwachung und Nachjustierung ist erforderlich, damit das System einen stabilen Betrieb aufrechterhält.
Sie haben zwar Recht, dass ein Generator (größtenteils) eine stabile Spannung erzeugt, die Belastung des Netzes ändert sich jedoch jede Sekunde. Systeme, die diese Änderungen überwachen, können nicht immer sofort reagieren, insbesondere wenn große bewegliche Objekte wie Generatoren beteiligt sind.
Beginnen wir bei Ihnen zu Hause. Der Transformator, der Ihren Bereich versorgt, hat drei Phasen. Der Stadtplaner hätte die Häuser in Ihrer Nachbarschaft in (fast) gleicher Anzahl in jeder Phase geplant. Wenn sich nun die Lasten unterscheiden, führt dies zu geringfügigen Verschiebungen der Spannungen in jeder Phase, da die Phasen unsymmetrisch werden. Dies ist normalerweise geringfügig, kann jedoch leicht zu den geringfügigen Schwankungen führen, die Sie sehen. Wenn Sie Messungen über die Zeit grafisch darstellen können, sollte es interessant sein, wie die Schwankungen während der Spitzenzeiten (morgens und abends) aussehen.
Es gibt viele andere Arten, in denen das Netz dynamisch ist: Übertragungsleitungen erwärmen sich und kühlen sich ab, indem sie ihren Widerstand ändern, 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 Last auf ihnen (dem Netz) ändert, führt dies dazu, dass der Generator leicht beschleunigt oder verlangsamt wird. Dies wird durch Reaktionsräder kompensiert, die Energie vom Generator abgeben und aufnehmen.
All dies ändert die Belastung des Netzes und daher treten Spannungsschwankungen auf.
Wie andere gesagt haben, besteht das grundlegende Problem darin, dass sich die Nachfrage schnell ändern kann, aber die großen Maschinen, die Strom erzeugen, und die Leistungsaufnahme für sie können nicht so schnell geändert werden.
Hier in den USA ist der Standard, dass alles alle 4 Sekunden neu bewertet wird. Das Kontrollzentrum für jede Region überwacht die Ströme durch die verschiedenen Übertragungsleitungen, die Spannungen an verschiedenen Orten und die Leistung, die von jedem der großen Erzeuger in das Netz eingespeist wird.
Die Eigenschaften jedes Erzeugers 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 oft Turbowellenmotoren, die einen Generator antreiben. Diese werden normalerweise außer bei hoher Nachfrage abgeschaltet. Wasserkraftwerke haben ihre eigenen Eigenschaften. Sie können relativ schnell, in der Größenordnung von einer oder wenigen Minuten, auf große Nachfrageänderungen reagieren. 4 Sekunden wurden zum Teil gewählt, weil damals nichts so schnell reagieren konnte. Der zentrale Controller, der die Signale alle 4 Sekunden aussendet, wendet auch einen Fairness-Algorithmus an. Wenn es beispielsweise mehrere Peaking-Anlagen in der Umgebung gibt, es versucht, sie ungefähr gleich zu nutzen. Die Verwaltung des Netzes ist ein komplexes Problem, und es kann viel Geld verschwendet werden, wenn man es falsch macht.
Es gibt ein lokales Unternehmen, Beacon Power , das Schwungradspeichersysteme für das Stromnetz herstellt. Dies sind große Schwungräder in evakuierten Kammern, die auf Magnetlagern laufen. Jedes Schwungrad kann etwa 100 kWh Strom speichern. Dies ist eine reine Speicherung, keine Erzeugung, aber der Vorteil ist, dass das Speichern und Abrufen von Strom elektronisch abgewickelt wird und daher sehr schnell reagieren kann. Es ist möglich, einen Business Case für die Installation dieser Schwungräder nur wegen der kurzfristigen Spitzenwerte zu erstellen, die sie sowohl absorbieren als auch produzieren. Einige neuere Stromerzeugungsanlagen werden solche Kurzzeitspeicher lokal integrieren. Dadurch wirkt die Gesamtanlage wie ein gutmütiges, flexibles und reaktionsschnelles Kraftwerk, selbst wenn die ultimative Energiequelle Wasserkraft, Kohle oder Öl ist.
Es gibt eine weitere interessante Anlage in der Nähe des Northfield Mountain Reservoir . Es ist eine viel größere Energiespeicherstation, die mit der potentiellen Energie des Wassers arbeitet. Bei geringer Last, wenn die langsam reagierenden Kraftwerke mehr als nötig produzieren, wird Wasser aus dem Connecticut River bergauf zum Northfield Mountain Reservoir gepumpt. Bei hoher Nachfrage fließt Wasser bergab zurück zum Fluss und erzeugt Strom. Die Station verfügt über 4 umschaltbare Generatoren mit einer Nennleistung von jeweils 270 MW, sodass die gesamte Station für eine Weile über 1 GW Spitzenleistung liefern kann.
Mehr oder weniger das, was sie in den meisten Fällen sagten. Plus:
Bei sehr großen Maschinen dauert es endlich, die Ausgangsleistung zu ändern. Ventile von Hydroturbinen müssen geöffnet oder geschlossen werden, was Tonnen von fließendem Wasser beeinträchtigt.
Ein Blitz schlägt ein / ein Auto fährt gegen einen Mast / ein Hausbrand oder eine unterbrochene Leitung kurz vor einer Zuleitung. Unterbrecher offen. Der Fehler breitet sich möglicherweise nicht oder nur geringfügig in der Kette aus. Last fällt plötzlich ab. Rotierende Maschinensteuerungen erfordern eine Abschaltung der Energiezufuhr. Wasserzufuhr zur Turbine sinkt, Kohlezufuhr zum Feuer sinkt ... . Die Spannung steigt schnell an und pendelt sich dann wieder in den stationären Zustand ein.
NZ und Frankreich stehen kurz vor der Halbzeit im Endspiel der Rugby-Weltmeisterschaft 12:11. Der Ball fliegt in Richtung der Torpfosten - und prallt ab. Keine Strafe vergeben. Der Schiedsrichter pfeift und die beiden Mannschaften joggen vom Feld. 1.300.000 Neuseeländer hören auf, fernzusehen. 22 % gehen auf die Toilette. Die Pumpstation der Wasserversorgung bemerkt den Druckstoß einige Minuten lang nicht. 127.000 elektrische Kannen werden für eine schnelle Tasse Kaffee eingeschaltet. Mehr. Die Strombelastung steigt drastisch an. Spannung fällt ab. Mehr Wasser wird angewählt. mehr Kohle, mehr ... . Die beiden Mannschaften rennen auf das Feld, Kessel klicken ab. Lichter sind ausgeschaltet. Toiletten werden geräumt. ... Lastabfälle. Kohle wird noch nachgelegt, bisher ... . Spannung steigt ... .
Alle diese Generatoren erzeugen genau die Spannungen, für die sie gebaut wurden. Das passiert größtenteils auf dem Weg vom Generator bis zu Ihrem Stecker.
In Südafrika schlagen bei Gewittern Blitze in der Nähe oder direkt an einer Hochspannungsleitung ein und verursachen Massaker an den Step-Down-Stationen - es gibt Schutz dafür (und es wird versucht, sofort zu reagieren), aber oft werden es Menschen aus nahe gelegenen Städten tun am nächsten Tag Elektrowerkstätten füllen, weil ihr Fernseher explodiert ist. Diese Spikes breiten sich im Netzwerk aus, was aufgrund von Toleranzniveaus von 10 % zulässig ist. (Ich spreche aus Erfahrung und erfinde hier nichts)
In anderen Teilen der Welt, verursacht durch Hurrikane, Erdbeben.
Unter anderen Umständen könnte es durch einen Baum verursacht werden, der auf Hochspannungsleitungen fällt
Plötzliche Änderung der atmosphärischen Eigenschaften.
Stromnetzumleitung (Wartungseinsätze)
Es kann aber auch im Haus selbst durch Geräte verursacht werden, die Rückkopplungen erzeugen.
Im Laufe der Jahre und mit einer Vielzahl neuer Verkabelungsgesetze wurden diese Einbrüche/Spitzen größtenteils entfernt. Aber die Toleranz ist immer noch da und die meisten Endgeräte tolerieren diese Abweichung, weil der Strom durch Transformatoren im Gerät weiter verfeinert wird.
Wie alle anderen gesagt haben, ist das Netz eine sich ständig verändernde Sache. Ich habe hier in den Niederlanden einige Dokumentarfilme über lokale Energieversorger gesehen. Am häufigsten hört man, dass sie „typische“ Spitzenzeiten haben, in denen sie Strom produzieren müssen. Üblicherweise 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 (insbesondere unerwarteten) Regen, Schauer usw. beobachten. Was passiert ist, dass Regen viele Gebäude herunterkühlt, was wiederum Energie benötigt, um sie auf Temperatur zu halten. Die typische (dh durchschnittliche) Antwort ist, dass die Leute mehr Strom und Energie verbrauchen werden, um alles warm zu halten. Um dem entgegenzuwirken, stellt sich das Kraftwerk auf mehr Kapazität ein, wenn es scheint, als würde es regnen, weil sie wissen, dass sie wie gewohnt mehr Energie liefern müssen.
Alle diese Effekte werden von Computern gesteuert. Viele Statiken und „typisch erwartete“ Kurven werden unter bestimmten Umständen wahrscheinlich modelliert, um das Gitter einigermaßen stabil zu halten. Eigentlich sind nur wenige Betreiber auf den Kraftwerken selbst unterwegs. Es können 1-2 Techniker im Kleinkraftwerk selbst und 1-2 Bediener im Büro sein.
Um auf Ihre Frage zurückzukommen: Es ist sehr schwierig, das Netz stabil zu halten. Aufgrund der Last, die sich schneller ändern kann als die Maschinen, erfolgt ein Großteil der Regulierung nach „erwarteten Mustern“. Das Hinzufügen von Windrädern ans Netz macht die Regulierung etwas schwieriger, da sie bei starkem Wind ein paar zusätzliche MW produzieren können, und ein paar Minuten später kann es weg sein, wenn er aufhört.
Hauptgrund für Überspannungen sind
Lasten sind ohmscher, induktiver und kapazitiver Natur. In diesem Fall sind induktive und kapazitive Lasten reaktiver Natur, während ohmsche Lasten Real (Leistung) genannt werden. In einem normal laufenden Stromsystem sollten Wirkleistung und Blindleistung im Gleichgewicht sein, dh (ungefähr) erzeugte Wirkleistung = verbrauchte Wirkleistung (Last + Verluste), sonst erhöhen oder verringern sich die Drehzahl des Generators und die Frequenz. Ähnlich erzeugte Blindleistung = verbrauchte Blindleistung, sonst steigt und fällt die Spannung. Normalerweise sind Generatoren so ausgestattet, dass sie die Wirk- und Blindleistung je nach Lastanforderung anpassen, indem sie Spannung und Frequenz überwachen. Aktivitäten wie Blitzumschaltungen verursachen plötzliche Schwankungen, die zu Überspannungen führen. Die Induktivität wirkt einer Stromänderung entgegen.für weitere Referenzen.
Russell McMahon
Konsalik