Электричество из сети или коммунальное питание , сетевое питание , домашнее питание и настенное питание , или, в некоторых частях Канады , гидро — это источник переменного тока (AC) общего назначения . Это форма электроэнергии, которая поставляется в дома и на предприятия через электросеть во многих частях мира. Люди используют это электричество для питания повседневных предметов (таких как бытовые приборы, телевизоры и лампы), подключая их к розетке.
Напряжение и частота электроэнергии различаются в зависимости от региона. В большинстве стран мира используется напряжение (номинально) 230 В и частота 50 Гц. В Северной Америке наиболее распространенной комбинацией является 120 В и частота 60 Гц. Существуют и другие комбинации, например, 230 В при 60 Гц. Переносные приборы путешественников могут выйти из строя или быть повреждены иностранными источниками электропитания. Невзаимозаменяемые вилки и розетки в разных регионах обеспечивают некоторую защиту от случайного использования приборов с несовместимыми требованиями к напряжению и частоте.
В США сетевая электроэнергия имеет несколько названий, включая «энергия коммунального обслуживания», «бытовая электроэнергия», «бытовое электричество», «домашний ток», «линия электропередач», «бытовая электроэнергия», «настенная электроэнергия», «линейная электроэнергия», «настенный ток», «переменный ток», «городская электроэнергия», «уличная электроэнергия» и «120 (сто двадцать)».
В Великобритании электроэнергия от сети обычно называется «the mains». Более половины электроэнергии в Канаде — это гидроэлектроэнергия , а электроэнергия от сети часто называется «hydro» в некоторых регионах страны. Это также отражено в названиях современных и исторических электроэнергетических компаний, таких как Hydro-Québec , BC Hydro , Manitoba Hydro , Hydro One (Ontario) и Newfoundland and Labrador Hydro .
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 различаются в зависимости от региона. Напряжение обычно находится в диапазоне 100–240 В (всегда выражается как среднеквадратичное напряжение). Две наиболее часто используемые частоты — 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 окружающие районы. Некоторые городские районы могут использовать стандарты, отличные от стандартов окружающей сельской местности (например, в Ливии ). Регионы, находящиеся в состоянии фактической анархии, могут не иметь центрального электрического управления, а электроэнергия поступает из несовместимых частных источников.
Раньше использовались многие другие комбинации напряжения и частоты сети с частотами от 25 Гц до 133 Гц и напряжениями от 100 В до 250 В. Постоянный ток (DC) был вытеснен переменным током (AC) в общественных энергосистемах, но постоянный ток использовался, особенно в некоторых городских районах, до конца 20-го 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. Промышленные предприятия с трехфазным питанием будут иметь другие, более высокие напряжения, установленные для крупного оборудования (и другие розетки и вилки), но общие напряжения, перечисленные здесь, по-прежнему будут встречаться для освещения и переносного оборудования.
Электричество используется для освещения, отопления, охлаждения, электродвигателей и электронного оборудования. Управление энергетической информации США (EIA) опубликовало:
Потребление электроэнергии в жилом секторе США по основным конечным потребителям в 2021 году [2]
Электронные приборы, такие как компьютеры или телевизоры, обычно используют преобразователь переменного тока в постоянный или адаптер переменного тока для питания устройства. Он часто способен работать с широким диапазоном напряжения и с обеими распространенными частотами сети. Другие приложения переменного тока обычно имеют гораздо более ограниченные диапазоны входного сигнала.
Переносные приборы используют однофазное электропитание с двумя или тремя проводными контактами на каждой розетке. Два провода (нейтральный и фазный/активный/горячий) проводят ток для работы устройства. [3] [4] Третий провод, который не всегда присутствует, соединяет токопроводящие части корпуса прибора с заземлением. Это защищает пользователей от поражения электрическим током, если токоведущие внутренние части случайно коснутся корпуса.
В северной и центральной Европе электроснабжение жилых помещений обычно осуществляется трехфазным электропитанием 400 В, что дает 230 В между любой одной фазой и нейтралью; домашняя электропроводка может представлять собой смесь трехфазных и однофазных цепей, но трехфазное бытовое использование редко встречается в Великобритании. Мощные приборы, такие как кухонные плиты , водонагреватели и бытовые электроинструменты, такие как дровоколы, могут питаться от трехфазного источника питания 400 В.
Небольшое переносное электрооборудование подключается к источнику питания через гибкие кабели, заканчивающиеся вилкой, которая вставляется в фиксированную розетку. Более крупное бытовое электрооборудование и промышленное оборудование могут быть постоянно подключены к фиксированной проводке здания. Например, в североамериканских домах автономный кондиционер, монтируемый на окне, будет подключен к настенной розетке, тогда как центральное кондиционирование воздуха для всего дома будет постоянно подключено. Более крупные комбинации вилок и розеток используются для промышленного оборудования, проводящего большие токи, более высокие напряжения или трехфазную электроэнергию.
Автоматические выключатели и предохранители используются для обнаружения коротких замыканий между линией и нейтралью или заземляющим проводом или для получения большего тока, чем рассчитаны провода (защита от перегрузки), чтобы предотвратить перегрев и возгорание. Эти защитные устройства обычно устанавливаются на центральной панели — чаще всего на распределительном щите или потребительском блоке — в здании, но некоторые системы электропроводки также предусматривают защитное устройство на розетке или внутри вилки. Устройства защитного отключения , также известные как прерыватели цепи замыкания на землю и прерыватели тока утечки приборов, используются для обнаружения замыканий на землю — протекания тока в проводах, отличных от нейтрального и линейного (например, заземляющий провод или человек). При обнаружении замыкания на землю устройство быстро отключает цепь.
Большая часть населения мира ( Европа , Африка , Азия , Австралия , Новая Зеландия и значительная часть Южной Америки ) использует электропитание, напряжение которого находится в пределах 6% от 230 В. В Соединенном Королевстве [5] номинальное напряжение питания составляет 230 В +10%/−6%, чтобы учесть тот факт, что большинство трансформаторов фактически по-прежнему настроены на 240 В. Стандарт 230 В получил широкое распространение, поэтому оборудование на 230 В может использоваться в большинстве частей света с помощью адаптера или изменения вилки оборудования на стандарт для конкретной страны.
Соединенные Штаты и Канада используют напряжение питания 120 вольт ± 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 оборудованы электросетями с расщепленной фазой, как в Соединенных Штатах, которые могут поставлять 200 В, используя обратную фазу одновременно. Бразилия необычна тем, что имеет как системы 127 В, так и 220 В при 60 Гц, а также разрешает сменные вилки и розетки. [6] Саудовская Аравия и Мексика имеют смешанные системы напряжения; в жилых и легких коммерческих зданиях обе страны используют 127 вольт, с 220 вольт при 60 Гц в коммерческих и промышленных приложениях. Правительство Саудовской Аравии одобрило планы в августе 2010 года по переходу страны на полностью 230/400-вольтовую 50/60 Гц систему. [7]
Следует различать напряжение в точке питания (номинальное напряжение в точке соединения между электросетью и пользователем) и номинальное напряжение оборудования (напряжение использования или нагрузки). Обычно напряжение использования на 3–5 % ниже номинального напряжения системы; например, номинальная система питания 208 В будет подключена к двигателям с «200 В» на их заводских табличках. Это позволяет учитывать падение напряжения между оборудованием и источником. [ требуется ссылка ] Напряжения в этой статье являются номинальными напряжениями питания, а оборудование, используемое в этих системах, будет иметь немного более низкие паспортные напряжения. Напряжение системы распределения электроэнергии по своей природе почти синусоидально. Напряжения выражаются как среднеквадратичное (RMS) напряжение. Допуски напряжения указаны для установившегося режима работы. Кратковременные большие нагрузки или коммутационные операции в распределительной сети электроэнергии могут вызывать кратковременные отклонения за пределы диапазона допуска, а штормы и другие необычные условия могут вызывать еще большие переходные изменения. В целом, электроснабжение, осуществляемое крупными сетями со множеством источников, более стабильно, чем электроснабжение изолированного сообщества, возможно, всего с одним генератором.
Выбор напряжения питания обусловлен скорее историческими причинами, чем оптимизацией системы распределения электроэнергии — как только напряжение используется и оборудование, использующее это напряжение, широко распространено, изменение напряжения становится радикальной и дорогостоящей мерой. Система распределения 230 В будет использовать меньше материала проводника, чем система 120 В, чтобы обеспечить заданное количество мощности, поскольку ток и, следовательно, резистивные потери ниже. В то время как крупные нагревательные приборы могут использовать меньшие проводники при 230 В для той же выходной мощности, немногие бытовые приборы используют что-либо подобное полной мощности розетки, к которой они подключены. Минимальный размер провода для ручного или переносного оборудования обычно ограничен механической прочностью проводников.
Во многих регионах, например, в США, где используется (номинально) 120 В, для питания крупных приборов используются трехпроводные системы с разделенной фазой 240 В. В этой системе источник питания 240 В имеет нейтраль с центральным отводом для подачи двух источников питания 120 В, которые также могут подавать 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 однофазные, так и трехфазные нагрузки, система может быть маркирована обоими напряжениями, например 120/208 или 230/400 В, чтобы показать напряжение между фазой и нейтралью и напряжение между фазой. Большие нагрузки подключаются для более высокого напряжения. Другие трехфазные напряжения, до 830 вольт, иногда используются для специальных систем, таких как насосы для нефтяных скважин. Большие промышленные двигатели (скажем, более 250 л.с. или 150 кВт) могут работать на среднем напряжении. В системах 60 Гц стандарт для оборудования среднего напряжения составляет 2400/4160 В, тогда как для систем 50 Гц общепринятым стандартом является 3300 В.
До 1987 года напряжение в электросети во многих частях Европы, включая Германию, Австрию и Швейцарию, было220 ± 22 В, в то время как в Великобритании использовалось240 ± 14,4 В. Стандарт ISO IEC 60038:1983 определил новый стандарт европейского напряжения:230 ± 23 В. С 1987 года начался постепенный переход к230+13,8
−23 В. С 2009 года напряжение разрешено230 ± 23 В. [ 8] [9] Изменение напряжения не требовалось ни в центральноевропейской, ни в британской системе, поскольку и 220 В, и 240 В попадают в нижние диапазоны допуска 230 В (230 В ± 6%). Обычно поддерживается напряжение 230 В ± 3%. В некоторых районах Великобритании по-прежнему 250 вольт по причинам, связанным с наследием, но они также попадают в 10% диапазон допуска 230 вольт. На практике это позволило странам поставлять то же напряжение (220 или 240 В), по крайней мере, до замены существующих трансформаторов питания. Оборудование (за исключением ламп накаливания ), используемое в этих странах, рассчитано на любое напряжение в пределах указанного диапазона.
В 2000 году Австралия перешла на 230 В в качестве номинального стандарта с допуском +10%/−6%, [10] заменив старый стандарт 240 В, AS 2926-1987. Допуск был увеличен в 2022 году до ± 10% с выпуском AS IEC 60038:2022. [11] Напряжение использования, доступное на приборе, может быть ниже этого диапазона из-за падения напряжения в установке клиента. Как и в Великобритании, 240 В находится в допустимых пределах, а «240 вольт» является синонимом для сети в австралийском и британском английском .
В Соединенных Штатах [12] [13] и Канаде [14] национальные стандарты указывают, что номинальное напряжение на источнике должно быть 120 В и допускают диапазон от 114 В до 126 В ( RMS ) (от −5% до +5%). Исторически в Северной Америке в разное время и в разных местах использовались 110 В, 115 В и 117 В. [ необходима цитата ] Иногда говорят о напряжении в сети 110 В; однако 120 В — это номинальное напряжение.
В Японии напряжение в домах составляет 100 и 200 В. Восточная и северная части Хонсю (включая Токио ) и Хоккайдо имеют частоту 50 Гц, тогда как западная часть Хонсю (включая Нагою, Осаку и Хиросиму), Сикоку , Кюсю и Окинава работают на частоте 60 Гц. Граница между двумя регионами содержит четыре подстанции постоянного тока высокого напряжения (HVDC), которые соединяют электроэнергию между двумя системами электросетей; это Shin Shinano , Sakuma Dam , Minami-Fukumitsu и Higashi-Shimizu Frequency Converter . Чтобы компенсировать разницу, частотно-чувствительные приборы, продаваемые в Японии, часто могут переключаться между двумя частотами.
Первой в мире общественной системой электроснабжения была система с водяным колесом , построенная в небольшом английском городке Годалминг в 1881 году. Это была система переменного тока (AC), использующая генератор Siemens, подающий электроэнергию как для уличного освещения, так и для 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 Холборнском виадуке в Лондоне — начала работу в январе 1882 года, обеспечивая постоянный ток (DC) напряжением 110 В. [16] Станция Холборнского виадукта использовалась в качестве доказательства концепции для строительства гораздо более крупной станции Перл-стрит в Нью-Йорке , первой в мире постоянной коммерческой центральной электростанции. Станция Перл-стрит также обеспечивала постоянный ток напряжением 110 В, считающимся «безопасным» для потребителей, начиная с 4 сентября 1882 года. [17]
Системы переменного тока начали появляться в США в середине 1880-х годов, используя более высокое напряжение распределения, пониженное с помощью трансформаторов до того же напряжения потребления 110 В, которое использовал Эдисон. В 1883 году Эдисон запатентовал трехпроводную систему распределения, чтобы позволить электростанциям постоянного тока обслуживать более широкий радиус потребителей, чтобы сэкономить на расходах на медь. Соединив две группы ламп 110 В последовательно, можно было обслуживать большую нагрузку проводниками того же размера, работающими с напряжением 220 В между ними; нейтральный проводник переносил любой дисбаланс тока между двумя подцепями. Цепи переменного тока приняли ту же форму во время войны токов , что позволило лампам работать при напряжении около 110 В, а основным приборам подключаться к 220 В. Номинальное напряжение постепенно поднялось до 112 В и 115 В, или даже 117 В. [ требуется цитата ] После Второй мировой войны стандартное напряжение в США стало 117 В, но многие районы отставали даже в 1960-х годах. [ требуется цитата ] В 1954 году Американский национальный институт стандартов (ANSI) опубликовал C84.1 «Американский национальный стандарт для электроэнергетических систем и оборудования — номинальные значения напряжения (60 Гц)». Этот стандарт установил номинальную систему 120 вольт и два диапазона для рабочего напряжения и изменений напряжения использования. [18] Сегодня практически все американские дома и предприятия имеют доступ к 120 и 240 В при 60 Гц. Оба напряжения имеются на трех проводах (две «горячие» ветви противофазы и одна «нейтральная» ветвь).
В 1899 году Berliner Elektrizitäts-Werke (BEW), берлинская электротехническая компания, решила значительно увеличить свои распределительные мощности, перейдя на номинальное распределение 220 В, воспользовавшись преимуществом более высокого напряжения недавно разработанных ламп накаливания. Компания смогла компенсировать стоимость преобразования оборудования клиента за счет полученной экономии на стоимости распределительных проводников. Это стало моделью для распределения электроэнергии в Германии и остальной Европе, и система 220 В стала общепринятой. Североамериканская практика осталась с напряжением около 110 В для ламп. [19]
В первое десятилетие после введения переменного тока в США (с начала 1880-х годов до примерно 1893 года) использовались различные частоты, причем каждый поставщик электроэнергии устанавливал свою собственную, так что ни одна не преобладала. Наиболее распространенной частотой была 133⅓ Гц. [ необходима цитата ] Скорость вращения индукционных генераторов и двигателей, эффективность трансформаторов и мерцание угольных дуговых ламп — все это играло свою роль в установке частоты. Около 1893 года Westinghouse Electric Company в Соединенных Штатах и AEG в Германии решили стандартизировать свое генерирующее оборудование на 60 Гц и 50 Гц соответственно, что в конечном итоге привело к тому, что большая часть мира снабжалась одной из этих двух частот. Сегодня большинство систем 60 Гц выдают номинальное напряжение 120/240 В, а большинство систем 50 Гц — номинальное напряжение 230 В. Существенными исключениями являются Бразилия, где имеется синхронизированная сеть 60 Гц со стандартным напряжением 127 В и 220 В в разных регионах [20] , и Япония, где используются две частоты : 50 Гц для Восточной Японии и 60 Гц для Западной Японии.
Для поддержания напряжения на стороне потребителя в допустимых пределах электрораспределительные компании используют регулирующее оборудование на электрических подстанциях или вдоль распределительной линии. На подстанции понижающий трансформатор будет иметь автоматический переключатель ответвлений под нагрузкой, позволяющий поэтапно регулировать соотношение между напряжением передачи и напряжением распределения. Для длинных (несколько километров) сельских распределительных сетей автоматические регуляторы напряжения могут быть установлены на столбах распределительной линии. Это автотрансформаторы , опять же, с переключателями ответвлений под нагрузкой для регулировки соотношения в зависимости от наблюдаемых изменений напряжения. На стороне каждого потребителя понижающий трансформатор имеет до пяти ответвлений, что позволяет осуществлять некоторый диапазон регулировки, обычно ±5% от номинального напряжения. Поскольку эти ответвления не контролируются автоматически, они используются только для регулировки долгосрочного среднего напряжения на стороне потребителя, а не для регулирования напряжения, которое видит потребитель коммунальной услуги.
Стабильность напряжения и частоты, поставляемых клиентам, различается в разных странах и регионах. «Качество электроэнергии» — это термин, описывающий степень отклонения от номинального напряжения и частоты питания. Кратковременные скачки и отключения влияют на чувствительное электронное оборудование, такое как компьютеры и плоские дисплеи . Длительные отключения электроэнергии, понижения и отключения электроэнергии , а также низкая надежность поставок обычно увеличивают расходы для клиентов, которым, возможно, придется инвестировать в источники бесперебойного питания или резервные генераторные установки для обеспечения электроэнергией, когда коммунальное электроснабжение недоступно или непригодно для использования. Нестабильное электроснабжение может стать серьезным экономическим препятствием для предприятий и государственных служб, которые полагаются на электрооборудование, освещение, климат-контроль и компьютеры. Даже самая качественная система электроснабжения может иметь сбои или требовать обслуживания. Таким образом, компании, правительства и другие организации иногда имеют резервные генераторы на чувствительных объектах, чтобы гарантировать, что электроэнергия будет доступна даже в случае отключения электроэнергии или отключения электроэнергии.
На качество электроэнергии также могут влиять искажения формы волны тока или напряжения в виде гармоник основной (питающей) частоты или негармонических (интер)модуляционных искажений, таких как вызванные электромагнитными помехами . Напротив, гармонические искажения обычно вызваны условиями нагрузки или генератора. В многофазной сети могут возникать искажения сдвига фаз, вызванные несбалансированными нагрузками.
{{citation}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )