Сетевое электричество или электроэнергия , электросеть , бытовая электроэнергия и настенная электроэнергия , или, в некоторых частях Канады, гидроэнергия , представляют собой универсальный источник электропитания переменного тока (AC) . Это форма электроэнергии, которая доставляется в дома и на предприятия через электрические сети во многих частях мира. Люди используют это электричество для питания предметов повседневного обихода (таких как бытовая техника, телевизоры и лампы), подключая их к сетевой розетке.
Напряжение и частота электроэнергии различаются в зависимости от региона . В большей части мира используется напряжение (номинально) 230 Вольт и частота 50 Гц. В Северной Америке наиболее распространенной комбинацией является напряжение 120 В и частота 60 Гц. Существуют и другие комбинации, например, 230 В при 60 Гц. Портативная бытовая техника путешественников может выйти из строя или быть повреждена из-за иностранных источников электропитания. Невзаимозаменяемые вилки и розетки в разных регионах обеспечивают некоторую защиту от случайного использования приборов с несовместимыми требованиями по напряжению и частоте.
В США сетевая электроэнергия упоминается под несколькими названиями, включая «коммунальная мощность», «бытовая энергия», «бытовое электричество», «домашний ток», «линия электропередачи», «домашняя энергия», «сетевая мощность», «линия». мощность», «мощность переменного тока», «энергия города», «энергия улицы» и «120 (один двадцать)».
В Великобритании электроэнергию от сети обычно называют «сетью». Более половины электроэнергии в Канаде приходится на гидроэлектроэнергию , а в некоторых регионах страны сетевое электричество часто называют «гидроэлектроэнергией». Это также отражено в названиях нынешних и исторических электроэнергетических компаний, таких как Hydro-Québec , BC Hydro , Manitoba Hydro и Hydro One (одна из организаций, образовавшаяся в результате распада Ontario Hydro ). Хотя существует организация под названием Newfoundland and Labrador Hydro , эта компания в основном занимается производством гидроэлектроэнергии, хотя она также напрямую обслуживает клиентов в Лабрадоре и некоторых других частях провинции . Большинство клиентов на острове Ньюфаундленд сотрудничают с Newfoundland Power как с поставщиком услуг, поэтому в этой провинции электричество чаще называют просто «энергией». [2]
Во всем мире существует множество различных систем электропитания для работы бытовых и легких коммерческих электроприборов и освещения. Различные системы в первую очередь характеризуются:
Все эти параметры варьируются в зависимости от региона. Напряжения обычно находятся в диапазоне 100–240 В (всегда выражаются как среднеквадратичное напряжение). Двумя обычно используемыми частотами являются 50 Гц и 60 Гц. Сегодня чаще всего используется однофазное или трехфазное питание, хотя в начале 20 века использовались двухфазные системы. Иностранные анклавы, такие как крупные промышленные предприятия или зарубежные военные базы, могут иметь другое стандартное напряжение или частоту, чем в прилегающих районах. В некоторых городских районах могут использоваться стандарты, отличные от стандартов окружающей сельской местности (например, в Ливии ). Регионы, находящиеся в эффективном состоянии анархии , могут не иметь центрального управления электроснабжением, а электроэнергия обеспечивается несовместимыми частными источниками.
Раньше использовались многие другие комбинации напряжения и частоты сети с частотами от 25 Гц до 133 Гц и напряжением от 100 В до 250 В. Постоянный ток (DC) был заменен переменным током (AC) в системах общественного питания, но постоянный ток использовался особенно в некоторых городских районах до конца 20 века. Современные комбинации 230 В/50 Гц и 120 В/60 Гц, перечисленные в IEC 60038 , не применялись в первые несколько десятилетий 20-го века и до сих пор не являются универсальными. На промышленных предприятиях с трехфазным питанием для крупного оборудования будут устанавливаться другие, более высокие напряжения (а также разные розетки и вилки), но перечисленные здесь общие напряжения по-прежнему будут использоваться для осветительного и портативного оборудования.
Электричество используется для освещения, отопления, охлаждения, электродвигателей и электронного оборудования. Управление энергетической информации США (EIA) опубликовало:
Потребление электроэнергии в жилищном секторе США по основным конечным потребителям в 2021 году [3]
Электронные устройства, такие как компьютеры или телевизоры, обычно используют преобразователь переменного тока в постоянный или адаптер переменного тока для питания устройства. Часто он способен работать в широком диапазоне напряжений и на обеих общих частотах сети. Другие приложения переменного тока обычно имеют гораздо более ограниченные диапазоны входного сигнала.
Портативные приборы используют однофазную электроэнергию с двумя или тремя проводными контактами на каждой розетке. По двум проводам (нейтральному и фазному/активному/горячему) подается ток, необходимый для работы устройства. [4] [5] Третий провод, присутствующий не всегда, соединяет токопроводящие части корпуса прибора с заземлением. Это защищает пользователей от поражения электрическим током в случае случайного контакта находящихся под напряжением внутренних частей с корпусом.
В северной и центральной Европе электроснабжение жилых помещений обычно представляет собой трехфазную электроэнергию напряжением 400 В, что дает напряжение 230 В между любой однофазной и нейтральной фазой; Домашняя проводка может представлять собой смесь трехфазных и однофазных цепей, но трехфазное использование в жилых помещениях в Великобритании встречается редко. Мощные приборы, такие как кухонные плиты , водонагреватели и тяжелые бытовые электроинструменты, такие как дровоколы, могут питаться от трехфазного источника питания 400 В.
Небольшое переносное электрооборудование подключается к электросети посредством гибких кабелей, оканчивающихся вилкой , которая вставляется в стационарную розетку (розетку). Крупное бытовое электрооборудование и промышленное оборудование можно постоянно подключать к стационарной проводке здания. Например, в домах в Северной Америке автономный кондиционер , установленный на окне , будет подключен к сетевой розетке, тогда как центральное кондиционирование всего дома будет подключено к постоянной проводке. Комбинации вилок и розеток большего размера используются для промышленного оборудования, пропускающего большие токи, более высокие напряжения или трехфазную электроэнергию.
Автоматические выключатели и предохранители используются для обнаружения коротких замыканий между линией и нейтральным или заземляющим проводом или потребления большего тока, чем рассчитаны провода (защита от перегрузки), чтобы предотвратить перегрев и возможный пожар. Эти защитные устройства обычно монтируются на центральной панели (чаще всего в распределительном щите или потребительском блоке) в здании, но некоторые системы электропроводки также предусматривают защитное устройство в розетке или внутри вилки. Устройства остаточного тока , также известные как прерыватели цепи замыкания на землю и прерыватели тока утечки прибора, используются для обнаружения замыканий на землю — протекания тока в других проводах, кроме нейтрального и линейного (например, в заземляющем проводе или в человеке). При обнаружении замыкания на землю устройство быстро размыкает цепь.
Большая часть населения мира ( Европа , Африка , Азия , Австралия , Новая Зеландия и большая часть Южной Америки ) использует питание, напряжение которого находится в пределах 6% от 230 В. В Великобритании и Австралии [6] номинальное напряжение питания составляет 230 В. В +10%/-6%, чтобы учесть тот факт, что большинство трансформаторов фактически все еще настроены на напряжение 240 В. Стандарт 230 В получил широкое распространение, так что оборудование на 230 В можно использовать в большинстве частей мира с помощью адаптер или замена вилки оборудования на стандарт конкретной страны. В США и Канаде используется напряжение питания 120 В ± 6%. Япония , Тайвань , Саудовская Аравия , Северная Америка , Центральная Америка и некоторые части северной части Южной Америки используют напряжение от 100 В до 127 В. Однако большинство домохозяйств в Японии оборудуют электроэнергию с расщепленной фазой, как в США, которая может подавать напряжение 200 В. одновременно используя обратную фазу. Бразилия необычна тем, что в ней есть системы как на 127 В, так и на 220 В с частотой 60 Гц, а также разрешены взаимозаменяемые вилки и розетки. [7] Саудовская Аравия и Мексика имеют системы смешанного напряжения; в жилых и легких коммерческих зданиях в обеих странах используется напряжение 127 В, а в коммерческих и промышленных зданиях — 220 В. В августе 2010 года правительство Саудовской Аравии одобрило планы по полному переходу страны на систему 230/400 В, [8] но Мексика не планирует перехода.
Следует проводить различие между напряжением в точке питания (номинальное напряжение в точке соединения между электроэнергетической компанией и потребителем) и номинальным напряжением оборудования (напряжение использования или напряжение нагрузки). Обычно рабочее напряжение на 3–5 % ниже номинального напряжения системы; например, система питания с номинальным напряжением 208 В будет подключена к двигателям с надписью «200 В» на заводских табличках. Это учитывает падение напряжения между оборудованием и источником питания. [ нужна ссылка ] Напряжения в этой статье являются номинальными напряжениями питания, и оборудование, используемое в этих системах, будет работать с немного меньшими паспортными напряжениями. Напряжение системы распределения электроэнергии имеет почти синусоидальный характер. Напряжения выражаются как среднеквадратичное (RMS) напряжение. Допуски по напряжению указаны для установившейся работы. Кратковременные большие нагрузки или коммутационные операции в распределительной сети могут вызвать кратковременные отклонения от допустимого диапазона, а штормы и другие необычные условия могут вызвать еще большие переходные изменения. В целом источники питания, полученные из крупных сетей со многими источниками, более стабильны, чем источники питания, подаваемые в изолированное сообщество, возможно, с одним генератором.
Выбор напряжения питания обусловлен скорее историческими причинами, чем оптимизацией системы распределения электроэнергии: когда напряжение уже используется и оборудование, использующее это напряжение, широко распространено, изменение напряжения становится радикальной и дорогостоящей мерой. В распределительной системе на 230 В для передачи заданного количества мощности будет использоваться меньше проводникового материала, чем в системе на 120 В, поскольку ток и, следовательно, резистивные потери ниже. В то время как крупные отопительные приборы могут использовать проводники меньшего размера на 230 В для той же выходной мощности, лишь немногие бытовые приборы используют полную мощность розетки, к которой они подключены. Минимальный размер провода для ручного или переносного оборудования обычно ограничивается механической прочностью проводников.
Во многих регионах, например в США, где (номинально) используется напряжение 120 В, для питания крупных приборов используются трехпроводные системы с расщепленной фазой на 240 В. В этой системе источник питания 240 В имеет нейтраль с отводом по центру, что дает два источника питания 120 В, которые также могут подавать напряжение 240 В на нагрузки, подключенные между двумя линейными проводами. Трехфазные системы могут быть подключены для получения различных комбинаций напряжения, подходящих для использования различными классами оборудования. Если электрическая система обслуживает как однофазную, так и трехфазную нагрузку, на маркировке системы могут быть указаны оба напряжения, например 120/208 или 230/400 В, чтобы указать напряжение между фазой и нейтралью и напряжение между фазой и нейтралью. -сетевое напряжение. Большие нагрузки подключаются к более высокому напряжению. Другие трехфазные напряжения, до 830 В, иногда используются в системах специального назначения, таких как насосы для нефтяных скважин. Большие промышленные двигатели (скажем, мощностью более 250 л.с. или 150 кВт) могут работать на среднем напряжении. В системах с частотой 60 Гц стандарт для оборудования среднего напряжения составляет 2400/4160 В, тогда как 3300 В является общим стандартом для систем с частотой 50 Гц.
До 1987 года сетевое напряжение во многих частях Европы, включая Германию, Австрию и Швейцарию, было220 ± 22 В, в то время как в Великобритании используется240 ± 14,4 В. Стандарт ISO IEC 60038 :1983 определил новый стандарт европейского напряжения,230 ± 23 В. Начиная с 1987 года, произошел поэтапный сдвиг в сторону230+13,8
−23 V был реализован. С 2009 года разрешено напряжение230 ± 23 В. [9] [10] Никакого изменения напряжения ни в системе Центральной Европы, ни в Великобритании не требовалось, поскольку и 220 В, и 240 В попадают в нижний диапазон допуска 230 В (230 В ±6%). В некоторых районах Великобритании все еще есть напряжение 250 В по устаревшим причинам, но они также попадают в диапазон допуска 10% в 230 В. На практике это позволило странам поставлять то же напряжение (220 или 240 В), по крайней мере, до тех пор, пока не будут заменены существующие питающие трансформаторы. Оборудование (за исключением ламп накаливания ), используемое в этих странах, рассчитано на любое напряжение в указанном диапазоне.
В 2000 году Австралия перешла на напряжение 230 В в качестве номинального стандарта с допуском +10%/-6%, [11] это заменило старый стандарт на 240 В, AS2926-1987. Как и в Великобритании, напряжение 240 В находится в пределах допустимых пределов, а «240 В» является синонимом слова «сеть» в австралийском и британском английском языках .
В США [12] [13] и Канаде [14] национальные стандарты определяют, что номинальное напряжение источника должно составлять 120 В и допускать диапазон от 114 В до 126 В ( СКЗ ) (от -5% до +5). %). Исторически сложилось так, что напряжение 110 В, 115 В и 117 В использовалось в разное время и в разных местах Северной Америки. [ нужна цитация ] О питании от сети иногда говорят как о 110 В; однако 120 В — это номинальное напряжение.
В Японии электроснабжение домашних хозяйств осуществляется напряжением 100 и 200 В. Восточные и северные части Хонсю ( включая Токио ) и Хоккайдо имеют частоту 50 Гц, тогда как западные Хонсю (включая Нагою, Осаку и Хиросиму), Сикоку , Кюсю и Окинава работают на частоте 60 Гц. На границе между двумя регионами расположены четыре подстанции постоянного тока высокого напряжения (HVDC), которые соединяют электроэнергию между двумя энергосистемами; это Син Синано , плотина Сакума , Минами-Фукумицу и преобразователь частоты Хигаси-Симидзу . Чтобы учесть эту разницу, частотно-чувствительные приборы, продаваемые в Японии, часто можно переключать между двумя частотами.
Первой в мире системой общественного электроснабжения была система с приводом от водяного колеса , построенная в небольшом английском городке Годалминг в 1881 году. Это была система переменного тока (AC), в которой использовался генератор переменного тока Siemens, обеспечивающий питание как уличных фонарей, так и потребителей при двух напряжениях, 250 В. для дуговых ламп и 40 В для ламп накаливания. [15]
Первая в мире крупномасштабная центральная электростанция — паровая станция Томаса Эдисона на Холборн-Виадуке в Лондоне — начала работу в январе 1882 года, обеспечивая постоянный ток (DC) напряжением 110 В. [16] Станция Холборн-Виадук использовалась в качестве доказательства концепция строительства гораздо более крупной станции Перл-стрит на Манхэттене , первой в мире постоянной коммерческой центральной электростанции. Станция Перл-стрит также обеспечивала постоянный ток напряжением 110 В, которое считается «безопасным» напряжением для потребителей, начиная с 4 сентября 1882 года .
Системы переменного тока начали появляться в США в середине 1880-х годов, в них использовалось более высокое распределительное напряжение, пониженное через трансформаторы до того же потребительского напряжения 110 В, которое использовал Эдисон. В 1883 году Эдисон запатентовал трехпроводную систему распределения, позволяющую электростанциям постоянного тока обслуживать более широкий круг потребителей и экономить на затратах на медь. При последовательном соединении двух групп ламп на 110 В можно обеспечить большую нагрузку проводами того же сечения, проложенными между ними с напряжением 220 В; нейтральный проводник переносил любой дисбаланс тока между двумя подцепями. Цепи переменного тока приняли ту же форму во время войны токов , что позволяло работать лампам при напряжении около 110 В, а крупные бытовые приборы подключать к 220 В. Номинальные напряжения постепенно повышались до 112 В и 115 В или даже 117 В. [ необходима цитация ] После Второй мировой войны стандартное напряжение в США стало 117 В, но многие регионы отставали даже в 1960-е годы. [ нужна ссылка ] В 1954 году Американский национальный институт стандартов (ANSI) опубликовал C84.1 «Американский национальный стандарт для электроэнергетических систем и оборудования – номинальное напряжение (60 Герц)». Этот стандарт установил номинальную систему 120 В и два диапазона изменения рабочего напряжения и напряжения использования. [18] Сегодня практически все американские дома и предприятия имеют доступ к 120 и 240 В при частоте 60 Гц. Оба напряжения подаются на три провода (две «горячие» ветви противоположной фазы и одна «нейтральная» нога).
В 1899 году берлинская электроэнергетическая компания Berliner Elektrizitäts-Werke (BEW) решила значительно увеличить свою распределительную мощность, перейдя на номинальное распределение напряжения 220 В, воспользовавшись преимуществом более высокого напряжения недавно разработанных ламп накаливания с металлической нитью. Компания смогла компенсировать затраты на переоборудование оборудования заказчика за счет экономии на стоимости распределительных проводников. Это стало моделью распределения электроэнергии в Германии и остальной Европе, а система 220 В стала обычным явлением. В североамериканской практике осталось напряжение для ламп около 110 В. [19]
В первое десятилетие после введения переменного тока в США (с начала 1880-х годов примерно до 1893 года) использовалось множество различных частот, причем каждый поставщик электроэнергии устанавливал свою собственную, так что ни одна из них не преобладала. Наиболее распространенной частотой была 133⅓ Гц. [ нужна цитация ] Скорость вращения асинхронных генераторов и двигателей, эффективность трансформаторов и мерцание угольных дуговых ламп — все это играло роль в настройке частоты. Примерно в 1893 году компании Westinghouse Electric Company в США и AEG в Германии решили стандартизировать свое генерирующее оборудование на частотах 60 и 50 Гц соответственно, что в конечном итоге привело к тому, что большая часть мира снабжалась электроэнергией на одной из этих двух частот. Сегодня большинство систем с частотой 60 Гц выдают номинальное напряжение 120/240 В, а большинство систем с частотой 50 Гц номинально 230 В. Существенными исключениями являются Бразилия, где имеется синхронизированная сеть с частотой 60 Гц, в которой в разных регионах в качестве стандартных напряжений используются как 127 В, так и 220 В [20]. ] и Японии, которая имеет две частоты : 50 Гц для Восточной Японии и 60 Гц для Западной Японии.
Для поддержания напряжения у потребителя в допустимых пределах электрораспределительные предприятия используют регулирующее оборудование на электрических подстанциях или вдоль распределительной линии. На подстанции понижающий трансформатор будет иметь автоматический переключатель ответвлений под нагрузкой, позволяющий ступенчато регулировать соотношение между напряжением передачи и напряжением распределения. При протяженности (несколько километров) сельских распределительных сетей на опорах распределительной линии допускается установка автоматических регуляторов напряжения. Это автотрансформаторы , опять же, с переключателями ответвлений под нагрузкой для регулировки коэффициента трансформации в зависимости от наблюдаемых изменений напряжения. В распоряжении каждого заказчика понижающий трансформатор имеет до пяти отводов, что позволяет осуществлять некоторый диапазон регулировки, обычно ±5% от номинального напряжения. Поскольку эти отводы не управляются автоматически, они используются только для регулировки долгосрочного среднего напряжения в сети, а не для регулирования напряжения, наблюдаемого потребителем коммунальных услуг.
Стабильность напряжения и частоты, подаваемых потребителям, варьируется в зависимости от страны и региона. «Качество электроэнергии» — это термин, описывающий степень отклонения напряжения питания и частоты от номинальных. Кратковременные скачки напряжения и отключения влияют на чувствительное электронное оборудование, такое как компьютеры и плоские дисплеи . Длительные отключения электроэнергии, отключения и отключения электроэнергии, а также низкая надежность энергоснабжения обычно увеличивают затраты для потребителей, которым, возможно, придется инвестировать в источники бесперебойного питания или резервные генераторные установки для обеспечения электроэнергией, когда электроснабжение недоступно или непригодно для использования. Неустойчивое электроснабжение может стать серьезным экономическим препятствием для предприятий и государственных служб, которые полагаются на электрическое оборудование, освещение, климат-контроль и компьютеры. Даже самая качественная энергосистема может выйти из строя или потребовать обслуживания. Таким образом, компании, правительства и другие организации иногда имеют резервные генераторы на важных объектах, чтобы гарантировать, что электроэнергия будет доступна даже в случае отключения электроэнергии или отключения электроэнергии.
На качество электроэнергии также могут влиять искажения формы сигнала тока или напряжения в виде гармоник основной (питающей) частоты или негармонических (интер)модуляционных искажений, например, вызванных электромагнитными помехами . Напротив, гармонические искажения обычно вызваны условиями нагрузки или генератора. В многофазной сети могут возникнуть искажения фазового сдвига, вызванные несбалансированными нагрузками.
{{citation}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )