Частота коммунальной сети , частота линии электропередач ( американский английский ) или частота сети ( британский английский ) — это номинальная частота колебаний переменного тока (AC) в широкополосной синхронной сети, передаваемой от электростанции конечному потребителю . В большинстве регионов мира это 50 Гц , хотя в Америке и некоторых частях Азии это обычно 60 Гц. Текущее использование по странам или регионам приведено в списке основных источников электроэнергии по странам .
В ходе развития коммерческих электроэнергетических систем в конце 19-го и начале 20-го веков использовалось много различных частот (и напряжений). Большие инвестиции в оборудование на одной частоте сделали стандартизацию медленным процессом. Однако на рубеже 21-го века места, которые сейчас используют частоту 50 Гц, как правило, используют 220–240 В , а те, которые сейчас используют 60 Гц, как правило, используют 100–127 В. Обе частоты сосуществуют сегодня (Япония использует обе) без каких-либо серьезных технических причин предпочесть одну другой [1] и без явного желания полной всемирной стандартизации.
На практике точная частота сети варьируется вокруг номинальной частоты, снижаясь при большой нагрузке сети и ускоряясь при малой нагрузке. Однако большинство коммунальных служб будут корректировать генерацию в сеть в течение дня, чтобы обеспечить постоянное количество циклов. [2] Это используется некоторыми часами для точного поддержания своего времени.
На выбор частоты в системе переменного тока влияют несколько факторов. [3] Освещение, двигатели, трансформаторы, генераторы и линии электропередачи имеют характеристики, зависящие от частоты сети. Все эти факторы взаимодействуют и делают выбор частоты сети вопросом большой важности. Лучшая частота — это компромисс между конкурирующими требованиями.
В конце 19 века проектировщики выбирали относительно высокую частоту для систем с трансформаторами и дуговыми лампами , чтобы сэкономить на материалах трансформатора и уменьшить видимое мерцание ламп, но выбирали более низкую частоту для систем с длинными линиями электропередачи или питающих в основном двигательные нагрузки или вращающиеся преобразователи для производства постоянного тока . Когда крупные центральные генерирующие станции стали практичными, выбор частоты делался на основе характера предполагаемой нагрузки. В конечном итоге улучшения в конструкции машин позволили использовать одну частоту как для освещения, так и для двигательных нагрузок. Унифицированная система улучшила экономику производства электроэнергии, поскольку нагрузка системы была более равномерной в течение дня.
Первыми коммерческими применениями электроэнергии были лампы накаливания и коллекторные электродвигатели . Оба устройства хорошо работают на постоянном токе, но постоянный ток нельзя было легко изменить по напряжению, и, как правило, он производился только при требуемом напряжении использования .
Если лампа накаливания работает на низкочастотном токе, нить охлаждается на каждом полупериоде переменного тока, что приводит к ощутимому изменению яркости и мерцанию ламп; эффект более выражен в дуговых лампах , а также в более поздних ртутных лампах и люминесцентных лампах . Открытые дуговые лампы издавали слышимое жужжание на переменном токе, что привело к экспериментам с высокочастотными генераторами переменного тока, чтобы поднять звук выше диапазона человеческого слуха. [ необходима цитата ]
Коллекторные двигатели плохо работают на высокочастотном переменном токе, поскольку быстрые изменения тока противостоят индуктивности поля двигателя. Хотя коллекторные универсальные двигатели распространены в бытовых приборах переменного тока и электроинструментах, это небольшие двигатели, менее 1 кВт. Было обнаружено, что асинхронный двигатель хорошо работает на частотах около 50-60 Гц, но с материалами, доступными в 1890-х годах, он не будет хорошо работать на частоте, скажем, 133 Гц. Существует фиксированная связь между количеством магнитных полюсов в поле асинхронного двигателя, частотой переменного тока и скоростью вращения; поэтому заданная стандартная скорость ограничивает выбор частоты (и наоборот). После того, как электродвигатели переменного тока стали обычным явлением, стало важно стандартизировать частоту для совместимости с оборудованием заказчика.
Генераторы, работающие на медленно вращающихся поршневых двигателях, будут вырабатывать более низкие частоты для заданного числа полюсов, чем те, которые работают, например, на быстро вращающейся паровой турбине . Для очень медленных скоростей первичного двигателя было бы дорого построить генератор с достаточным количеством полюсов, чтобы обеспечить высокую частоту переменного тока. Кроме того, было обнаружено, что синхронизация двух генераторов с одинаковой скоростью проще на более низких скоростях. Хотя ременные передачи были распространены как способ увеличения скорости медленно вращающихся двигателей, при очень больших мощностях (тысячи киловатт) они были дорогими, неэффективными и ненадежными. Примерно после 1906 года генераторы, приводимые в действие непосредственно паровыми турбинами, предпочитали более высокие частоты. Более стабильная скорость вращения быстро вращающихся машин обеспечивала удовлетворительную работу коммутаторов в роторных преобразователях. [3] Синхронная скорость N в об/мин рассчитывается по формуле:
где f — частота в герцах , а P — количество полюсов.
Постоянный ток не был полностью вытеснен переменным током и был полезен в железнодорожных и электрохимических процессах. До разработки ртутных дуговых выпрямителей для получения постоянного тока из переменного тока использовались вращающиеся преобразователи. Как и другие машины коллекторного типа, они лучше работали на более низких частотах.
С переменным током трансформаторы могут использоваться для понижения высокого напряжения передачи, чтобы снизить напряжение потребления потребителя. Трансформатор фактически является устройством преобразования напряжения без подвижных частей и требует незначительного обслуживания. Использование переменного тока устранило необходимость во вращающихся двигателях-генераторах преобразования постоянного напряжения, которые требуют регулярного обслуживания и контроля.
Поскольку для заданного уровня мощности размеры трансформатора примерно обратно пропорциональны частоте, система с большим количеством трансформаторов будет более экономичной при более высокой частоте.
Передача электроэнергии по длинным линиям благоприятствует более низким частотам. Влияние распределенной емкости и индуктивности линии меньше на низкой частоте.
Генераторы могут быть соединены для параллельной работы только в том случае, если они имеют одинаковую частоту и форму волны. Благодаря стандартизации используемой частоты генераторы в географическом районе могут быть соединены в сеть , обеспечивая надежность и экономию средств.
В 19 веке использовалось много различных частот мощности. [4]
Очень ранние изолированные схемы генерации переменного тока использовали произвольные частоты, основанные на удобстве для парового двигателя , водяной турбины и конструкции электрического генератора . Частоты между 16+2 ⁄ 3 Гц и 133+1 ⁄ 3 Гц использовались в разных системах. Например, в городе Ковентри, Англия, в 1895 году была уникальная однофазная распределительная система 87 Гц, которая использовалась до 1906 года. [5] Распространение частот выросло из быстрого развития электрических машин в период с 1880 по 1900 год.
В ранний период использования ламп накаливания был распространен однофазный переменный ток, а типичные генераторы представляли собой 8-полюсные машины, работавшие со скоростью 2000 об/мин, что давало частоту 133 Гц.
Хотя существует множество теорий и немало занимательных городских легенд , в деталях истории 60 Гц и 50 Гц мало уверенности.
Немецкая компания AEG (происходящая от компании, основанной Эдисоном в Германии) построила первую немецкую генерирующую установку, работающую на частоте 50 Гц. В то время AEG фактически была монополистом , и ее стандарт распространился на всю остальную Европу. После наблюдения за мерцанием ламп, работающих на мощности 40 Гц, передаваемой по линии Лауффен-Франкфурт в 1891 году, AEG повысила свою стандартную частоту до 50 Гц в 1891 году. [6]
Westinghouse Electric решила стандартизировать более высокую частоту, чтобы разрешить работу как электрического освещения, так и асинхронных двигателей в одной и той же системе генерации. Хотя 50 Гц подходили для обоих, в 1890 году Westinghouse посчитал, что существующее оборудование для дугового освещения работало немного лучше на 60 Гц, и поэтому эта частота была выбрана. [6] Работа асинхронного двигателя Теслы, лицензированного Westinghouse в 1888 году, требовала более низкой частоты, чем 133 Гц, общепринятые для систем освещения в то время. [ необходима проверка ] В 1893 году General Electric Corporation, которая была аффилирована с AEG в Германии, построила генерирующий проект в Милл-Крик , чтобы поставлять электроэнергию в Редлендс, Калифорния, используя 50 Гц, но годом позже перешла на 60 Гц, чтобы сохранить долю рынка со стандартом Westinghouse.
Первые генераторы в проекте Ниагарского водопада , построенные Вестингаузом в 1895 году, имели частоту 25 Гц, поскольку скорость турбины уже была установлена до того, как была окончательно выбрана передача переменного тока . Вестингауз выбрал бы низкую частоту 30 Гц для привода нагрузок двигателя, но турбины для проекта уже были указаны на 250 об/мин. Машины могли бы быть сделаны для подачи 16+Мощность 2 ⁄ 3 Гц подходит для тяжелых коллекторных двигателей, но компания Westinghouse возразила, что это нежелательно для освещения, и предложила 33+1 ⁄ 3 Гц. В конечном итоге был выбран компромисс в 25 Гц с 12-полюсными генераторами на 250 об/мин. [3] Поскольку проект Ниагара оказал большое влияние на проектирование электроэнергетических систем, 25 Гц стали преобладающим североамериканским стандартом для низкочастотного переменного тока.
Исследование General Electric пришло к выводу, что 40 Гц были бы хорошим компромиссом между потребностями в освещении, двигателе и передаче, учитывая материалы и оборудование, доступные в первой четверти 20-го века. Было построено несколько систем 40 Гц. Демонстрация Лауффена-Франкфурта использовала 40 Гц для передачи энергии на 175 км в 1891 году. Большая взаимосвязанная сеть 40 Гц существовала на северо-востоке Англии ( Newcastle-upon-Tyne Electric Supply Company , NESCO) до появления National Grid (Великобритания) в конце 1920-х годов, а проекты в Италии использовали 42 Гц. [7] Старейшая непрерывно действующая коммерческая гидроэлектростанция в Соединенных Штатах, Mechanicville Hydroelectric Plant , по-прежнему вырабатывает электроэнергию с частотой 40 Гц и поставляет ее в местную систему передачи 60 Гц через преобразователи частоты . Промышленные предприятия и шахты в Северной Америке и Австралии иногда строились с электрическими системами 40 Гц, которые поддерживались до тех пор, пока продолжать их использование становилось слишком неэкономично. Хотя частоты около 40 Гц нашли широкое коммерческое применение, их обошли стандартизированные частоты 25, 50 и 60 Гц, которые предпочитают производители оборудования в больших объемах.
Венгерская компания Ganz установила для своей продукции стандарт в 5000 колебаний в минуту (41 2 ⁄ 3 Гц), поэтому клиенты Ganz имели системы с частотой 41 2 ⁄ 3 Гц , которые в некоторых случаях работали в течение многих лет. [8]
В ранние дни электрификации использовалось так много частот, что не было единого значения (в Лондоне в 1918 году было десять различных частот). По мере продолжения 20-го века все больше электроэнергии производилось на частоте 60 Гц (Северная Америка) или 50 Гц (Европа и большая часть Азии). Стандартизация позволила вести международную торговлю электрооборудованием. Гораздо позже использование стандартных частот позволило объединить электросети. Только после Второй мировой войны — с появлением доступных электротоваров — были приняты более единые стандарты.
В Соединенном Королевстве стандартная частота 50 Гц была объявлена еще в 1904 году, но значительное развитие продолжалось и на других частотах. [9] Внедрение Национальной сети , начавшееся в 1926 году, потребовало стандартизации частот среди множества взаимосвязанных поставщиков электроуслуг. Стандарт 50 Гц был окончательно установлен только после Второй мировой войны .
Примерно к 1900 году европейские производители в основном стандартизировали 50 Гц для новых установок. Немецкое общество электротехники (VDE) в первом стандарте для электрических машин и трансформаторов в 1902 году рекомендовало 25 Гц и 50 Гц в качестве стандартных частот. VDE не увидело большого применения 25 Гц и исключило его из издания стандарта 1914 года. Остаточные установки на других частотах сохранялись до самого окончания Второй мировой войны. [8]
Из-за стоимости преобразования некоторые части распределительной системы могут продолжать работать на исходных частотах даже после выбора новой частоты. Электроэнергия частотой 25 Гц использовалась в Онтарио , Квебеке , на севере США и для электрификации железных дорог . В 1950-х годах многие системы частотой 25 Гц, от генераторов до бытовых приборов, были преобразованы и стандартизированы. До 2006 года некоторые генераторы частотой 25 Гц все еще существовали на станциях Sir Adam Beck 1 (они были модернизированы до 60 Гц) и Rankine (до ее закрытия в 2006 году) около Ниагарского водопада для обеспечения электроэнергией крупных промышленных потребителей, которые не хотели заменять существующее оборудование; а в Новом Орлеане существуют некоторые двигатели частотой 25 Гц и электростанция частотой 25 Гц для насосов для отвода паводковых вод. [10] Железнодорожные сети переменного тока напряжением 15 кВ , используемые в Германии , Австрии , Швейцарии , Швеции и Норвегии , по-прежнему работают при напряжении 16 кВ.+2 ⁄ 3 Гц или 16,7 Гц.
В некоторых случаях, когда большая часть нагрузки приходилась на железнодорожные или автомобильные нагрузки, считалось экономически выгодным генерировать электроэнергию на частоте 25 Гц и устанавливать роторные преобразователи для распределения на частоте 60 Гц. [11] Преобразователи для производства постоянного тока из переменного тока были доступны в больших размерах и были более эффективны при частоте 25 Гц по сравнению с 60 Гц. Оставшиеся фрагменты старых систем могут быть привязаны к стандартной частотной системе через роторный преобразователь или статический инверторный преобразователь частоты. Они позволяют обмениваться энергией между двумя сетями электроснабжения на разных частотах, но эти системы большие, дорогие и тратят часть энергии впустую при работе.
Частотные преобразователи с вращающейся машиной, используемые для преобразования между системами 25 Гц и 60 Гц, были неудобны для проектирования; машина 60 Гц с 24 полюсами вращалась бы с той же скоростью, что и машина 25 Гц с 10 полюсами, что делало бы машины большими, медленно работающими и дорогими. Соотношение 60/30 упростило бы эти конструкции, но установленная база при 25 Гц была слишком большой, чтобы экономически противостоять ей.
В Соединенных Штатах Южная Калифорния Эдисон стандартизировала частоту 50 Гц. [12] Большая часть Южной Калифорнии работала на частоте 50 Гц и не меняла частоту своих генераторов и оборудования клиентов полностью на 60 Гц до 1948 года. Некоторые проекты Au Sable Electric Company использовали 30 Гц при напряжении передачи до 110 000 вольт в 1914 году. [13]
Первоначально в Бразилии электрооборудование импортировалось из Европы и Соединенных Штатов, что означало, что в стране были стандарты как 50 Гц, так и 60 Гц в зависимости от каждого региона. В 1938 году федеральное правительство приняло закон Decreto-Lei 852 , призванный привести всю страну к 50 Гц в течение восьми лет. Закон не сработал, и в начале 1960-х годов было решено, что Бразилия будет объединена под стандартом 60 Гц, поскольку большинство развитых и индустриальных районов использовали 60 Гц; и новый закон Lei 4.454 был объявлен в 1964 году. Бразилия прошла программу преобразования частоты до 60 Гц, которая была завершена только в 1978 году. [14]
В Мексике районы, работающие на сети 50 Гц, были преобразованы в 1970-х годах, объединив страну под сетью 60 Гц. [15]
В Японии западная часть страны (Нагоя и запад) использует 60 Гц, а восточная часть (Токио и восток) использует 50 Гц. Это берет свое начало в первых закупках генераторов у AEG в 1895 году, установленных для Токио, и General Electric в 1896 году, установленных в Осаке. Граница между двумя регионами содержит четыре подстанции HVDC , которые преобразуют частоту; это Shin Shinano , Sakuma Dam , Minami-Fukumitsu и преобразователь частоты Higashi-Shimizu .
Частоты коммунальных услуг в Северной Америке в 1897 году [16]
Частоты коммунальных услуг в Европе до 1900 г. [8]
Даже к середине 20-го века частоты коммунальных служб все еще не были полностью стандартизированы на ныне общепринятых 50 Гц или 60 Гц. В 1946 году справочное руководство для проектировщиков радиооборудования [17] перечислило следующие ныне устаревшие частоты, которые использовались. Во многих из этих регионов также были 50-тактные, 60-тактные или постоянного тока.
Частоты, использовавшиеся в 1946 году (а также 50 Гц и 60 Гц)
Регионы, отмеченные (*), являются единственными отображаемыми частотами коммунальных услуг для данного региона.
Другие частоты питания все еще используются. Германия, Австрия, Швейцария, Швеция и Норвегия используют тяговые сети электроснабжения для железных дорог, распределяя однофазный переменный ток на 16+2 ⁄ 3 Гц или 16,7 Гц. [18] Частота 25 Гц используется для австрийской Мариацелльской железной дороги , а также для тяговых систем Amtrak и SEPTA в Соединенных Штатах. Другие железнодорожные системы переменного тока питаются от местной коммерческой частоты питания, 50 Гц или 60 Гц.
Тяговая мощность может быть получена от коммерческих источников питания с помощью преобразователей частоты или в некоторых случаях может быть произведена специальными тяговыми электростанциями . В 19 веке частоты до 8 Гц рассматривались для работы электрических железных дорог с коллекторными двигателями. [3] Некоторые розетки в поездах имеют правильное напряжение, но используют исходную частоту сети поезда, например 16+2 ⁄ 3 Гц или 16,7 Гц.
Частоты питания до 400 Гц используются в самолетах, космических кораблях, подводных лодках, серверных комнатах для питания компьютеров , [19] военном оборудовании и ручных станках. Такие высокие частоты не могут быть экономично переданы на большие расстояния; повышенная частота значительно увеличивает последовательное сопротивление из-за индуктивности линий передачи, что затрудняет передачу энергии. Следовательно, системы питания 400 Гц обычно ограничиваются зданием или транспортным средством.
Трансформаторы , например, можно сделать меньше, потому что магнитный сердечник может быть намного меньше для того же уровня мощности. Асинхронные двигатели вращаются со скоростью, пропорциональной частоте, поэтому высокочастотный источник питания позволяет получить большую мощность для того же объема и массы двигателя. Трансформаторы и двигатели для 400 Гц намного меньше и легче, чем для 50 или 60 Гц, что является преимуществом в самолетах и кораблях. Военный стандарт США MIL-STD-704 существует для использования самолетами мощности 400 Гц.
Регулировка частоты энергосистемы для точности хронометража не была обычным явлением до изобретения Генри Уорреном в 1916 году главных часов электростанции Уоррена и самозапускающегося синхронного двигателя. Никола Тесла продемонстрировал концепцию часов, синхронизированных по частоте сети на Всемирной выставке в Чикаго в 1893 году . Орган Хаммонда также зависит от синхронного двигателя переменного тока для поддержания правильной скорости своего внутреннего генератора «тонового колеса», таким образом сохраняя идеальную высоту тона всех нот.
Сегодня операторы сетей переменного тока регулируют среднесуточную частоту так, чтобы часы оставались в пределах нескольких секунд от правильного времени. На практике номинальная частота повышается или понижается на определенный процент для поддержания синхронизации. В течение дня средняя частота поддерживается на номинальном значении в пределах нескольких сотен частей на миллион. [20] В синхронной сети континентальной Европы отклонение между временем фазы сети и UTC (на основе международного атомного времени ) рассчитывается в 08:00 каждый день в центре управления в Швейцарии . Затем целевая частота корректируется до ±0,01 Гц (±0,02%) от 50 Гц по мере необходимости, чтобы обеспечить долгосрочное среднее значение частоты точно 50 Гц × 60 с / мин × 60 мин/ ч × 24 ч/ д =4 320 000 циклов в день. [21] В Северной Америке , когда ошибка превышает 10 секунд для Eastern Interconnection , 3 секунды для Texas Interconnection или 2 секунды для Western Interconnection , применяется коррекция ±0,02 Гц (0,033%). Коррекция погрешности времени начинается и заканчивается либо в час, либо в полчаса. [22] [23]
Измерители частоты в реальном времени для генерации электроэнергии в Соединенном Королевстве доступны онлайн – официальный для National Grid и неофициальный, поддерживаемый Dynamic Demand. [24] [25] Данные о частоте в реальном времени синхронной сети континентальной Европы доступны на таких сайтах, как www.mainsfrequency.com . Сеть мониторинга частоты (FNET) в Университете Теннесси измеряет частоту соединений в североамериканской энергосистеме, а также в нескольких других частях мира. Эти измерения отображаются на сайте FNET. [26]
В Соединенных Штатах Федеральная комиссия по регулированию энергетики сделала исправление ошибок времени обязательным в 2009 году. [27] В 2011 году Североамериканская корпорация по надежности электроснабжения (NERC) обсудила предлагаемый эксперимент, который смягчил бы требования к регулированию частоты [28] для электрических сетей, что снизило бы долгосрочную точность часов и других устройств, использующих частоту сети 60 Гц в качестве временной базы. [29]
Современные сети переменного тока используют точное управление частотой в качестве внеполосного сигнала для координации генераторов, подключенных к сети. Эта практика возникла из-за того, что частота механического генератора меняется в зависимости от входной силы и выходной нагрузки . Избыточная нагрузка отбирает вращательную энергию у вала генератора, снижая частоту генерируемого тока; избыточная сила откладывает вращательную энергию, увеличивая частоту. Автоматическое управление генерацией (AGC) поддерживает запланированную частоту и обменивается потоками мощности, регулируя регулятор генератора для противодействия изменениям частоты, как правило, в течение нескольких декасекунд . [30]
Физика маховика не применима к инверторно -подключенным солнечным фермам или другим источникам питания постоянного тока . Однако такие электростанции или системы хранения могут быть запрограммированы на следование частотному сигналу. [31] Действительно, испытание CAISO в 2017 году показало, что солнечные электростанции могут реагировать на сигнал быстрее, чем традиционные генераторы, поскольку им не нужно ускорять вращающуюся массу. [32]
Небольшие временные изменения частоты являются неизбежным следствием изменения спроса, но резкие, быстрые изменения частоты часто сигнализируют о том, что распределительная сеть близка к пределам мощности. Исключительные примеры имели место перед крупными отключениями . Во время серьезного отказа генераторов или линий электропередачи последующий дисбаланс нагрузки и генерации вызовет изменение частот местной энергосистемы. Потеря соединения приводит к увеличению частоты системы (из-за избыточной генерации) выше по течению от потери, но может вызвать коллапс частоты или напряжения (из-за избыточной нагрузки) ниже по течению от потери. [ необходима цитата ] Следовательно, многие защитные реле энергосистемы автоматически срабатывают при серьезной недостаточной частоте (обычно0,5–2 Гцслишком низкое, в зависимости от устойчивости системы к помехам и серьезности мер защиты). Они инициируют сброс нагрузки или отключение соединительных линий для сохранения работы хотя бы части сети . [33]
Меньшие энергосистемы, не тесно связанные со многими генераторами и нагрузками, не будут поддерживать частоту с той же степенью точности. Если частота системы не регулируется жестко в периоды высокой нагрузки, операторы системы могут позволить частоте системы повышаться в периоды низкой нагрузки, чтобы поддерживать среднесуточную частоту приемлемой точности. [34] [35] Переносные генераторы, не подключенные к коммунальной системе, не нуждаются в жесткой регулировке частоты, поскольку типичные нагрузки нечувствительны к небольшим отклонениям частоты.
Управление нагрузкой и частотой (LFC) — это тип интегрального управления , который восстанавливает частоту системы, соблюдая контракты на поставку или потребление электроэнергии в прилегающие районы. Автоматическая схема генерации, описанная в § Частота и нагрузка, устанавливает демпфирование , которое минимизирует величину средней погрешности частоты, Δ f , где f — частота, Δ относится к разнице между измеренными и требуемыми значениями, а линии сверху указывают на средние значения по времени.
LFC включает передачу мощности между различными областями, известную как «чистая мощность линии связи », в минимизированную величину. Для определенной постоянной частоты смещения B ,Ошибка управления зоной (ACE), связанная с LFC в любой момент времени, это просто то, где P T относится к мощности соединительной линии. [36] Затем эта мгновенная ошибка численно интегрируется для получения среднего по времени значения , а регуляторы корректируются для противодействия его значению. [37] [38] Коэффициент B традиционно имеет отрицательное значение, так что когда частота ниже целевой, выработка мощности в зоне должна увеличиваться; ее величина обычно составляет порядка МВт / дГц . [39]
Смещение линии связи (LFC) было известно с 1930-х годов, но редко использовалось до послевоенного периода . В 1950-х годах Натан Кон популяризировал эту практику в серии статей, утверждая, что управление частотой нагрузки минимизирует корректировку, необходимую для изменения нагрузки. [40] В частности, Кон предположил, что все регионы сети имеют общий линейный режим с не зависящим от местоположения [41] изменением частоты на дополнительную нагрузку ( д ф/д Л ). Если выбранная коммунальная службаи один регион испытал временную неисправность или другое несоответствие генерации и нагрузки, то соседние генераторы будут наблюдать снижение частоты, но уравновешивающее увеличение внешнего потока мощности по линии электропередач, не давая ACE. Таким образом, они не будут вносить никаких корректировок регулятора в (предполагаемый) короткий период до восстановления неисправного региона. [42]
Скорость изменения частоты (также RoCoF ) — это просто производная по времени от частоты сети ( ), обычно измеряемая в Гц в секунду, Гц/с. Важность этого параметра возрастает, когда традиционные синхронные генераторы заменяются переменными возобновляемыми источниками энергии (VRE) на основе инверторов (IBR). Конструкция синхронного генератора изначально обеспечивает инерционный отклик , который ограничивает RoCoF. Поскольку IBR не связаны электромеханически с энергосистемой, система с высоким проникновением VRE может демонстрировать большие значения RoCoF, которые могут вызвать проблемы с работой системы из-за нагрузки, оказываемой на оставшиеся синхронные генераторы, срабатывания защитных устройств и сброса нагрузки . [43]
По состоянию на 2017 год правила для некоторых сетей требовали, чтобы электростанции выдерживали RoCoF 1–4 Гц/с, причем верхний предел был очень высоким значением, на порядок превышающим проектную цель типичного старого газотурбинного генератора. [44] Тестирование оборудования высокой мощности (несколько МВт ) на устойчивость к RoCoF затруднено, поскольку типичная испытательная установка питается от сети, и частота, таким образом, не может произвольно изменяться. В США управляемый сетевой интерфейс в Национальной лаборатории возобновляемой энергии является единственным объектом, который позволяет тестировать многомегаваттные блоки [45] (до 7 МВА ). [46] Тестирование больших тепловых блоков невозможно. [45]
Устройства с питанием от переменного тока могут издавать характерный гул, часто называемый « гулом сети », на частотах, кратных частотам переменного тока, которые они используют (см. Магнитострикция ). Обычно он создается пластинами сердечника двигателя и трансформатора, вибрирующими в такт магнитному полю. Этот гул может также появляться в аудиосистемах, где фильтр питания или экранирование сигнала усилителя недостаточны.
Большинство стран выбрали частоту вертикальной синхронизации телевидения , совпадающую с частотой местной сети электропитания. Это помогло предотвратить появление видимых частот биений на отображаемом изображении ранних аналоговых телевизионных приемников, особенно от сетевого трансформатора, из-за гула линии электропередач и магнитных помех. Хотя некоторое искажение изображения присутствовало, оно в основном оставалось незамеченным, поскольку было неподвижным. Устранение трансформаторов путем использования приемников переменного/постоянного тока и другие изменения в конструкции сцен помогли минимизировать эффект, и некоторые страны теперь используют частоту вертикальной развертки, которая является приближением к частоте питания (особенно в областях с частотой 60 Гц).
Другое применение этого побочного эффекта — в качестве криминалистического инструмента. Когда делается запись, которая захватывает звук около прибора переменного тока или розетки, гул также случайно записывается. Пики гула повторяются каждый цикл переменного тока (каждые 20 мс для переменного тока 50 Гц или каждые 16,67 мс для переменного тока 60 Гц). Точная частота гула должна соответствовать частоте криминалистической записи гула в точную дату и время, когда предположительно была сделана запись. Разрывы в совпадении частоты или полное отсутствие совпадения выдадут подлинность записи. [47]
