Эрчим хүчний систем дэх цахилгаан эрчим хүчний үндсэн зарчмууд
Цахилгаан эрчим хүч нь орчин үеийн амьдралд гэрийн гэрэлтүүлэг, үйлдвэрлэлээс эхлээд тээвэр, харилцаа холбооны систем хүртэл хамгийн өргөн хэрэглэгддэг эрчим хүчний хэлбэрүүдийн нэг юм. Энгийн хэдий ч цахилгаан эрчим хүчийг цахилгаан эрчим хүчний систем гэж нэрлэгддэг том сүлжээгээр үйлдвэрлэж, дамжуулж, түгээдэг. Энэхүү системийг аюулгүй, тогтвортой, үр ашигтай ажиллуулахын тулд цахилгаан эрчим хүчний үндсэн зарчим, ачааллын шинж чанар, генератороос хэрэглэгчдэд цахилгаан хэрхэн урсдагийг ойлгох нь чухал юм. Энэхүү нийтлэлд эдгээр үндсэн зарчмуудыг цахилгаан системийн ажиллагааг ойлгох үндэс болгон авч үзэх болно.
1. Цахилгаан энерги болон үндсэн хэмжигдэхүүнүүдийг ойлгох
Энгийнээр хэлбэл, цахилгаан энерги гэдэг нь цахилгааны ажил хийх чадвар юм. Хэлхээ болон эрчим хүчний системийн хувьд цахилгаан энерги нь потенциалын зөрүү (хүчдэл)-ээс үүдэлтэй цахилгаан цэнэгийн хөдөлгөөнтэй холбоотой байдаг. Эрчим хүчний системийн шинжилгээнд байнга гарч ирдэг зарим үндсэн хэмжигдэхүүнүүд нь:
– Хүчдэл (V): гүйдлийн урсгалыг “түлхдэг” цахилгаан потенциалын зөрүү. Нэгж: вольт (V).
– Гүйдэл (I): цахилгаан цэнэгийн урсгалын хурд. Нэгж: ампер (A).
– Чадал (P): нэгж хугацаанд ногдох цахилгаан эрчим хүчний хэрэглээ буюу тархалтын хурд. Нэгж: ватт (W).
– Эрчим хүч (E): цаг хугацааны явцад хуримтлагдсан чадал. Ерөнхийдөө ватт-цаг (Wh) эсвэл киловатт-цаг (kWh)-аар илэрхийлэгддэг.
Тогтмол гүйдлийн систем эсвэл цэвэр эсэргүүцэлтэй хувьсах гүйдлийн систем дэх чадал, хүчдэл ба гүйдлийн хоорондох үндсэн хамаарлыг дараах байдлаар илэрхийлж болно.
P = V × I.
Үүний зэрэгцээ тодорхой хугацаанд хэрэглэсэн цахилгаан эрчим хүч нь:
E = P × t.
Эрчим хүчний системийн практикт кВт.ц нэгжийг хэрэглэгчийн хэрэглээг тооцоолоход хамгийн түгээмэл ашигладаг, учир нь энэ нь цахилгаан эрчим хүчний зардалтай шууд холбоотой.
2. Үйлдвэрлэл, дамжуулалт, түгээлтийн тухай ойлголт
Цахилгаан эрчим хүчний систем нь гурван үндсэн үе шатаас бүрдэнэ.
1. Үүсгүүр: анхдагч эрчим хүч (нүүрс, хий, ус, газрын гүний дулааны, салхи, нарны, цөмийн)-ийг генератор ашиглан цахилгаан эрчим хүч болгон хувиргадаг.
2. Дамжуулах: цахилгаан эрчим хүчийг генератороос ачааллын төв хүртэл өндөр хүчдэлийн шугамаар хол зайд дамжуулдаг.
3. Түгээлт: цахилгаан эрчим хүчийг хэрэглэгчдэд (өрх, бизнес, аж үйлдвэр) түгээхийн тулд хүчдэлийг бууруулдаг.
Дамжуулах төхөөрөмж яагаад өндөр хүчдэл ашигладаг вэ? Учир нь ижил чадлын хувьд хүчдэлийг нэмэгдүүлэх нь гүйдлийг бууруулна. Дамжуулагчийн алдагдал нь голчлон дулааны алдагдал (I²R) тул бага гүйдэл нь бага алдагдал, илүү үр ашигтай систем гэсэн үг юм.
3. Хувьсах гүйдлийн систем дэх хүч: идэвхтэй, реактив болон илэрхий
Ихэнх эрчим хүчний системүүд хувьсах гүйдэл (AC) ашигладаг, учир нь трансформаторын тусламжтайгаар дээш/бууруулах нь илүү хялбар бөгөөд холын зайн дамжуулалтад илүү үр ашигтай байдаг. Гэсэн хэдий ч хувьсах гүйдэл нь хүчдэл ба гүйдлийн фазын зөрүүгээс шалтгаалан илүү төвөгтэй чадлын ойлголтыг нэвтрүүлдэг, ялангуяа индуктив ачаалал (мотор, трансформатор) болон багтаамжийн ачаалал (конденсаторын банк)-д.
Синусоид хувьсах гүйдлийн системд хүчийг дараахь байдлаар хуваана.
– Идэвхтэй чадал (P): бодит ажил үйлдвэрлэхэд ашигладаг чадал (моторын эргэлт, халаалт, гэрэлтүүлэг). Нэгж: ватт (W).
– Реактив чадал (Q): индуктив/багтаамжийн элементээр хадгалагдаж, ялгардаг хувьсах чадал бөгөөд бодит ажил үүсгэдэггүй боловч соронзон эсвэл цахилгаан орон үүсгэхэд шаардлагатай. Нэгж: реактив вольт-ампер (VAR).
– Илэрхий чадал (S): эх үүсвэр/сувгийн өгөх ёстой нийт багтаамжийг заах P ба Q векторуудын хослол. Нэгж: вольт-ампер (VA).
Энэ гурвын хоорондын хамаарал нь хүчний гурвалжин үүсгэдэг:
S² = P² + Q².
Энэ ойлголт чухал юм, учир нь тоног төхөөрөмж (генератор, трансформатор, кабель) нь зөвхөн идэвхтэй чадлыг төдийгүй илэрхий чадлыг дамжуулах чадвартай байх ёстой бөгөөд ингэснээр их хэмжээний реактив чадлыг системд хэт ачаалал өгөх боломжтой.
4. Чадлын хүчин зүйл ба түүний үр ашигт үзүүлэх нөлөө
Чадлын коэффициент (cos φ) нь идэвхтэй чадлын илэрхий чадлын харьцаа юм:
pf = P / S = cos φ.
Чадлын коэффициентийн утга 0-ээс 1 хүртэл хэлбэлздэг. Индуктив ачааллын үед гүйдэл нь хүчдэлээс хоцордог тул чадлын коэффициент бага байх хандлагатай байдаг. Чадлын коэффициент бага байх нь дараахь шалтгааныг үүсгэдэг.
– Ижил идэвхтэй чадлын хувьд илүү их гүйдэл.
– I²R алдагдал нэмэгдэж, дамжуулагчийн халаалт нэмэгдэнэ.
– Хүчдэлийн уналт илүү их байна.
– Трансформатор болон генераторын хүчин чадлыг зөвхөн P-г хангахад биш, харин Q-г хангахад “ашигладаг”.
Тиймээс эрчим хүчний системүүд нь ихэвчлэн реактив чадлын нөхөн төлбөрийг хэрэгжүүлдэг, жишээлбэл, конденсаторын банк эсвэл FACTS төхөөрөмжийг ашиглан чадлын коэффициентийг сайжруулж, хүчдэлийг тогтвортой байлгадаг.
5. Трансформаторууд ба цахилгаан систем дэх хүчдэлийн үүрэг
Трансформаторууд нь хувьсах гүйдлийн цахилгаан системийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Эдгээр нь цахилгаан соронзон индукцийн зарчмаар ажилладаг бөгөөд давтамжийг өөрчлөхгүйгээр хүчдэлийн түвшинг өөрчилдөг. Трансформатортой бол:
– Алсын зайн дамжуулалтын хувьд үүсгүүрийн тал дээр хүчдэл нэмэгддэг (гүйдэл болон алдагдлыг бууруулдаг).
– Аюулгүй байдал болон тоног төхөөрөмжийн нийцтэй байдлыг хангах үүднээс хүчдэлийг хэрэглэгчдэд ойртуулж бууруулдаг.
Хамгийн тохиромжтой нь анхдагч болон хоёрдогч талуудын чадал ижил байна (алдагдлыг тооцохгүй):
V₁I₁ ≈ V₂I₂ .
Энэ нь хүчдэл нэмэгдэхийн хэрээр гүйдэл буурдаг, мөн эсрэгээрээ буурдаг болохыг баталж байна. Энэ зарчим нь дамжуулах сүлжээ өндөр хүчдэл ашигладаг гол шалтгаан юм.
6. Цахилгаан дамжуулах шугам дахь Омын хууль ба эсэргүүцэл
Цахилгаан системд дамжуулагч нь зөвхөн эсэргүүцэлтэй төдийгүй, ялангуяа урт шугамд индуктив чанар болон багтаамжтай байдаг. Тиймээс шинжилгээнд ихэвчлэн зөвхөн R-ийн оронд импеданс (Z) ашигладаг. Импеданс нь эсэргүүцэл ба реактив эсэргүүцлийн хослол юм:
Z = R + jX.
– R (эсэргүүцэл) нь бодит чадлын алдагдал (дулаан) үүсгэдэг.
– X (урвал) нь реактив чадлын урсгал болон хүчдэлийн профайлд нөлөөлдөг.
AC сүлжээний хувьд үндсэн харилцаа холбоо нь:
V = I × Z.
Энэ нь хүчдэлийн уналт, алдагдал болон системийн тогтвортой байдлыг шинжлэхэд тусалдаг. Алсын зайн дамжуулалтад реактив эсэргүүцлийн нөлөө маш давамгайлж байгаа нь реактив чадлын зохицуулалт болон нөхөн төлбөрийг чухал болгодог.
7. Цахилгаан урсгал ба үйлдвэрлэх-ачааллын тэнцвэр
Эрчим хүчний системийн ажиллагааны хамгийн чухал зарчмуудын нэг бол эрчим хүчний тэнцвэр юм: үйлдвэрлэсэн эрчим хүч нь ачааллын зарцуулсан эрчим хүч болон сүлжээний алдагдлын хэмжээтэй тэнцүү байх ёстой. Хэрэв үйлдвэрлэл нь ачааллаас бага байвал давтамж буурах хандлагатай байдаг; хэрэв үйлдвэрлэл нь их байвал давтамж нэмэгддэг. Тиймээс эрчим хүчний системүүд дараахь зүйлийг шаарддаг.
– Генератор дээрх зохицуулагч болон ачааллын хяналтаар дамжуулан давтамжийн зохицуулалт.
– Генераторын өдөөлт, трансформаторын цоргоны тохиргоо, реактив нөхөн олговрын тусламжтайгаар хүчдэлийн зохицуулалт.
Олон оронд системийн давтамжийг стандарт утгад (жишээлбэл, 50 Гц) хадгалдаг. Давтамжийн тогтвортой байдал нь тэнцвэртэй, хяналттай системийг илтгэнэ.
8. Хамгаалалт ба найдвартай байдал: аюулгүй байдал нь үндсэн зарчим
Цахилгаан эрчим хүчийг зөв удирдаагүй тохиолдолд аюултай. Цахилгаан системүүд нь тоног төхөөрөмжийн эвдрэлээс урьдчилан сэргийлэх, хүмүүсийг хамгаалах хамгаалалттай байх ёстой. Богино холболт, аянга цахилгаан, гэмтсэн тусгаарлагч эсвэл хэт ачаалал зэрэг алдаа нь маш өндөр гүйдэл үүсгэж болзошгүй. Тиймээс дараахь зүйлийг ашигладаг.
– Хэлхээ таслагч,
– Хамгаалалтын реле,
– Гал хамгаалагч,
- Газардуулгын систем,
– Аянга цахилгаан баригч болон аянга цахилгаан баригч.
Системийн найдвартай байдлыг сүлжээний нөөцлөлт, тогтмол засвар үйлчилгээ, тоног төхөөрөмжийн нөхцөл байдлыг хянах замаар сайжруулдаг. Зорилго нь системийн нэг хэсэгт тасалдал гарсан ч цахилгаан эрчим хүчний тасралтгүй хангамжийг хангах явдал юм.
9. Эрчим хүчний системийн үр ашиг ба алдагдал
Цахилгаан хангамжийн системийн гол алдагдалд дараахь зүйлс орно.
– Дамжуулагч ба трансформаторын ороомог дахь эсэргүүцлийн алдагдал (I²R).
– Трансформаторын цөмийн алдагдал (гистерезис ба хуйлралын гүйдэл).
– Генераторын механик алдагдал (үрэлт, салхи).
– Шугаман бус ачааллаас үүдэлтэй гармоник гэх мэт цахилгаан чанарын алдагдал.
Системийн үр ашгийг сүлжээний сайн дизайн, дамжуулах хүчдэлийг зөв сонгох, чадлын коэффициентийг сайжруулах, чанартай дамжуулагч ашиглах, орчин үеийн хяналт, хяналтын технологийг ашиглах замаар сайжруулдаг.
Дүгнэлт
Эрчим хүчний систем дэх цахилгаан эрчим хүчний үндсэн зарчмуудад хүчдэл, гүйдэл, чадал, энергийн хоорондын хамаарал; хувьсах гүйдлийн систем дэх идэвхтэй-илрэх реактив чадлын тухай ойлголт; хүчдэлийн зохицуулалтад трансформаторын үүрэг; дамжуулалт дахь импеданс ба алдагдлын нөлөө; давтамж ба хүчдэлийг хадгалахын тулд үйлдвэрлэх-ачаалал тэнцвэрийн ач холбогдол орно. Техникийн талаас гадна эрчим хүчний системүүд нь цахилгаан эрчим хүчний аюулгүй, тогтвортой түгээлтийг хангахын тулд хамгаалалт, хяналт, найдвартай байдлын стратегид тулгуурладаг. Эдгээр үндсэн зарчмуудыг ойлгосноор бидний "зүгээр л унтраалга дардаг" цахилгаан нь үнэндээ цахилгаан станцаас бидний гэр хүртэл ажилладаг нарийн төвөгтэй, хэмжигдэхүйц системийн үр дүн гэдгийг бид харж болно.
