Koniec ewolucji systemów elektroenergetycznych? 230V, 50Hz
advertisement
Koniec ewolucji systemów elektroenergetycznych? 230V, 50Hz versus 120V, 60Hz Autor: Piotr Olszowiec („Energia – Gigawat” – styczeń/luty 2008) Mimo postępującej globalizacji systemy elektroenergetyczne w róŜnych częściach świata dalekie są od przyjęcia ujednoliconych standardów. Dobitnym wyrazem tego zróŜnicowania są podstawowe parametry sieci elektrycznych niskiego napięcia czyli napięcie i częstotliwość. Pod względem tych dwóch charakterystycznych wielkości świat od dawna jest podzielony na kilka regionów o odmiennych standardach. Wszystkie europejskie oraz większość azjatyckich i afrykańskich krajów stosuje napięcie 230V +/10% , natomiast Ameryka Północna, Japonia i niektóre państwa Ameryki Południowej posługują się zasilaniem w granicach 100-127V. Wybór poziomu niskiego napięcia okazał się bardziej sprawą tradycji niŜ optymalizacji sieci rozdzielczej i aparatury elektrycznej. Teoretycznie budowa sieci rozdzielczej o wyŜszym napięciu pochłania mniejszą ilość materiału na przewody i aparaturę dla dostarczenia tej samej mocy. W przypadku indywidualnych odbiorników 230V, niewielkiej mocy przekrój przewodu dobierany ze względu na wymaganą wytrzymałość mechaniczną (i ewentualnie ochronę przeciwporaŜeniową) najczęściej przekracza minimalną wartość wyznaczoną przez prąd obciąŜenia. W ten sposób traci się podstawowy atut (oszczędność) uzyskiwany dzięki podniesieniu napięcia zasilania czyli moŜliwość zmniejszenia przekroju przewodów. Dodatkowym argumentem przeciwko podwyŜszeniu napięcia pracy jest fakt, iŜ najbardziej rozpowszechnione źródła światła, jakimi pozostają Ŝarówki, wykazują wyŜszą sprawność i trwałość przy napięciu 120V niŜ przy 220V. Dla wygody i oszczędności uŜytkowników w krajach stosujących napięcie rzędu 120V wprowadzono więc uniwersalny trójprzewodowy układ jednofazowego napięcia 2 x 120V, który dostarcza zarówno napięcie 120 jak i 240V. W Unii Europejskiej wprowadzono ujednolicony poziom niskiego napięcia 230 V ± 10%, 50Hz. W okresie przejściowym 1995-2008 kraje dotychczas stosujące 220V mogą posługiwać się zakresem 230 V +6% −10%, zaś państwa wcześniej stosujące 240V (m.in. Wlk.Brytania) przejdą na zakres 230 V +10% −6%. W praktyce więc w tych krajach nic się nie zmieni, gdyŜ zarówno 220 jak i 240V mieszczą się w przedziale 230 V ±6%. W USA i Kanadzie przepisy ustaliły znamionową wartość niskiego napięcia na poziomie 120V z dopuszczalną odchyłką ±5%. Wcześniej na tym kontynencie posługiwano się równieŜ napięciami 110, 115 i 117V. Australia przyjęła “europejski” poziom napięcia 230V dopiero w 2000 roku; wcześniej uŜywano tu, podobnie jak na Wyspach Brytyjskich, nieco wyŜszej wartości 240V. Oryginalną „enklawą” pozostaje Japonia, gdzie napięcie wynosi zaledwie 100V, a przy tym na części wyspy Honsiu i na wyspie Hokkaido stosuje się częstotliwość 50Hz, zaś na pozostałym obszarze 60Hz. Dla dostosowania do odmiennych częstotliwości napięcia roboczego odbiorniki elektryczne posiadają moŜliwość przełączania na dowolny z tych parametrów. Przyjęcie nietypowego (w naszym wyobraŜeniu) zakresu napięcia 100-127V Ameryka (i szereg innych krajów) zawdzięcza Edisonowi. Ten wynalazca technologii prądu stałego był zwolennikiem wymienionych wartości ze względów ochrony przed poraŜeniem elektrycznym. Ponadto przy tym napięciu ówczesne Ŝarówki z włókna węglowego okazały się konkurencyjne dla oświetlenia gazowego. Przy wyŜszym napięciu włókna te stawały się kruche i ulegały szybszemu przepaleniu. Dopiero w końcu XIX wieku wprowadzono Ŝarówki z metalowym Ŝarnikiem. Korzystając z ich wyŜszej odporności temperaturowej berlińska firma Berliner Elektrizitäts-Werk podniosła napięcie przemienne swoich sieci do 220V. Posunięcie to wyznaczyło obowiązujący do dziś w Europie model zasilania napięciem 220-240V. Tymczasem Ameryka Północna w zakresie zasilania źródeł światła i drobnych odbiorów pozostała do dziś przy swym wcześniejszym wyborze. Jednak dostępność wspomnianego trójprzewodowego układu zasilania 2x120V zapewnia tamtejszym odbiorcom niezbędną elastyczność wyboru Ŝądanego napięcia: 120V dla oświetlenia i niewielkich odbiorników, 240V dla odbiorów o większym poborze mocy. Od blisko stu lat częstotliwość 60Hz stanowi przyjęty parametr pracy systemów elektroenergetycznych w Ameryce Północnej. Jednak we wczesnej fazie rozwoju sieci elektrycznych wcale nie było wiadomo, która z częstotliwości zostanie uznana za standardową. We wczesnych etapach rozwoju elektroenergetyki stosowano wiele róŜnych częstotliwości. Między 1885 i 1900 rokiem w Stanach Zjednoczonych występowały między innymi takie częstotliwości napięcia przemiennego jak 140, 133 1/3, 125 , 83 i 1/3, 66 i 2/3, 60, 50, 40 i 33 i1/3, 30, 25 i 16 i 2/3 okresu na sekundę. Upowszechnienie 60Hz jako dominującej częstotliwości sieciowej zaleŜało głównie od rzeczywistych warunków pracy sieci elektrycznych oraz od konstrukcyjnych ograniczeń urządzeń. W miarę rozwoju technologii urządzeń elektroenergetycznych wyodrębniały się określone najkorzystniejsze częstotliwości. RównieŜ wraz z rozwojem systemów przesyłowych i rozdzielczych napięcia przemiennego uwidaczniała się potrzeba wprowadzenia połączeń międzysystemowych i ujednolicenia częstotliwości łączonych sieci. Rzeczywista historia standaryzacji częstotliwości w Ameryce Północnej rozpoczyna się w połowie lat 80. XIX wieku wraz z podjętymi przez Edisona próbami przyjęcia prądu stałego jako uniwersalnego standardu. Jednak próby wypromowania prądu stałego zakończyły się niepowodzeniem głównie dzięki staraniom Georga Westinghouse i Nicoli Tesli. Wkrótce ujawniły się zalety prądu przemiennego przy przesyle mocy na dalekie odległości (zmniejszone straty mocy w porównaniu z prądem stałym). W roku 1885, gdy powstawały pierwsze układy prądu przemiennego, praktycznie całe obciąŜenie elektryczne składało się z lamp Ŝarowych. W tamtych czasach nie uŜywano pojęcia częstotliwości, lecz zamiast niej stosowano pojęcie cykli na minutę. W 1886 roku powstał jeden z pierwszych zespołów prądotwórczych duŜej mocy. Generator ten pracował z prędkością 2000 obrotów na minutę i posiadał 8 biegunów, co dawało częstotliwość 133 1/3 Hz. Zatem jedna z pierwszych stosowanych częstotliwości napięcia przemiennego została zdeterminowana prawie wyłącznie względami konstrukcyjnymi generatora. W tamtych latach (1885–1887) stosowane były równieŜ częstotliwości 140 i 125Hz. Pierwsze układy prądu przemiennego były jednofazowe i nie zasilały jeszcze silników indukcyjnych, które pojawiły się w 1888 roku. Nie było wówczas równieŜ Ŝadnych linii przesyłowych na dłuŜsze odległości, ani nie pojawiła się teŜ potrzeba synchronizacji generatorów. W latach 90. XIX wieku zaczęto wprowadzać generatory sprzęŜone bezpośrednio z turbinami. Maszyny te okazały się bardziej niezawodne od prądnic napędzanych silnikami spalinowymi przez przekładnie pasowe, lecz pracowały z niŜszymi prędkościami obrotowymi. Wskutek tego pojawiła się potrzeba pracy przy niŜszych częstotliwościach generowanego napięcia. Dla przykładu prądnica napędzana bezpośrednio przez silnik z prędkością 100 obr/min wymagałaby 160 biegunów dla uzyskania częstotliwości 133 i 1/3 Hz. Taka konstrukcja generatora była nie do przyjęcia. W tym czasie firma Westinghouse wykonała badania inŜynierskie uwzględniające charakterystyki pracy urządzeń składowych systemu elektroenergetycznego oraz wszystkie ograniczenia konstrukcyjne i zaleciła częstotliwość 60Hz jako najwyŜszą dopuszczalną dla maszyn wirujących. Wartość ta była starannie dobranym kompromisem. UwaŜano, Ŝe wyŜsze częstotliwości są lepsze dla transformatorów, podczas gdy niŜsze częstotliwości były korzystniejsze dla ówczesnych generatorów. Częstotliwość 60Hz pojawiła się po raz pierwszy w sieciach elektrycznych w 1890 roku. Sieci te, podobnie jak wcześniejsze układy prądu przemiennego o częstotliwościach 140, 133 i 1/3 i 125Hz, były jednofazowe. W roku 1892 w eksploatacji było juŜ wiele elektrowni pracujących przy częstotliwości 60Hz. Nastąpił szybki rozwój konstrukcji indukcyjnych silników jedno- i trójfazowych. Jednocześnie firma Westinghouse dokonała znacznego postępu w rozwoju synchronicznych przetwornic, które słuŜyły do zamiany napięcia przemiennego na napięcie stałe. NaleŜy pamiętać, Ŝe w tamtych czasach większość elektrycznych odbiorów stanowiły nadal urządzenia prądu stałego. Jednocześnie upowszechniał się przesył energii elektrycznej na napięciu przemiennym w celu zmniejszenia strat. Pierwsze przetwornice synchroniczne okazały się najsprawniejsze przy częstotliwościach znacznie niŜszych od 60 Hz (33, 30, a nawet 16Hz). Ta ostatnia częstotliwość okazała się szczególnie odpowiednia dla silników komutatorowych, ale była zupełnie niepraktyczna dla lamp Ŝarowych z powodu migotania powodującego zmęczenie wzroku. Firma Westinghouse ponownie przeprowadziła badania i zaproponowała 25Hz jako częstotliwość kompromisową. W porównaniu z częstotliwością 16 2/3 Hz częstotliwość ta umoŜliwiała większą elastyczność wyboru prędkości i zapewniała wyŜszą sprawność przetwornic synchronicznych niŜ przy 60Hz. W połowie lat 90. XIX wieku większość elektrowni stosowała dwie róŜne częstotliwości: 25Hz dla przesyłu i przetwornic synchronicznych oraz 60Hz dla układów ogólnego stosowania (w tym oświetlenia). Warto porównać wady i zalety tych częstotliwości przy ówczesnym stanie techniki. Dla przetwornic synchronicznych częstotliwość 25Hz pozwalała uzyskiwać wyŜszą sprawność. Częstotliwość ta umoŜliwiała równieŜ bardziej stabilną pracę równoległą prądnic napędzanych silnikami. Praca równoległa prądnic stawała się coraz bardziej poŜądana w marę rozwoju ówczesnych systemów elektroenergetycznych. Ponadto częstotliwość 25Hz miała cenną zaletę z punktu widzenia przesyłu mocy. Dla linii przesyłowych o częstotliwości napięcia 25Hz reaktancja wzdłuŜna indukcyjna ulega zmniejszeniu, zaś reaktancja pojemnościowa wzrasta w porównaniu z częstotliwością 60Hz. Dzięki temu poprawiały się moŜliwości regulacji napięcia. Jednak częstotliwość 60Hz równieŜ miała swoje dodatnie strony: była bowiem znacznie korzystniejsza dla zasilania oświetlenia oraz dla konstrukcji transformatorów (oszczędność materiałów). Dodatkowo praca przy częstotliwości napięcia 60Hz umoŜliwiała znacznie szerszy zakres prędkości obrotowych maszyn – pozwalała bowiem uzyskać maksymalną prędkość obrotową 3600 obr/min dla maszyn o jednej parze biegunów. Na przełomie wieków wyŜej wymienione częstotliwości były najbardziej rozpowszechnionymi w elektroenergetyce USA. Oprócz 60Hz stosowano równieŜ 66 2/3 Hz oraz 50Hz. Ta ostatnia częstotliwość została ostatecznie przyjęta jako standard w Europie. Równocześnie oprócz częstotliwości 25Hz stosowano takŜe 30, 40 oraz 331/3 Hz. W latach poprzedzających pierwszą wojnę światową dokonał się ostatecznie zwrot w kierunku częstotliwości 60Hz. O stopniowym zaniechaniu częstotliwości 25Hz zadecydował znaczny postęp w konstrukcji przetwornic synchronicznych dostosowanych teraz do wyŜszych częstotliwości. Jednocześnie w latach 1910-1920 przezwycięŜono szereg problemów związanych z przesyłem mocy przy częstotliwości 60Hz. Zastosowanie silników synchronicznych do kompensacji mocy biernej sprzyjało podnoszeniu współczynnika mocy i zmniejszaniu spadku napięcia w coraz dłuŜszych liniach. W 1920 r. stało się jasne, Ŝe częstotliwość 60Hz stanie się jedyną w amerykańskich sieciach. Jednak inne częstotliwości nadal były i są stosowane w wąskim zakresie w pewnych regionach. Nawet obecnie w USA wytwarzana jest energia elektryczna przy częstotliwości 25, 30 i 40Hz dla niektórych zastosowań. Na zakończenie naleŜy podkreślić, Ŝe w Ameryce Północnej nie ma nadal formalnej akceptacji częstotliwości 60Hz jako wielkości standardowej. W odróŜnieniu od Europy, gdzie częstotliwość 50Hz została formalnie zatwierdzona przez zawarcie traktatu między poszczególnymi krajami, w Ameryce Północnej jest stosowana jedynie na mocy konsensusu.
