Распределение электроэнергии является завершающим этапом поставки электроэнергии . Электроэнергия передается от системы передачи к отдельным потребителям. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего напряжения в диапазоне от2 кВ и33 кВ с применением трансформаторов . [1] Первичные распределительные линии передают электроэнергию среднего напряжения к распределительным трансформаторам , расположенным рядом с помещениями потребителя. Распределительные трансформаторы снова понижают напряжение до рабочего напряжения, используемого освещением, промышленным оборудованием и бытовой техникой. Часто несколько потребителей питаются от одного трансформатора по вторичным распределительным линиям. Коммерческие и бытовые потребители подключаются к вторичным распределительным линиям через сервисные узлы . Потребители, которым требуется гораздо большее количество электроэнергии, могут быть подключены непосредственно к первичному уровню распределения или к уровню подпередачи . [2]
Переход от передачи к распределению происходит на электроподстанции , которая выполняет следующие функции: [2]
Распространение в городе осуществляется в основном под землей, иногда в общих инженерных сетях . Распределение в сельской местности в основном осуществляется над землей с опорами для электропередач , а распределение в пригородах представляет собой смесь. [1] Ближе к потребителю распределительный трансформатор понижает мощность первичного распределения до низковольтной вторичной цепи, обычно 120/240 В в США для бытовых потребителей. Электроэнергия поступает к потребителю через распределительную сеть и счетчик электроэнергии . Конечный контур в городской системе может быть менее 15 метров (50 футов), но может превышать 91 метр (300 футов) для сельского потребителя. [1]
Распределение электроэнергии не стало необходимым до 1880-х годов, когда электроэнергия начала вырабатываться на электростанциях . До этого электричество обычно производилось там, где оно использовалось. Первые системы распределения электроэнергии, установленные в городах Европы и США, использовались для обеспечения освещения: дуговое освещение , работающее на переменном (AC) или постоянном токе (DC) очень высокого напряжения (около 3000 В) , а также освещение накаливания, работающее на низком токе. -напряжение (100 В) постоянного тока. [3] Оба вытеснили системы газового освещения : дуговое освещение заменило освещение больших площадей и улиц, а лампы накаливания заменили газовое освещение для деловых и бытовых пользователей.
Из-за высокого напряжения, используемого в дуговом освещении, одна генераторная станция могла обеспечить длинную цепочку огней длиной до 7 миль (11 км). [4] И каждое удвоение напряжения позволит данному кабелю передавать то же количество энергии в четыре раза на расстояние, чем при более низком напряжении (с теми же потерями мощности). Напротив, внутренние системы освещения постоянным током с лампами накаливания, например, первая электростанция Эдисона , установленная в 1882 году, с трудом снабжали потребителей на расстоянии более мили. Это произошло из-за низкого напряжения (110 В), которое использовалось на протяжении всего периода, от генерации до конечного использования. Это низкое напряжение привело к более высокому току, требующему для передачи толстых медных кабелей. На практике электростанции постоянного тока Эдисона должны были располагаться в пределах 1,5 миль (2,4 км) от самого дальнего потребителя, чтобы избежать еще более толстых и дорогих проводников.
Проблема передачи электроэнергии на большие расстояния стала признанным инженерным препятствием на пути распределения электроэнергии, и осветительные компании опробовали множество неудовлетворительных решений. Но в середине 1880-х годов произошел прорыв в разработке функциональных трансформаторов, которые позволили «повышать» мощность переменного тока до гораздо более высокого напряжения для передачи, а затем снижать его до более низкого напряжения вблизи конечного потребителя. По сравнению с постоянным током, переменный ток имел гораздо более низкие затраты на передачу и большую экономию за счет масштаба — крупные электростанции переменного тока, способные снабжать электроэнергией целые города и регионы, — что привело к быстрому распространению использования переменного тока.
В США конкуренция между постоянным и переменным током приняла личный оборот в конце 1880-х годов в форме «войны токов », когда Томас Эдисон начал нападать на Джорджа Вестингауза и его разработку первых в США трансформаторных систем переменного тока, подчеркивая гибель людей. вызванных на протяжении многих лет высоковольтными системами переменного тока, и утверждением, что любая система переменного тока по своей сути опасна. [5] Пропагандистская кампания Эдисона была недолгой: в 1892 году его компания перешла на AC.
Переменный ток стал доминирующей формой передачи энергии благодаря инновациям в Европе и США в конструкции электродвигателей , а также разработке инженерных универсальных систем , позволяющих подключать большое количество устаревших систем к крупным сетям переменного тока. [6] [7]
В первой половине 20 века во многих местах электроэнергетика была вертикально интегрированной , то есть одна компания занималась производством, передачей, распределением, измерением и выставлением счетов. Начиная с 1970-х и 1980-х годов страны начали процесс дерегулирования и приватизации , что привело к появлению рынков электроэнергии . Система распределения останется регулируемой, но системы генерации, розничной торговли, а иногда и системы передачи электроэнергии превратятся в конкурентные рынки.
Электроэнергия начинается на электростанции, где разность потенциалов может достигать 33 000 вольт. Обычно используется переменный ток. Пользователи больших объемов энергии постоянного тока, такие как некоторые системы электрификации железных дорог , телефонные станции и промышленные процессы, такие как выплавка алюминия , используют выпрямители для получения постоянного тока из общественной сети переменного тока или могут иметь свои собственные системы генерации. Высоковольтный постоянный ток может быть полезен для изоляции систем переменного тока или контроля количества передаваемой электроэнергии. Например, у компании Hydro-Québec есть линия постоянного тока, идущая из района залива Джеймс в Бостон . [8]
С электростанции оно поступает на распределительное устройство электростанции, где повышающий трансформатор повышает напряжение до уровня, пригодного для передачи, с 44 кВ до 765 кВ. Попадая в систему передачи, электроэнергия от каждой генерирующей станции объединяется с электроэнергией, произведенной в другом месте. Электричество потребляется сразу же после его производства. Он передается с очень высокой скоростью, близкой к скорости света .
Первичное распределительное напряжение находится в диапазоне от 4 кВ до 35 кВ между фазами (от 2,4 до 20 кВ между фазой и нейтралью) [9] Только крупные потребители питаются непосредственно от распределительного напряжения; большинство потребителей коммунальных услуг подключены к трансформатору, который снижает напряжение распределения до низкого «напряжения использования», «напряжения питания» или «напряжения сети», используемого системами освещения и внутренней проводки.
Распределительные сети делятся на два типа: радиальные и сетевые. [10] Радиальная система устроена как дерево, где у каждого клиента есть один источник поставок. Сетевая система имеет несколько источников снабжения, работающих параллельно. Точечные сети используются для сосредоточенных нагрузок. Радиальные системы обычно используются в сельской или пригородной местности.
Радиальные системы обычно включают в себя аварийные соединения, где систему можно переконфигурировать в случае возникновения проблем, таких как неисправность или плановое техническое обслуживание. Это можно сделать, открывая и закрывая выключатели, чтобы изолировать определенный участок от сети.
На длинных фидерах наблюдается падение напряжения ( искажение коэффициента мощности ), что требует установки конденсаторов или стабилизаторов напряжения .
Реконфигурация путем обмена функциональными связями между элементами системы представляет собой одну из наиболее важных мер, которая может улучшить эксплуатационные характеристики распределительной системы. Проблема оптимизации посредством реконфигурации системы распределения электроэнергии, с точки зрения ее определения, представляет собой историческую единую объективную проблему с ограничениями. С 1975 года, когда Мерлин и Бэк [11] выдвинули идею реконфигурации системы распределения для снижения потерь активной мощности, до настоящего времени многие исследователи предложили разнообразные методы и алгоритмы для решения проблемы реконфигурации как единой объективной задачи. Некоторые авторы предложили подходы, основанные на оптимальности по Парето (включая потери активной мощности и показатели надежности в качестве целей). Для этой цели использовались различные методы, основанные на искусственном интеллекте: микрогенетика, [12] обмен ветвями, [13] оптимизация роя частиц [14] и генетический алгоритм недоминируемой сортировки . [15]
В системах сельской электрификации, как правило, используется более высокое распределительное напряжение из-за больших расстояний, покрываемых распределительными линиями (см. Управление сельской электрификации ). Распределение напряжения 7,2, 12,47, 25 и 34,5 кВ распространено в США; 11 кВ и 33 кВ распространены в Великобритании, Австралии и Новой Зеландии; 11 кВ и 22 кВ распространены в Южной Африке; В Китае распространены напряжения 10, 20 и 35 кВ. [16] Иногда используются другие напряжения.
Сельские службы обычно стараются свести к минимуму количество столбов и проводов. В нем используется более высокое напряжение (чем в городских сетях), что, в свою очередь, позволяет использовать оцинкованную стальную проволоку. Прочная стальная проволока позволяет снизить затраты на широкое расстояние между полюсами. В сельской местности трансформатор на столбе может обслуживать только одного потребителя. В Новой Зеландии , Австралии , Саскачеване, Канаде и Южной Африке однопроводные системы возврата заземления (SWER ) используются для электрификации отдаленных сельских районов.
Трехфазное обслуживание обеспечивает электроэнергией крупные сельскохозяйственные объекты, нефтеперекачивающие станции, водоочистные станции или других потребителей с большими нагрузками (трехфазное оборудование). В Северной Америке воздушные распределительные системы могут быть трехфазными, четырехпроводными и с нейтральным проводником. Сельская распределительная система может иметь длинные участки одного фазного и нейтрального проводов. [17] В других странах или в отдаленных сельских районах нейтральный провод подключается к земле, чтобы использовать его в качестве возврата (однопроводный возврат заземления).
Электричество подается с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от региона. Внутренним потребителям она поставляется в виде однофазной электроэнергии . В некоторых странах, например в Европе, трехфазное электроснабжение может быть доступно для более крупных объектов. Если посмотреть на осциллограф , домашний источник питания в Северной Америке будет выглядеть как синусоидальная волна , колеблющаяся между -170 и 170 вольтами, что дает эффективное среднеквадратичное напряжение 120 вольт. [18] Трехфазная электроэнергия более эффективна с точки зрения мощности, передаваемой на каждый используемый кабель, и больше подходит для работы больших электродвигателей. Некоторые крупные европейские приборы могут питаться от трехфазной сети, например электрические плиты и сушилки для одежды.
Заземление обычно предусмотрено для системы потребителя, а также для оборудования, принадлежащего коммунальному предприятию . Целью подключения системы заказчика к земле является ограничение напряжения, которое может возникнуть, если проводники высокого напряжения упадут на проводники низкого напряжения, которые обычно монтируются ниже земли, или если произойдет сбой внутри распределительного трансформатора. Системы заземления могут быть TT, TN-S, TN-CS или TN-C.
В большинстве стран мира используется однофазное напряжение 50 Гц, 220 или 230 В или трехфазное напряжение 400 В для жилых помещений и легкой промышленности. В этой системе первичная распределительная сеть снабжает несколько подстанций на территорию, а мощность 230 В/400 В от каждой подстанции напрямую распределяется конечным потребителям в регионе радиусом обычно менее 1 км. Три провода под напряжением (горячие) и нейтраль подключены к зданию для трехфазного обслуживания. Однофазное распределение с одним проводом под напряжением и нейтралью используется внутри страны, где общая нагрузка невелика. В Европе электроэнергия обычно распределяется для промышленности и бытового использования по трехфазной четырехпроводной системе. Это дает линейное напряжение 400 В по схеме «звезда » и однофазное напряжение 230 В между любой фазой и нейтралью. В Великобритании типичная городская или пригородная низковольтная подстанция обычно имеет мощность от 150 кВА до 1 МВА и снабжает электроэнергией целый район, состоящий из нескольких сотен домов. Трансформаторы обычно рассчитаны на среднюю нагрузку от 1 до 2 кВт на дом, а рабочие предохранители и кабели рассчитаны на то, чтобы позволить любому дому потреблять пиковую нагрузку, возможно, в десять раз большую. Для промышленных потребителей также доступно трехфазное напряжение 690/400 В или его можно генерировать локально. [19] Крупные промышленные потребители имеют собственные трансформаторы с входным напряжением от 11 до 220 кВ.
В большинстве стран Америки используется переменный ток частотой 60 Гц, двухфазная система 120/240 В внутри страны и трехфазная система для более крупных установок. Трансформаторы в Северной Америке обычно питают дома напряжением 240 В, что аналогично 230 В в Европе. Именно расщепленная фаза позволяет использовать в доме напряжение 120 Вольт.
В электроэнергетическом секторе Японии стандартное напряжение составляет 100 В, при этом используются частоты переменного тока 50 и 60 Гц. В некоторых частях страны используется частота 50 Гц, а в других — 60 Гц. [20] Это реликвия 1890-х годов. Некоторые местные поставщики электроэнергии в Токио импортировали немецкое оборудование с частотой 50 Гц, а местные поставщики электроэнергии в Осаке привезли генераторы с частотой 60 Гц из США. Сети росли, пока в конце концов не была подключена вся страна. Сегодня частота составляет 50 Гц в Восточной Японии (включая Токио, Иокогаму , Тохоку и Хоккайдо ) и 60 Гц в Западной Японии (включая Нагою , Осаку , Киото , Хиросиму , Сикоку и Кюсю ). [21]
Большинство бытовой техники рассчитано на работу на любой частоте. Проблема несовместимости привлекла внимание общественности, когда землетрясение и цунами в Тохоку в 2011 году вывели из строя около трети мощностей востока, а мощность на западе не могла быть полностью разделена с востоком, поскольку в стране нет общей частоты. [20]
Есть четыре преобразовательные станции высокого напряжения постоянного тока (HVDC), которые передают электроэнергию через границу частот переменного тока Японии. Син Синано — это установка высокого напряжения постоянного тока в Японии , которая образует одну из четырех станций преобразователя частоты , которые соединяют западную и восточную энергосистемы Японии. Остальные три находятся на плотинах Хигаси-Симидзу , Минами-Фукумицу и Сакума . Вместе они могут передавать до 1,2 ГВт электроэнергии на восток или запад. [22]
Большинство современных домов в Северной Америке подключены к питанию 240 В от трансформатора и за счет использования электроэнергии с разделенной фазой могут иметь розетки как на 120 В, так и на 240 В. Напряжение 120 В обычно используется для освещения и большинства настенных розеток . Цепи на 240 В обычно используются для приборов, требующих высокой тепловой мощности, таких как духовки и обогреватели. Их также можно использовать для питания зарядного устройства электромобиля .
Традиционно распределительные системы работали только как простые распределительные линии, где электроэнергия из сетей передачи распределялась между потребителями. Сегодняшние системы распределения тесно интегрированы с производством возобновляемой энергии на уровне распределения энергосистем посредством ресурсов распределенной генерации , таких как солнечная энергия и энергия ветра . [23] В результате системы распределения с каждым днем становятся все более независимыми от сетей передачи. Балансировка спроса и предложения в этих современных распределительных сетях (иногда называемых микросетями ) чрезвычайно сложна и требует использования различных технологических и эксплуатационных средств для работы. К таким инструментам относятся аккумуляторная электростанция , анализ данных , инструменты оптимизации и т. д.
