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.
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

Create flashcards