Płynąc z prądem - Rola próżni w zapewnianiu stabilnych dostaw energii

Płynąc z prądem - Rola próżni w zapewnianiu stabilnych dostaw energii

Przełączniki próżniowe to z pozoru jedynie drobne elementy skomplikowanych sieci energetycznych. Jednak w rzeczywistości odgrywają istotną rolę w zapewnianiu niezawodnych dostaw prądu przez całą dobę.
05.3_Vakuumschalter.jpg

Droga od elektrowni do odbiorcy
Gdy włączamy ekspres do kawy lub ładujemy smartfon, zwykle nie myślimy o złożonej infrastrukturze, która pozwala doprowadzić prąd do domowego gniazda sieciowego. Na przykład w Niemczech dostawy energii z elektrowni do odbiorców zapewnia sieć o długości ponad 1,8 miliona km. Przez linie elektroenergetyczne płynie prąd o wysokim napięciu — 220 000 lub 380 000 V.

Przy przesyłaniu prądu na większe odległości jego napięcie obniża się zazwyczaj do 110 000 V. Na kolejnym etapie przekształca się go w mniejszych podstacjach na prąd o średnim napięciu, tj. 50 000 i 1000 V. Zanim prąd dotrze do sieci komunalnej i lokalnej, jego napięcie obniża się jeszcze do poziomu 230 V. W związku z dużym zapotrzebowaniem na energię elektryczną zakłady przemysłowe, szpitale, aquaparki czy maszty telekomunikacyjne często mają własną stację transformatorową, zazwyczaj zasilaną bezpośrednio z sieci średniego napięcia. Potrzebne jest również odpowiednie zarządzanie siecią elektroenergetyczną — zapewniające równowagę między produkcją a zużyciem. W procesie przekształcania prądu i sterowania na bieżąco jego przepływem używa się niezliczonej ilości przełączników.

Czasami po naciśnięciu przełącznika elektrycznego w ciemności widać iskrę. Dzieje się tak, gdy styki w przełączniku zbliżają się do siebie albo gdy właśnie się rozdzieliły. Elektryczność jonizuje powietrze między stykami, co powoduje, że przez to powietrze płynie prąd, pokonując odległość nieco większą niż ta między stykami. Widoczny rozbłysk jest niewielkim łukiem elektrycznym. Choć to zjawisko fizyczne jest niegroźne, kiedy występuje przy włączaniu światła w domu, w przypadku przełączników wysokiego i najwyższego napięcia może powodować ogromne zniszczenia. Wyładowaniu łukowemu towarzyszy wzrost temperatury do ponad 5000 stopni Celsjusza. To poziom wystarczający, aby większość materiałów w ułamku sekundy stanęła w ogniu.

Próżnia: remedium na wyładowania łukowe

Gdyby doszło do nadpalenia styków, mogłaby przestać funkcjonować cała podłączona sieć energetyczna. Pożar mógłby rozprzestrzenić się również na inne przełączniki i elementy w stacji wysokich napięć. Właśnie dlatego w procesie produkcji przełączników wysokiego napięcia usuwa się z nich powietrze. Styki przełącznika są zamknięte w próżniowym przerywaczu obwodu. W próżni nie ma cząsteczek powietrza, które mogłyby ulec jonizacji i umożliwić powstanie łuku elektrycznego.

Mimo to dochodzi do niewielkich wyładowań łukowych, ponieważ na skutek przepływu prądu o wysokim napięciu ze styków odparowują nieznaczne ilości metalu. Odpowiedni kształt styków — cylindryczny z biegnącymi pod kątem rowkami — i optymalnie dobrany materiał, z którego się je wytwarza, sprawiają, że podczas wyładowań łukowych powstaje jedynie niewielka ilość ciepła. Ponadto wyładowania takie zachodzą tylko w próżni, w zamkniętym obszarze, i nie mogą wyrządzić szkód. Właśnie dlatego stabilność sieci elektroenergetycznej zależy w tak dużym stopniu od próżni.


Oczywistą przyczyną przerw w dostawie energii elektrycznej jest awaria w elektrowni. Jednak gdy zawiedzie generator, niedostatki energii zazwyczaj bardzo szybko kompensują inne elektrownie, rozwiązując problem. Z kolei uderzenie pioruna w słup linii średniego napięcia może spowodować trwający kilka sekund zanik energii. Jeśli przerwa w dostawie prądu obejmująca dużą część sieci elektroenergetycznej trwa wiele minut lub godzin, mówi się o rozległej awarii zasilania (ang. blackout). W takich sytuacjach sieć w ogóle nie działa. Może się tak stać m.in. na skutek zerwania ważnej linii przez powalone drzewo lub wystąpienia zwarcia. Poważne problemy może spowodować również niesprzyjająca zimowa aura. Jeśli w wyniku topnienia śniegu lub opadów deszczu występujących po dłuższym okresie mrozów dojdzie do oblodzenia linii elektroenergetycznych, mogą one pęknąć pod wpływem własnego ciężaru, powodując awarię zasilania. Czasami wywracają się też słupy, a w skrajnych przypadkach upadające słupy obalają kolejne — występuje efekt domina. Jednak jeśli przyjrzeć się największym awariom zasilania w historii, widać, że w większości przypadków przyczyną był problem w samej sieci elektroenergetycznej, na przykład nadmierne wahania napięcia, przeciążenie lub usterka techniczna istotnego elementu.

W Europie przerwy w dostawie energii elektrycznej mierzy się z użyciem tzw. wskaźnika SAIDI (wskaźnika przeciętnego systemowego czasu trwania przerwy długiej i bardzo długiej). Oblicza się go, uwzględniając długość przerw i liczbę odbiorców, a wynikiem jest łączny czas trwania przerw w danym roku wyrażony w minutach. W 2013 roku najniższym wskaźnikiem SAIDI — zaledwie 10 minut — mógł pochwalić się Luksemburg. Tuż za nim uplasowały się kolejno Dania, Szwajcaria i Niemcy.


Subskrybuj biuletyn „World of Vacuum"!
Subskrybuj teraz, aby otrzymywać najnowsze ciekawe wiadomości z branży urządzeń próżniowych.

SUBSKRYBUJ