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1 / 18 Da usina até a sua tomada A eletricidade produzida na usina à esquerda chega quase na hora à lâmpada da casa à direita. As etiquetas mostram a tensão e a corrente em cada etapa, e as contas laranja mostram a corrente oscilando para um lado e para o outro, 60 vezes mais devagar. Os botões no alto abrem mais oito cenas.
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01 Da usina até a sua tomada A eletricidade produzida na usina à esquerda chega quase na hora à lâmpada da casa à direita. As etiquetas mostram a tensão e a corrente em cada etapa, e as contas laranja mostram a corrente oscilando para um lado e para o outro, 60 vezes mais devagar. Os botões no alto abrem mais oito cenas.
02 O gerador gira 3600 vezes por minuto O vapor faz a turbina girar, e o gerador, no mesmo eixo, gira junto. Um gerador de dois polos precisa dar 60 voltas por segundo para produzir 60 Hz. No modelo ele fornece 22 kV, então enviar 500 MW exige cerca de 13.100 ampères.
03 O transformador elevador aumenta a tensão Dentro do tanque, a bobina de baixa tensão tem 5 espiras grossas e a de alta tensão tem 78 finas. A tensão sobe segundo a relação de espiras (de 22 kV a 345 kV, são 1 : 15,7) e a corrente cai na mesma proporção. Mova o controle de tensão e as espiras da bobina da direita mudam junto.
04 A mesma potência, uma tensão menor A 345 kV, os 500 MW exigem 837 A e perdem 6,3 MW (1,26 %) na linha de 3 ohms. O controle agora está em 154 kV: a corrente é de 1875 A e a perda é de 31,6 MW, cinco vezes mais, então os fios esquentam e ficam mais baixos. A 22,9 kV, a perda seria maior que a própria potência. Uma linha mais longa ou um fio mais fino aumenta a resistência, e a perda junto.
05 A subestação baixa para 22,9 kV Um transformador reduz 345 kV para 22,9 kV, e disjuntores a distribuem por muitos alimentadores. Na Coreia, o caminho costuma parar mais uma vez em 154 kV; o modelo omite essa etapa. Aqui, um alimentador conduz 6,25 MW a cerca de 158 A.
06 O transformador de poste faz os 220 V Os três fios do alimentador têm 22,9 kV entre si, mas cada um está a 13,2 kV do fio neutro, abaixo deles. A lata no poste fica entre um fio e o neutro e reduz 13.200 V para 220 V, uma relação de espiras de 60 : 1.
07 220 V a 60 Hz na parede A tensão na tomada oscila entre +311 V e −311 V 60 vezes por segundo, e 220 V é o seu valor eficaz (rms). As normas coreanas permitem de 198 a 242 V. O gráfico no painel mostra três ciclos, 50 milissegundos.
08 Quando a demanda passa a oferta, a frequência cai A demanda acaba de saltar para 560 MW enquanto o gerador ainda está ajustado em 500 MW. A potência que falta é tirada do rotor em movimento, que desacelera, e a frequência cai a cerca de 59,6 Hz. O regulador de velocidade abre e a frequência se estabiliza em 59,825 Hz. Ligue a CAG para trazê-la de volta a 60 Hz.
09 Algumas usinas giram, outras não As usinas a carvão, nucleares, a gás e hidrelétricas giram geradores pesados em passo com a rede, e as rodas de aço mostram quanta energia cada uma guarda no giro (a constante de inércia H, em segundos). Eólica, solar e baterias se ligam por inversores e não acrescentam nenhuma. Aumente a parcela de inversores e a frequência cai mais depressa depois da perda de uma unidade.
10 Um dia de verão A demanda é mais baixa antes do amanhecer e mais alta à tarde. O recorde da Coreia é de 97,1 GW, registrado em 20 de agosto de 2024. Com 30 GW de solar, as colunas do meio-dia ficam em parte amarelas e a subida mais íngreme passa para as horas em torno do pôr do sol.
11 A curva do pato Num dia ameno de primavera com 60 GW de solar, a demanda que sobra para as outras usinas cai ao meio-dia e sobe de forma abrupta depois do pôr do sol. O operador da rede da Califórnia chamou esse formato de pato. O gás e a hidrelétrica precisam cobrir essa subida da noite em poucas horas.
12 Uma unidade desarma Uma unidade de 1400 MW acaba de sair de uma rede de 80 GW. Nos primeiros segundos, só a massa girante de todas as máquinas segura a frequência; depois os reguladores acrescentam reserva e, no modelo, a frequência atinge o mínimo perto de 59,67 Hz cerca de 8 segundos depois. Acrescente baterias para mantê-la acima de 59,8 Hz.
13 Por dentro do transformador O núcleo é empilhado de chapas finas de aço para que as correntes parasitas fiquem pequenas. Cada coluna leva uma bobina de baixa tensão dentro de uma de alta tensão, tudo sob óleo que leva o calor aos radiadores. No modelo, uma unidade de 1000 MVA com 80 % de carga desperdiça cerca de 3,1 MW, um rendimento de cerca de 99,6 %.
14 Isoladores, feixes e flecha Uma cadeia de 345 kV com 20 discos de vidro mantém o fio a 2,9 m do aço. Quatro fios por fase mantêm o campo na superfície perto de 10 kV/cm, bem abaixo dos 21,6 kV/cm em que o corona começa com bom tempo. Aqueça o fio a 80 °C e o vão de 400 m cede de 10,5 m para cerca de 13,6 m.
15 765 kV na chuva A 765 kV, a cadeia tem 40 discos, com 5,8 m de comprimento. A chuva baixa o início do corona para cerca de 14,5 kV/cm, e mesmo seis fios por fase dão 15 kV/cm, então a linha molhada brilha e estala. Por isso as linhas de tensão muito alta têm grandes feixes e ainda assim zumbem com tempo úmido.
16 Corrente contínua sob o mar O primeiro elo de Jeju transporta 180 kV CC desde Haenam, desde 1998. Um cabo CA desse comprimento gastaria boa parte de sua capacidade carregando a própria capacitância; neste modelo, um cabo CA de 154 kV se enche a cerca de 150 km. Em terra, a CC compensa a partir de cerca de 700 km aqui, por causa do custo das estações conversoras.
17 Uma falha, depois outra Uma falha tira de serviço a linha Interior–Cidade. Sua potência passa para os outros caminhos, a linha Interior–Represa funciona acima do limite e, cerca de 18 segundos depois, sua proteção a desarma. Em seguida cai a linha seguinte. Aperte "Cortar 10 %" a tempo, como fazem os operadores, e a cascata para.
18 O quadro da sua casa Cada circuito tem o seu disjuntor. Ligue juntos a chaleira, o micro-ondas, a panela de arroz e a fritadeira elétrica e o disjuntor de 20 A da cozinha desarma depois de um tempo. O disjuntor diferencial residual compara a corrente que sai com a que volta e desarma a 30 mA. Aperte o botão de teste amarelo: ele deve cair na hora.
Usina Casa das turbinas, casa das caldeiras e chaminé. Ative "Ver por dentro" para olhar a turbina e o gerador. Turbina e gerador Turbina a vapor e gerador no mesmo eixo. As marcas vermelhas mostram o giro, 60 vezes mais lento que o de uma máquina real de dois polos a 3600 rpm. Transformador elevador Tanque cheio de óleo com aletas de resfriamento. Buchas de baixa tensão na lateral, buchas altas de alta tensão no topo. Núcleo e enrolamentos Cinco espiras grossas em uma coluna do núcleo de ferro, muitas espiras finas na outra. A relação de espiras define a tensão. Torre de 345 kV Treliça de aço com dois circuitos trifásicos e dois cabos de guarda no topo para receber os raios. Cadeias de isoladores Fileiras de discos de porcelana que mantêm os fios afastados do aço. Quanto maior a tensão, mais longa a cadeia. Condutores Fios de alumínio com alma de aço. No modelo eles brilham e cedem mais conforme o calor I²R aumenta. Transformador da subestação Reduz 345 kV para 22,9 kV para os alimentadores de distribuição. Disjuntores e barramento Os disjuntores abrem um alimentador em uma fração de segundo quando há uma falha. Alimentador de 22,9 kV Três fios de fase na cruzeta e um fio neutro abaixo deles, em postes de concreto. Transformador de poste Ligado entre uma fase e o neutro: entram 13,2 kV, saem 220 V. Casa e medidor O ramal de ligação que vem do poste chega ao medidor na parede. Tomada Dois furos redondos com contatos de terra nas laterais. 220 V a 60 Hz. Usina a carvão Casa das caldeiras, casa das turbinas, uma chaminé listrada e um depósito de carvão coberto. Sua turbina a vapor acrescenta uma grande massa girante. Usina nuclear Edifício de contenção em cúpula ao lado da casa das turbinas. Opera perto da potência máxima quase o tempo todo. Ciclo combinado a gás Duas turbinas a gás cujo escape quente gera vapor nas caldeiras logo atrás, e um tanque de GNL. Parte rápido. Usina hidrelétrica Barragem em arco, lago, duas tubulações forçadas e a casa de força ao pé da barragem. Parque eólico Três turbinas. Os rotores giram, mas os geradores chegam à rede por inversores, então a rede não sente massa girante. Usina solar Fileiras de painéis inclinados sobre estruturas e um inversor. Sem peças em movimento. Armazenamento em baterias Contêineres de células de íons de lítio com conversores de potência. Respondem em uma fração de segundo. Demanda por hora 24 colunas, uma por hora. Azul: a demanda que o despachante precisa atender. Amarelo por cima: o que a energia solar fornece. Nível da oferta Uma lâmina de vidro verde na altura da oferta das usinas nucleares, a carvão, hidrelétricas, das demais e do gás ligado. Cidade Suas janelas se acendem depois do pôr do sol, quando a demanda passa para as residências. Medidor de frequência Ponteiro num mostrador de 58 a 62 Hz. O verde é a faixa normal, de 59,8 a 60,2 Hz; o vermelho fica abaixo de 59,0 Hz, onde começa o corte de carga no modelo. Geradores em serviço Conjuntos turbina-gerador que continuam ligados. Seus rotores seguram a frequência nos primeiros segundos; depois os reguladores de velocidade acrescentam potência da reserva. A unidade que desarma Um conjunto de 1400 MW, cerca de uma grande unidade nuclear (valor do modelo). Aperte "Desligar uma unidade" e ele sai da rede. Bateria para a frequência Acende em verde enquanto descarrega. No modelo ela atinge a potência máxima em cerca de 0,2 s. Blocos de carga Três grupos de edifícios. Cada estágio de subfrequência (59,0, 58,8 e 58,6 Hz) desliga um grupo. Núcleo laminado Três colunas e dois jugos empilhados de chapas finas de aço, escalonados para que a seção seja quase redonda. O fluxo magnético circula por ele. Enrolamento de baixa tensão A bobina interna: poucas espiras de cobre grosso conduzindo a corrente alta. Enrolamento de alta tensão A bobina externa, uma pilha de discos com muitas espiras de cobre mais fino e isolamento de papel entre eles. Tanque e conservador O tanque de aço, cortado na frente, e o conservador acima dele, que dá ao óleo espaço para se expandir quando esquenta. Óleo isolante Óleo mineral enche o tanque. Ele isola os enrolamentos e leva o calor deles até os radiadores. Radiadores Painéis finos nos dois lados. O óleo quente desce por eles enquanto esfria. Buchas Colunas de porcelana que levam os condutores para fora pela tampa: as altas para a alta tensão, as baixas para a baixa. Comutador de derivações Muda entre derivações do enrolamento para ajustar a tensão de saída em alguns por cento. Torre e cruzeta Treliça de aço galvanizado. A cruzeta mantém uma fase bem afastada do corpo da torre. Cadeia de isoladores Discos de vidro em fileira, de cerca de 146 mm cada. O modelo usa 10 para 154 kV, 20 para 345 kV e 40 para 765 kV. Feixe de condutores Vários fios por fase, mantidos a 45 cm uns dos outros por espaçadores (modelo). Mais fios reduzem o campo na superfície de cada um. Corona Quando o campo na superfície do fio passa da rigidez dielétrica do ar, o ar brilha em violeta, estala e desperdiça energia. Estações conversoras Salas de válvulas em cada ponta convertem CA em CC e vice-versa. De um lado fica um pátio de manobra CA e, do outro, um reator de alisamento CC. Válvulas Pilhas de módulos de válvulas semicondutoras dentro das salas. Ative "Ver por dentro" para olhar através das paredes. Cabo submarino Condutor de cobre, isolamento de papel, capa de chumbo e armadura de aço, apoiado no fundo do mar. O trecho cortado mostra as camadas. Ilha Turbinas eólicas e uma cidade. Com um elo de duas vias, a ilha pode importar à noite e enviar para fora o excedente eólico. Usinas Litoral (3000 MW), Interior (2000 MW) e a represa (1000 MW). Quando a rede se divide, as usinas de cada parte dividem a carga que conseguem alcançar. Cidades Cinco cidades e uma área industrial. Suas janelas escurecem em proporção à carga que não pode ser atendida. Linhas de transmissão Doze linhas coloridas conforme o carregamento. Clique em uma para desarmá-la. A potência se divide entre caminhos paralelos na razão inversa de suas reatâncias (fluxo de potência CC). Caixa do quadro Uma caixa metálica na parede, com porta. Numa casa real, o interior fica atrás de uma tampa. Barramentos Barra de cobre que alimenta todos os disjuntores, a barra azul do neutro e a barra verde-amarela da terra. Disjuntores Disjuntor geral (40 A no modelo), disjuntor diferencial residual com botão de teste amarelo e cinco disjuntores de circuito. Clique numa alavanca desarmada para religá-la. Fiação e terra Os cabos dos circuitos sobem até os cômodos e o fio terra desce até uma haste de cobre no solo. Aparelhos Clique em um para ligar ou desligar. Uma luz verde mostra que ele está recebendo energia.
