Варианты построения IP сетей на большие расстояния, организация питания видеокамер по РоЕ
Надеюсь, все помнят проблему последней мили, которая активно решалась в начале нулевых? На сегодня этот вопрос считается закрытым, но… Например я. Живу сейчас частном секторе. Есть один-единственный провайдер с постоянными глюками, ремонтами оборудования, перенастройкой сервера, обрывами и перетягиваниями кабелей (чтоб вы понимали – по улице идет обычная витая пара для внутренних работ) и так далее. Никакой другой поставщик услуг не хочет вести к нам свои коммуникации, поэтому с нормальным интернетом огромнейший … напряг.
Мне в этом плане легче – одно время я имел отношение к телекому, и мне окольными путями за некоторые деньги прямо в дом прокинули оптику. А с другой стороны подключили к одному из нормальных провайдеров с неплохим тарифом. Итог: реальных 100 Мб/с за сравнительно небольшую абонплату. И как нормальный человек, я решил сделать хорошо своим соседям. Поэтому приобрел MikroTikRB2011UAS-2HnD и начал раздавать интернет. Всего у меня 3 подсети: моя, для соседей (проводная) и тестовая с виртуальной точкой доступа.
В общем, близлежащие три дома в радиусе до 100 м. получили интернет, люди довольны, но периодически ко мне обращаются соседи, живущие дальше с просьбой подключить и их. Особенно достал один парень, дом которого находится на расстоянии около 300 м. по прямой, да еще и через дорогу. На фото его дом указан стрелкой:
Я предлагал ему приобрести оборудование Ubiquiti из серии NanoStation и организовать радиоканал, но его смущала стоимость. Еще более матерые устройства имеются в продаже и не являются редкостью, но это уже для промышленных масштабов и для бизнеса, а не для нашей локальной частой затеи.
Когда вселялся в эту квартиру, планировал установить спутниковые тарелки, поэтому установил вот такую мачту возле дымохода. Ее и планировал использовать для монтажа радиооборудования. Но вернемся к нашему вопросу.
В конце концов сосед решился, и поручил мне поиски. Основное условие – легкость установки и демонтажа . Ведь и у него, и у меня это временное жилье и нет смысла серьезно решать вопрос.
Кстати, были варианты купить направленную Wi-Fiантенну, но это не выход: мало ли сколько и какого оборудования сосед захочет подвесить на него. Поэтому только бридж: одна антенна транслирует инет, вторая подключается к компу или WAN-порту роутера, а к нему уже цепляется все, что угодно.
Две абсолютно идентичные картонные коробки без опознавательных знаков и наклейками, на которых какие-то иероглифы и МАС-адресами.
Внутри сами девайсы, инструкция на китайском и английском (английская по качеству выглядит как плохая ксерокопия с ксерокопии)
В комплекте два хомута для крепления к мачте
И блок питания на 12В с обычным штекером. Тут китайцы немного дали маху – длина провода всего 1,5 м., а РоЕ не предусмотрен в принципе
Если бы было РоЕ, я бы запитал оборудование прямо с Микротика и не было бы никаких проблем.
С тыльной стороны точки доступа есть кронштейн с проушиной для крепления к трубе
А также панель со светодиодными индикаторами: наличия питания, сети, Wi-Fi и уровня сигнала
Все провода подключаются к разъемам под съемной крышкой в нижней части девайса, которая фиксируется защелкой. Кроме того, там есть выламываемые заглушки для подведения проводов. К сожалению, никаких резиновых уплотнителей для защиты хотя бы от пыли не предусмотрено.
Под крышкой, в глубине корпуса расположены кнопка RESET, панель DIP-переключателей, с помощью которой настраивается режим работы оборудования и IP-адрес, порт Ethernet и разъем питания
Теперь перейдем непосредственно к девайсу и его настройке.
Основные характеристики бриджа:
CPU: AR9344
DDR: 64MB
Flash: 8MB
RF Power: 802.11 a/n, 23dBm±1dBm
RX: - 96dBm
Направленная антенна: 8DBI, 11a/n
Рабочий диапазон: 5ГГц
Максимальная дальность: 1км.
Температура эксплуатации: -10…+60ºС
Оборудование может работать в двух режимах:
1) точка доступа (АР)
2) приемник для подключения по беспроводному каналу и трансляции сигнала на порт LAN (СРЕ)
Настройка режима осуществляется простым изменением положения DIP-переключателя
А вот дальше начинается самое интересное: настройка IP-адресов для линка двух таких девайсов. Традиционно, это делается через веб-интерфейс. Но здесь китайцы пошли по пути с одной стороны, упрощения, а с другой – усложнения процедуры. Хотя, как на это посмотреть.
Итак, у нас есть две группы переключателей, отвечающих за настройку IP-адреса. По умолчанию, айпишники сразу прописаны серыми, т.е. 192.168.ххх.ххх. Пользователь может изменить только подсеть (переключатели 2, 3, 4), причем выбрать можно одну из восьми предустановленных (101 … 108) и идентификатор (переключатели 5 и 6) в диапазоне от 2 до 5. Все.
По утверждению друзей из Поднебесной, да и исходя из вышеуказанного ограничения по количеству IP, к одной точке доступа можно подключить до 4-х приемных устройств.
Что еще из нюансов: АР не транслирует имя сети, пароль для линка между устройствами предустановлен на заводе и вводить его не требуется. Но в таком случае, если где-то в моем районе появится еще одна такая же ноунеймоская китайская штука, то пользователь может спокойно подключиться к инету через точку доступа. Нужно будет только поиграться с установкой DIP-переключателей, и подобрать соответствующий айпишник. Мне, допустим, такаю ситуация не грозит, потому что у меня Микротик, и все лишнее закрыто и запрещено.
Возвращаемся к нашим девайсам. Все манипуляции, которые нужно я произвел, в тестовую подсеть включил точку доступа и свой ноут. Второе устройство было отдано соседу. Он его закрепил, включил в свой комп, подключил электричество и стал ждать)) Поскольку между нами прямая видимость, то направление друг на друга было выставлено без проблем. За происходящим я наблюдал через Winbox, с компа, включенного в мою домашнюю сеть.
Итак, девайс, который остался у меня получил айпи 192.168.88.13 (МАС CC:22:37:A0:02:40), а девайс соседа 192.168.88.14 (МАС CC:22:37:A0:02:15). Это данные из ARP-таблицы
Причем, здесь обнаружилось несовпадение МАС на наклейке (CC:22:37:A0:02:13) одного из девайсов с реальным (CC:22:37:A0:02:15). DHCP-сервер отработал без проблем, компьютер соседа получил айпишник из тестовой подсети.
Я открыл ему доступ в интернет и попросил немного посерфить. Вот скрин его активности
Повторюсь, расстояние по прямой около 300 м. По радиоканалу пингик соседскому компу бегают превосходно, а точка доступа не пингуется вообще
Естественно, мне стало интересно, какая скорость передачи данных через бридж. Это я проверил с помощью утилиты NetStress:
Как видно на скриншоте, китайское оборудование стабильно выдает 20 Мб/с, что отнюдь неплохо. Поскольку это его максимум - такое ограничение по скорости я установил и для своего очередного абонента. Этого вполне достаточно для серфинга, он-лайн игрушек, просмотра фильмов и быстрого скачивания файлов.
В характеристиках километр, но как обычно это «китайский» километр и не указано, какая скорость может быть на краю этого километра (очевидно, «никакая»).
Вот уже с недельку товарищ имеет нормальный, стабильный доступ к сети и это в условиях зимы с метелями. Задача решена и теперь осталось узнать, сколько времени выдержат эти девайсы в наших условиях. Зимние морозы пережили, впереди летняя жара!
Если заинтересовали устройства, то под спойлером купон на скидку.
21 августа 2013 Варианты построения IP сетей на большие расстояния, организация питания видеокамер по РоЕ
Данная статья будет полезна специалистам, переходящим от аналоговых решений к цифровым. Для визуального восприятия материала некоторые рисунки взяты из Интернета.
При всей простоте предлагаемых рынком IP решений существует определенное требования при подключения к сети Интернет – это максимальное расстояние от узла сети передачи данных до абонентского устройства не должно превышать 100 м. Данное условие необходимо соблюдать при построении сетей IP видеонаблюдения.
На рисунке ниже представлено стандартное решение IP системы удовлетворяющее выше указанным требованиям.
Варианты построения IP сети
Довольно часто при построении сети возникает необходимость установки IP камер на бОльшие расстояния от сервера и желательно, с подачей питания к камере по РоЕ. Для решения этих задач существует три варианта, каждый из которых будет зависеть от удаленности видеокамеры:
- использование дополнительных компонентов сети, позволяющих передать видеоизображение и питание камеры на расстояние более 100 м. по витой паре;
- прокладка оптико-волоконного кабеля;
- использование существующей сети Интернет.
Сделаем небольшое отступление и остановимся подробнее на технологии РоЕ.
Стань участником Партнерской программы «Актив-СБ» и вы получите:
Рассрочку платежа на складские позиции (при условии предоставления полного пакета документов);
Размещение компании в разделе "Монтаж", при закупке оборудования ежемесячно на сумму более 100 000 руб;
Кэшбэк по Бонусной программе в размере до 5% от суммы покупок
Power over Ethernet - это технология подачи электропитания через Ethernet к оконечным сетевым устройствам, которые для своей работы требуют и канала передачи данных, и источника питания. Это могут быть сетевые коммутаторы Ethernet, беспроводные точки доступа, IP-камеры и т. п. Преимущество технологии PoE состоит в том, что она использует только один комплект проводов как для передачи данных, так и для подачи питания. Текущий стандарт IEEE802.3af для питания оборудования через Ethernet, был официально утвержден в 2003 году.
Это позволяет снизить затраты времени на инсталляцию и сэкономить средства на стоимости силовых кабелей и других компонентов. Одна из главных особенностей РоЕ - возможность ее применения не только при организации новых сетей, но и при модификации уже существующих. Чаще всего при модернизации сети требуется установка активного конечного оборудования именно там, где поблизости нет источника питания, а электропроводка отсутствует. Благодаря РоЕ-технологии WiFi точку доступа, например, можно устанавливать в местах наилучшего приема сигнала, а IP-камеру монтировать в любом удобном для обзора месте.
С расширением применения PoE технологии потребность в более высокой мощности постоянно возросло и были утверждены несколько новых стандартов с различным уровнем мощности на один порт: IEEE802.3af (15.4W), IEEE802.3at PoE Plus (30W), Ультра PoE (60-80W), Mega PoE (95W).
Новый стандарт IEEE802.3at отличается от IEEE802.3af тем, что для увеличения передаваемой по сети мощности дополнительно используются две свободные пары кабеля 4-5 и 7-8.
Рассмотрим несколько вариантов построения протяженных сетей с использованием дополнительного оборудования различных производителей:
1. Установка одноканальных репитеровМаксимальная длина сегмента в сети 100Base-T составляет 100 м. Репитер PoE позволяет увеличить длину линии до оконечных сетевых устройств путём последовательного соединения сегментов. Репитер PoE восстанавливает двусторонний поток данных и передаёт напряжение питания следующему за ним устройству.
2. Применение одноканальных регенераторов, работающих по технологии SHDSL
Подключение IP-камеры к информационной сети на большом расстоянии производится через SHDSL интерфейс с использованием регенератора. Скорость в линии достигает 15296 кбит/c по одной паре. Питание камеры осуществляется дистанционно от SHDSL модуля. На линии может быть установлено до 3 регенераторов, питаемых со стороны базовой платформы SG-17R.
3. Удаленное подключение IP-камеры с подачей дистанционного питания по технологии PoDSL через SHDSL соединение с использованием регенератора
Подключение группы IP-камеры к информационной сети производится через Ethernet интерфейс. IP-камеры имеют встроенный Ethernet-коммутатор на два порта, что позволяет в целях оптимизации прокладки кабеля организовать их подключение «цепочкой» в режиме транзитного питания от одного порта Ethernet. Максимальное количество подключаемых камер при длине сегмента между устройствами 100 метров – до 5 штук.
4. Использование устройства представляющие собой модемы/ конвертеры, выполненные по технологии VDSL2
Данные изделия предназначены для организации систем IP-видеонаблюдения на удаленных объектах, то есть для передачи данных с IP-камер на расстояния более 100 м по двухпроводной медной линии (витой паре) или коаксиальному кабелю. Конвертеры имеют 1 или 4 порта Ethernet для подключения IP-камер и работают на дистанции до 1,7 км. Часто такие устройства называют Ethernet Extender.
5. Применение 1-канальных РоЕ инжекторов и сплиттеров мощностью 15 W
Инжектор вводит питание в UTP кабель, а сплиттер выделяет его и подает на видеокамеру.
Многие IP-видеокамеры с питанием по РОЕ уже содержат встроенный сплиттер.
Это упрощает подключение, так как для подключения потребуется только инжектор.
Если блок питания совмещен с инжектором, то для питания IP камеры без функции РоЕ, потребуется только сплиттер.
6. Применение новой технологии « PoE Extender » позволяющей передавать данные и питание высокой мощности на сверхдальние расстояния
Эту функцию выполняет изделие под названием «Power Reach» или просто - РоЕ удлинитель.
Технология PoE Extender совместима не только со стандартным протоколом Ethernet и PoE IEEE802.3af/at , но также может осуществлять передачу питания до 60W до 500м. с поддержанием скорости 100 Mбит/с.
При каскадировании PoE удлинителей, можно увеличить дальность передачи РоЕ до 2 км., но при этом мощность в конце лини составит 3-5 ватт, а скорость передачи данных останется неизменной 100Мбит/с.
Вариант применения PoE удлинителей при построении протяженных сетей:
Вариант установки РоЕ удлинителя непосредственно в кожух. Полученной мощности 60W вполне будет достаточно для питания видеокамеры, обогрева кожуха, а в некоторых случаях и ИК подсветки.
Приведенный в статье перечень оборудования, предназначенного для передачи видео на большие расстояния и питания видеокамер по РоЕ разнообразен и далеко не полон. Выбор того или иного решения производится исполнителем исходя из поставленных задач и его предпочтений.
Александр Адушкин
При организации системы видеонаблюдения часто возникает необходимость осуществлять контроль объекта на значительном удалении от него. Среди таких объектов можно выделить следующие типы:
- территориально удаленные и не имеющие прямой линии связи с пунктом наблюдения (загородные дома, дачи, гаражи и т.п.);
- контроль больших территорий или протяженных периметров с возможностью установки на объекте камер видеонаблюдения и коммуникационных сетей передачи сигнала.
В первом варианте рекомендуется применение интернет технологий , в том числе беспроводных способов связи. Во втором – допускается использование кабельных линий передачи сигнала в сочетании с оборудованием для его усиления.
Существует несколько способов решения поставленной задачи.
При сравнительно небольшом расстоянии до контролируемого объекта до 500 м и невозможности установки видеокамер непосредственно на нем наиболее широкое использование получили камеры видеонаблюдения с высоким разрешением или объективами с изменяемым фокусным расстоянием.
Внимание! Для применения такого технического решения необходимы качественные ширококанальные линии связи.
Пример необходимости использования такой аппаратуры – организация видеонаблюдения за автомобилем, который находится на неохраняемой стоянке возле дома. Использование внешних камер видеонаблюдения установленных на стоянке затруднительно, так как они подвергнутся порче в первую очередь.
Установка обычных камер видеонаблюдения на большом расстоянии малоэффективна, так как даст только размытое изображение силуэта злоумышленника. В этом случае единственным выходом является использование корпусных камер высокого разрешения совместимых с длиннофокусными объективами.
КАМЕРЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ НА БОЛЬШОМ РАССТОЯНИИ
При выборе камеры видеонаблюдения на значительные расстояния необходимо принимать во внимание следующие параметры:
- расстояние эффективного обнаружения камерой объекта видеонаблюдения;
- оптимальная дальность распознания (обычно это лицо или номера автомобилей);
- расстояние передачи сигнала.
Первые два пункта определяют эксплуатационные параметры объектива, его фокусное расстояние и разрешающую способность самой камеры. Теоретически при использовании длиннофокусных объективов любая совместимая корпусная камера видеонаблюдения способна распознать объект на расстоянии в несколько сотен метров.
Для этого необходима оптика, стоимость которой запредельна для большинства пользователей, а угол обзора будет мал настолько, что настройка камеры будет проблемной без использования дополнительной специализированной аппаратуры.
К длиннофокусным объективам относятся оптические приборы, у которых величина фокусного расстояния больше чем диагональ матрицы. К примеру, для наиболее распространенного типа матриц 1/3˝ длиннофокусными будут считаться объективы с фокусным расстоянием более 6 мм.
Существуют длиннофокусные объективы с фиксированным фокусным расстоянием. Такие устройства чаще всего применяются в камерах видеонаблюдения из-за простоты настройки и доступной цены. В этом классе необходимо особо выделить зеркально-линзовые, у которых отсутствуют хроматические аберрации изображения.
Объективы с переменным фокусным расстоянием – трансфокаторы можно условно разделить на 4 класса.
| № | Матрица камеры | Кратность | Фокусное расстояние | |
| 1 | 1/3˝ | 10-20 | 5-50 | |
| 2 | 1/4˝ | 10-36 | 3-130 | |
| 3 | 1/2˝ | 1/3˝ 10-20 | 5-300 | |
| 4 | 1/2˝ | 1/3˝ 20-50 | 10-100 |
Основные технические характеристики, на которые следует обратить внимание при выборе сочетания объектив + камера:
- размер изображения, которое формирует матрица – оптический формат;
- фокусное расстояние (определяет вертикальный и горизонтальный угол зрения);
- частотно-контрастная и спектральная характеристики;
- разрешающая способность;
- уровень вносимых геометрических искажений.
ПЕРЕДАЧА ВИДЕОСИГНАЛА НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ
При передаче видеосигнала на большие дистанции необходимо обратить внимание на защищенность канала связи. Необходимо учитывать следующие факторы:
1. Количество необходимых линий связи с удаленным объектом и особенности маршрута;
2. Максимально допустимая протяженность линий передачи для каждого конкретного типа кабеля (UTP – витая пара, коаксиал, оптоволокно);
3. Электромагнитная обстановка на маршруте и объекте – индустриальные помехи, наличие высоковольтных линий электропередач, частота гроз и т.п.;
4. Необходимость передачи ив одном магистральном кабеле сигналов других типов;
5. Климатические условия – температурный режим, частота и сила гроз, возможность обледенения кабелей и т.п.;
6. Организация энергоснабжения удаленных устройств – локально или дистанционно.
Существуют несколько способов передачи видеосигнала без искажения на значительные расстояния.
Несимметричная линия связи.
Применяется для передачи аналогового сигнала по коаксиальному кабелю. Дальность передачи качественного сигнала без усилителей до 300 м. Для такого типа передачи характерно быстрое частотно зависимое затухание сигнала в кабеле.
Рекомендуется использовать коаксиал с большим диаметром центральной жилы и изоляции. Некоторые аналоговые камеры видеонаблюдения имеют встроенный корректирующий усилитель, который увеличивает дальность передачи до 500 м. К примеру, HD-CVI камера HAC-HFW2200D, передающая изображение в качестве Full HD на расстояние до 500 м при условии использования кабеля РК-75-4-1.
Основными недостатками несимметричных линий являются:
- высокая стоимость кабеля;
- сложность заземления;
- плохая помехозащищенность;
- большой коэффициент затухания сигнала.
Симметричная линия.
Используется кабель витая пара (UTP) для передачи аналогового или цифрового видеосигнала. Без дополнительных устройств усиления и фильтрации сигнала дальность передачи составляет до 100 м. Для увеличения дальности используется различная аппаратура:
- пассивные устройства устанавливаются на передающей стороне возле камеры видеонаблюдения, увеличивают дальность передачи до 500 м;
- активные устройства с выходным напряжением до 3 в увеличивают дальность передачи до 1000 м;
- активные устройства с выходным напряжением до 18 в увеличивают дальность передачи до 2000 м.
К особенности использования симметричных линий на дальние дистанции можно отнести необходимость проведения технически сложных комплексов по защите линии от наведенных напряжений, которые могут вывести оборудование из строя.
ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЕ НА РАССТОЯНИИ ЧЕРЕЗ ИНТЕРНЕТ
На данный момент существует два наиболее распространенных способа передачи видеосигнала на большие дистанции:
- облачное видеонаблюдение (VSaaS технология);
Основные различия для пользователя между этими двумя технологиями видеонаблюдения не существенны. В обоих случаях для удаленного управления системой видеонаблюдения на объекте необходим доступ к сети интернет. Подключение может осуществляться по кабельному каналу, выделенному провайдером или при помощи GSM модема через мобильного оператора.
Суть обеих технологий заключается в перенесении основных функций видеорегистратора системы видеонаблюдения в виртуальное пространство. На удаленном сервере могут не только храниться большие объемы видеоархива, но и осуществляться аналитическая обработка поступающей информации: распознание лиц и номеров автомобилей, рассылка тревожных сообщений при активации программного детектора движения камеры видеонаблюдения и т.д.
Большинство этих функций доступны только при условии оплаты расширенного клиентского доступа, но и тех возможностей, которые предоставляются бесплатно достаточно для создания небольшой, но эффективной системы удаленного видеонаблюдения.
Некоторые облачные сервисы совместимы только с камерами определенного производителя.
Самые популярные облачные сервисы видеонаблюдения:
- IVideon;
- NOVIcloud;
- YouLook;
- CamDrive;
- IPeye;
- CpaceCam только для камер компании RVi;
- Ezviz только для камер видеонаблюдения производителя Hikvision.
Наиболее эффективна кабельная передача сигнала в системах видеонаблюдения на расстояния больше 2000 м через оптоволоконные линии. Но их высокая стоимость делает такой способ недоступным для большинства частных потребителей.
© 2010-2019 г.г.. Все права защищены.
Материалы, представленные на сайте, имеют ознакомительно-информационный характер и не могут использоваться в качестве руководящих документов
Процесс передачи электрической энергии уже давно не вызывает у нас удивления. Электричество настолько прочно вошло в нашу жизнь, что представить себе ситуацию, когда его нет, для большинства из нас почти не возможно. За последние десятилетия были проложены миллионы километров проводов. Стоимость работ по вводу их в работу и эксплуатации составляет триллионы рублей. Но зачем строить протяженные ЛЭП, когда можно у каждого потребителя поставить генератор? Есть ли зависимость между длиной ЛЭП и качеством передаваемой электроэнергии? На эти и другие вопросы я и попытаюсь ответить.
Провода и генераторы
Сторонники распределенной генерации полагают, что будущее энергетики состоит в использовании небольших генерирующих устройств каждым потребителем. Можно подумать, что столь привычные нам опоры ЛЭП доживают свои последние деньки. Попробую встать на защиту «старушек» ЛЭП и рассмотреть те плюсы, которые получает энергосистема при строительстве протяженных линий электропередачи.
Во-первых, транспорт электрической энергии напрямую конкурирует с транспортом топлива по железной дороге, нефте- и газопроводам. При их удаленности или отсутствии строительство линий электропередачи является единственным оптимальным решением для энергоснабжения.
Во-вторых, в электротехнике уделяется пристальное внимание резервированию мощности. Согласно правилам проектирования энергосистем, резерв должен обеспечивать работу энергосистемы при потере любого ее элемента. Сейчас этот принцип называется «N-1». Для двух изолированных систем суммарный резерв будет больше, чем для связанных, а меньший резерв — это меньшее количество денег, потраченных на дорогостоящее электрооборудование.
В-третьих, экономия достигается за счет более грамотного управления энергоресурсами. Атомные электростанции, гидроэлектростанции (за исключением малой генерации) по понятным причинам зачастую расположены в отдалении от крупных городов и поселений. Без линий электропередачи «мирный атом» и гидроэлектроэнергия не были бы использованы по их прямому назначению. Разветвленная энергосистема также позволяет оптимизировать загрузку и прочих видов электростанций. Ключ к оптимизации — управление очередью загрузки. Вначале загружаются электростанции с более дешевым производством каждого кВт*ч, затем уже электростанции с более дорогим. Не стоит забывать и о часовых поясах! Когда в Москве пик энергопотребления, в Якутске этот показатель невелик. Отдавая дешевую электроэнергию в разные часовые пояса, мы стабилизируем загрузку генераторов и сводим к минимуму издержки производства электричества.
Не стоит забывать и о конечном потребителе — чем больше у нас возможностей доставить до него электрическую энергию от разных источников, тем меньше вероятность, что когда-нибудь его энергоснабжение прервется.
К минусам построения разветвленной электросети можно отнести: сложное диспетчерское управление, трудную задачу автоматического управления и работы релейной защиты, появление необходимости дополнительного контроля и регулирования частоты передаваемой мощности.
Однако отмеченные недостатки не могут нивелировать положительный эффект от построения разветвленной энергосистемы. Развитие современных систем противоаварийного управления и компьютерных технологий постепенно упрощают процесс диспетчерского управления и увеличивают надежность электросетей.
Постоянный или переменный?
Существует два принципиальных подхода к передаче электроэнергии — использование переменного или постоянного тока. Не вдаваясь в подробности, отметим, что для небольших расстояний гораздо эффективнее использовать переменный ток. Но при передаче электроэнергии на расстояния свыше 300 км практичность использования переменного тока уже не так очевидна.
Связано это в первую очередь с волновыми характеристиками передаваемой электромагнитной волны. Для частоты 50 Гц длина волны составляет примерно 6000 км. Оказывается, что в зависимости от протяженности ЛЭП существуют физические ограничения на передаваемую мощность. Максимум мощности можно передать при длинах ЛЭП порядка 3000 км, что составляет половину длины передаваемой волны. К слову, этот же объем мощности передают по ЛЭП протяженностью в 10 раз меньше. При прочих размерах линий объем мощности может достигать всего лишь половины от данного значения.
В 1968 году в СССР был осуществлен уникальный и пока единственный в мире эксперимент по передаче мощности на расстояние 2858 км. Была собрана искусственно схема передачи, включающая в себя участки Волгоград-Москва-Куйбышев (ныне Самара)-Челябинск-Свердловск (ныне Екатеринбург) на напряжении 500 кВ. Опытным путем были подтверждены теоретические исследования длинных линий.
Из рекордсменов по протяженности можно выделить проложенную в Китае ЛЭП в 2200 км от восточной провинции Хами до города Чженчжоу (столица провинции Хэнань). Стоит отметить, что полный ее ввод в эксплуатацию намечен на 2014 год.
Также не стоит забывать о напряжении линий. Со школы нам знаком закон Джоуля-Ленца P = I? R , который постулирует, что потери электрической энергии зависят от значения электрического тока в проводе и от материала, из которого он изготовлен. Мощность, передаваемая по линиям электропередачи, есть произведение тока на напряжение. Чем выше напряжение, тем меньше ток в проводе и тем самым меньше уровень потерь электроэнергии при передаче. Отсюда следствие: если мы хотим передавать электроэнергию на большие расстояния, необходимо выбирать как можно большее напряжение.
При использовании переменного тока в протяженных ЛЭП возникает ряд технологических проблем. Главная проблема связана с реактивными параметрами линий электропередачи. Емкостное и индуктивное сопротивление проводов оказывают существенное влияние на потери напряжения и мощности при передаче, возникает необходимость поддержания уровня напряжения на должном уровне и компенсации реактивной составляющей, что достаточно ощутимо увеличивает стоимость прокладки километра провода. Высокое напряжение заставляет использовать большее количество гирлянд изоляции, а также накладывает ограничение на сечение провода. Все вместе увеличивает суммарный вес всей конструкции и влечет за собой необходимость использовать более устойчивые и сложные по своей конструкции опоры ЛЭП.
Этих проблем можно избежать, используя линии постоянного тока. Провода, используемые в линиях постоянного тока, дешевле и дольше служат при эксплуатации в связи с отсутствием частичных разрядов в изоляции. Реактивные параметры электропередачи не оказывают существенного влияния на потери. По линиям постоянного тока наиболее эффективно передавать мощность от генераторов, так как возможен выбор оптимальной скорости вращения ротора генератора, что повышает КПД его использования. Минусами использования линий постоянного тока является высокая стоимость выпрямителей, инверторов и различных фильтров для компенсации неизбежно появляющихся высших гармоник при преобразовании переменного тока в постоянный.
Но чем выше длина линии электропередачи, тем эффективнее использовать линии постоянного тока. Существует некоторая критическая длина ЛЭП, которая позволяет оценить целесообразность использования постоянного тока при прочих равных условиях. По данным американских исследователей для кабельных линий эффект ощутим при длинах более 80 км, но величина эта все время уменьшается при развитии технологий и удешевлении необходимых комплектующих.
Самая длинная линия постоянного тока в мире опять же расположена в Китае. Соединяет она ГЭС Сянцзяба (Xiangjiaba Dam) с Шанхаем. Ее длина составляет почти 2000 км при напряжении 800 кВ. Достаточно много линий постоянного тока находится в Европе. В России можно выделить отдельно вставку постоянного тока Выборг, соединяющую Россию и Финляндию, и высоковольтную линию постоянного тока Волгоград-Донбасс протяженностью почти 500 км и напряжением 400 кВ.
Холодные провода
Принципиально новый подход к передаче электрической энергии открывает явление сверхпроводимости. Вспомним, что потери электрической энергии в проводе зависят помимо напряжения еще и от материала провода. Сверхпроводящие материалы обладают почти нулевым сопротивлением, что теоретически позволяет передавать электрическую энергию без потерь на большие расстояния. Минусом использования данной технологии является необходимость постоянного охлаждения линии, что иногда приводит к тому, что стоимость системы охлаждения значительно превышает потери электрической энергии при использовании обычного не сверхпроводимого материала. Типовая конструкция подобной ЛЭП состоит из нескольких контуров: провод, который заключен в кожух с жидким гелием, опоясывающий их кожух из жидкого азота и менее экзотичная тепловая изоляция снаружи. Проектирование таких линий ведется ежедневно, но до практической реализации доходит не всегда. Самым успешным проектом можно считать линию, построенную American Superconductor в Нью-Йорке, а самым амбициозным проектом — ЛЭП в Корее, протяженностью около 3000 км.
Прощайте, провода!
Идеи не использовать провода вообще для передачи электрической энергии возникли уже достаточно давно. Разве не могут вдохновлять опыты, которые проводил Никола Тесла в конце XIX — начале XX века? По свидетельствам его современников, в 1899 году в Колорадо-Спрингс Тесла смог заставить загореться две сотни лампочек без использования каких-либо проводов. К сожалению, записей о его работах почти не осталось, и повторить подобные успехи смогли лишь спустя сотню лет. Технология WiTricity, разработанная профессором MIT Марином Солячичем, позволяет передавать электрическую энергию без использования проводов. Идея заключается в синхронной работе генератора и приемника. При достижении резонанса возбуждаемое переменное магнитное поле излучателем в приемнике преобразуется в электрический ток. В 2007 году был успешно проведен эксперимент подобной передачи электроэнергии на расстояние в несколько метров.
К сожалению, современный уровень развития технологий не позволяет эффективно использовать сверхпроводящие материалы и технологию беспроводной передачи электрической энергии. Линии электропередачи в привычном для нас виде будут еще долго украшать поля и окраины городов, но даже их правильное использование позволяет принести существенную выгоду для развития всей мировой энергетики.
Как описывалось в Блоке 7, мощность представляет собой коэффициент проделанной работы (например, насколько быстро ученик может нести рюкзак, нагруженный книгами весом 15 фунтов, вверх по лестнице). Мощность также может пониматься как коэффициент преобразования энергии (например, насколько быстро ученик может преобразовать химическую энергию мышц в механическую энергию для подъема рюкзака вверх по лестнице).
Передача мощности определяется как передача энергии из источника ее генерирования или хранения в точку ее рабочего применения. Посмотрите на электричество: электрическая энергия хранится в батарее, затем передается по проводам к электромотору, где преобразуется в механическую энергию работы.
Механическая мощность может быть передана на большие расстояния различными способами. В данном блоке основной акцент будет сделан на передачу механической энергии в форме вращательного движения (например, если присутствует ввод от стороны вращения при определенном крутящем моменте, мощность которого необходимо преобразовать в другую форму на выходе).
Ось передает движение от точки к точке по оси движения. Одним из распространенных примеров этого процесса является ведущая ось автомобиля. В осях мощность передается через шпонки, шлицы и многоугольные оси.
В VEX в качестве элемента системы движения используются четырехсторонние многоугольные (квадратные) оси. Это означает, что ось будет передавать крутящий момент непосредственно к любому элементу с квадратным отверстием, соответствующем форме оси. Квадратная ось имеет скругленные грани, что позволяет использовать ее также в конструкциях с круглыми отверстиями.
Еще одним способом передачи механической мощности являются зубчатые передачи (ЗП). Существует множество различных зубчатых передач, часто встречающихся в мире.
ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПРЯМОЗУБЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Наиболее распространенным типом передач являются цилиндрические прямозубые передачи. Когда люди думают о передачах, они представляют именно их.
Цилиндрические прямозубые шестерни передают движение между двумя валами, вращающимися параллельно друг другу. Эти шестерни характеризуются формой зубьев, расположенных прямо и параллельно оси, на которой вращаются. Эти основная форма передачи механической мощности в системе проектирования VEX Robotics Design System. Помимо прочего, цилиндрические прямозубые передачи встречаются практически во всех существующих в мире механизмах, от автомобилей до механизмов, открывающих лотки DVD-плееров.
КОНИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Конические шестерни имеют форму конуса и передают мощность между валами, оси движения которых пересекаются.
Конические передачи могут передавать мощность между валами при разных углах, но наиболее распространенным типом конической передачи является передача с углом 90 градусов, как показано в примере выше.
КОРОННЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Коронные шестерни представляют собой разновидность конических шестерен, где зубья располагаются перпендикулярно торцу шестерни.
Коронные шестерни могут зацепляться с коническими и цилиндрическими прямозубыми шестернями (как показано в примере выше) таким образом, чтобы движение передавалось между валами с пересекающимися осями вращения..
ЧЕРВЯЧНЫЕ ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Червячные передачи всегда состоят из червячной шестерни (червяка) и червячного колеса, зацепляющихся друг с другом для передачи мощности между перпендикулярными валами, оси вращения которых располагаются на удалении друг от друга.
.
Червячная шестерня по форме напоминает винт. При вращении она поворачивается, зацепляясь с червячным колесом. Данный тип парной передачи используется для создания большого механического преимущества в пределах малого пространства. В этой парной передаче, червячная шестерня может направлять червячное колесо, но червячное колесо не может управлять движением червячной шестерни. Поэтому червячные передачи полезны в механизмах, где необходимо исключить возможность обратного хода.
КОСОЗУБЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ:
Косозубые шестерни напоминают по форме цилиндрические, но их зубья закручены по форме спирали. Эти шестерни могут использоваться для передачи мощности между двумя параллельными либо между двумя перпендикулярными не пересекающимися осями движения.
ЭПИЦИКЛИЧСКИЕ (ПЛАНЕТАРНЫЕ) ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Комплект эпициклических, или планетарных, шестерен состоит из одной или нескольких планетарных шестерен (Planet), вращающихся по шестерне внешнего кольца и приводимых в движение центральной шестерней (Sun). Перемещаясь, планетарные шестерни обычно одновременно двигают водило планетарной передачи.
Интересно то, что планетарные передачи могут использоваться несколькими способами, при этом разные шестерни будут выполнять функции входов и выходов. Например, центральная шестерня (Солнце) может использоваться в качестве входа, а водило - в качестве выхода, если кольцевая шестерня находится в неподвижном положении, либо кольцевая шестерня может использоваться в качестве входа и центральная - в качестве выхода, если водило находится в неподвижном положении. Суммарное механическое преимущество планетарной передачи изменяется в зависимости от используемой конфигурации.
РЕЕЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ:
Реечная передача - это передача, монтируемая на прямой рейке таким образом, чтобы при приложении крутящего момента со стороны цилиндрической шестерни (шестерни зубчатой рейки) она перемещалась линейно.
Реечные передачи часто используются для преобразования вращательного движения в линейное движение. В автомобилях данный тип передач используется для преобразования вращательного движения рулевого колеса в линейное движение влево и вправо для управления направлением движения автомобиля. Поэтому тип управления автомобилем называется «реечным».
В соревновательной робототехнике существует множество применений реечной шестерни для создания линейных исполнительных механизмов для приводов.
