Система электрических сетей

Электрические сети – это сложная система, предназначенная для обеспечения электроэнергией всех потребителей, которые используют ее для своих повседневных нужд.

Эти системы растут от небольших местных проектов, до простирающихся на тысячи километров и соединяющих миллионы домов и предприятий сегодня.

Электрические сети состоят из бесчисленных сложных взаимосвязей, однако есть три основных раздела – производство, передача и распределение электроэнергии.

Электрические сети

Производство

Электричество начинается в электростанциях, которые работают для преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию с использованием генератора (за исключением солнечной энергии, которая использует для этого фотоэлектрические элементы).

Электростанции преобразуют энергию из таких видов топлива, как уголь или природный газ, или потоков энергии, таких как ветер и солнечный свет. Эта совокупность установок генерируют много электроэнергии и часто находится далеко от спроса на ток.

Следующая система решает проблему передачи.

Передача

Электрическая передача осуществляется с помощью линий.

Электричество, выходящее из электростанции, проходит через специальное оборудование. Эта система оборудования увеличивает  напряжение  с пропорциональным уменьшением  тока (количество электронов, которые текут в секунду). Это увеличение напряжения осуществляется повышающим трансформатором. Это преобразование позволяет току течь на большие расстояния, при этом типичное максимальное расстояние составляет около 500 километров.

Причина, по которой используются повышающие трансформаторы, заключается в том, что при прохождении больших расстояний через проводящий провод электричество неизбежно потеряет энергию из-за сопротивления в проводах. Эта проблема по существу решается (не полностью, а до приемлемого уровня) использованием высоковольтных линий электропередачи.

Соответствующие потери мощности в линиях при повышении напряжения уменьшаются на квадрат тока, что означает, что если ток упал в 2 раза, потери мощности уменьшаются в 4 раза.

Большие высоковольтные линии электропередач являются важным компонентом сети, поскольку они транспортируют электроэнергию с небольшими потерями энергии.

Самые современные линии передачи не используют трансформаторы, а построены на мощных полупроводниковых элементах преобразующих в постоянный ток.

Эти линии передачи постоянного тока считаются более выгодными. Однако для перехода на передачу постоянного тока потребуется не один десяток лет.

Распределение

Распределение электроэнергии сначала начинается с распределительных подстанций, использующих понижающие трансформаторы, которые выполняют противоположную задачу повышающего трансформатора.

Напряжения передачи на большие расстояния небезопасны для людей, поэтому эти понижающие трансформаторы снижают напряжение до более безопасных уровней. Распределительные электрические сети затем соединяют эти подстанции с потребителями, которым требуется электроэнергия, начиная от крупных промышленных зданий до небольших домов.

Большее количество подстанций и трансформаторов меньшего размера помогают еще больше снизить напряжение до относительно безопасного уровня и разделить электроэнергию между своими подразделениями.

До “домашнего” потребителя благодаря сложным электрическим сетям электроэнергия поступает уже с напряжением 220 вольт.

Сетевая наука в действии

Ученые во многих областях на протяжении многих лет создали обширные инструменты, математические, вычислительные и вероятностные, направленные на изучение, моделирование и понимание различных  электрических сетей.

Изучение сетевой науки основывалось на развитии теории графов, которая была впервые рассмотрена Леонардом Эйлером в 1736 году, когда он опубликовал знаменитую статью “Семь мостов Кенигсберга” . В контексте сетевой теории сложная сеть может быть определена как граф, который состоит из относительно многих взаимно связанных узлов (например, структурной или функциональной связи).

Электроэнергетическая система относится к категории одной из наиболее важных инфраструктур. Она переживает значительные изменения, вызванные старением централизованных энергетических сетей, в то время как спрос на электроэнергию растет, а также Всемирной решимостью сократить выбросы CO2 . Кроме того, недавние стихийные бедствия, выявили некоторые слабости энергосистемы.

Поэтому для повышения устойчивости электрические сети должны иметь способности к самовосстановлению. Это привело к обязательному обновлению до “умной сети”. В нынешнее время создаются взвешенные комплексные сетевые структуры с системой определяющей мощности в системах распределения электроэнергии.