Распределение электроэнергии является заключительным этапом в доставке электроэнергии . Электроэнергия передается от системы передачи к индивидуальным потребителям. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего напряжения в диапазоне от2 кВ и33 кВ с использованием трансформаторов . [1] Первичные распределительные линии передают эту мощность среднего напряжения на распределительные трансформаторы , расположенные вблизи помещений клиента. Распределительные трансформаторы снова понижают напряжение до напряжения использования, используемого освещением, промышленным оборудованием и бытовыми приборами. Часто несколько клиентов снабжаются от одного трансформатора через вторичные распределительные линии. Коммерческие и бытовые клиенты подключаются к вторичным распределительным линиям через ответвления обслуживания . Клиенты, которым требуется гораздо большее количество энергии, могут быть подключены напрямую к первичному уровню распределения или уровню субпередачи . [2]
Переход от передачи к распределению происходит на электроподстанции , которая выполняет следующие функции: [2]
Городское распределение в основном под землей, иногда в общих коммунальных каналах . Сельское распределение в основном над землей с помощью опор , а пригородное распределение является смешанным. [1] Ближе к потребителю распределительный трансформатор понижает первичную распределительную мощность до низковольтной вторичной цепи, обычно 120/240 В в США для бытовых потребителей. Электроэнергия поступает к потребителю через сервисный отвод и счетчик электроэнергии . Конечный контур в городской системе может быть менее 15 метров (50 футов), но может быть более 91 метра (300 футов) для сельского потребителя. [1]
Распределение электроэнергии стало необходимым только в 1880-х годах, когда электричество начали вырабатывать на электростанциях . До этого времени электричество обычно вырабатывалось там, где оно использовалось. Первые системы распределения электроэнергии, установленные в городах Европы и США, использовались для освещения: дуговое освещение , работающее на очень высоком напряжении (около 3000 В) переменного тока (AC) или постоянного тока (DC), и лампы накаливания, работающие на низком напряжении (100 В) постоянного тока. [3] Оба вытесняли газовые системы освещения, причем дуговое освещение заняло большую площадь и уличное освещение, а лампы накаливания заменили газовые лампы для коммерческих и жилых пользователей.
Высокое напряжение, используемое в дуговом освещении, позволяло одной генерирующей станции обеспечивать гирлянду ламп длиной до 7 миль (11 км). [4] И каждое удвоение напряжения позволяло данному кабелю передавать то же количество энергии на расстояние в четыре раза большее, чем при более низком напряжении (с той же потерей мощности). Напротив, системы внутреннего освещения накаливания постоянного тока, такие как первая электростанция Эдисона , установленная в 1882 году, испытывали трудности с поставкой электроэнергии потребителям, находящимся на расстоянии более мили, поскольку они использовали низкое напряжение (110 В) от генерации до конечного потребителя. Низкое напряжение трансформировалось в более высокий ток и требовало толстых медных кабелей для передачи. На практике электростанции постоянного тока Эдисона должны были находиться в пределах примерно 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 для распределения электроэнергии, и многие неудовлетворительные решения были опробованы компаниями, занимающимися освещением. Но в середине 1880-х годов произошел прорыв с разработкой функциональных трансформаторов, которые позволили «повысить» переменный ток до гораздо более высокого напряжения для передачи, а затем понизить его до более низкого напряжения вблизи конечного пользователя. По сравнению с постоянным током, переменный ток имел гораздо более низкие затраты на передачу и большую экономию за счет масштаба — с крупными электростанциями переменного тока, способными снабжать целые города и регионы, что привело к быстрому распространению использования переменного тока.
В США конкуренция между постоянным и переменным током приняла личный характер в конце 1880-х годов в форме « войны токов », когда Томас Эдисон начал нападать на Джорджа Вестингауза и его разработку первых в США систем трансформаторов переменного тока, подчеркивая смертельные случаи, вызванные высоковольтными системами переменного тока на протяжении многих лет, и утверждая, что любая система переменного тока изначально опасна. [5] Пропагандистская кампания Эдисона была недолгой, и его компания перешла на переменный ток в 1892 году.
Переменный ток стал доминирующей формой передачи энергии благодаря инновациям в Европе и США в области проектирования электродвигателей , а также разработке универсальных систем , позволяющих подключать большое количество устаревших систем к крупным сетям переменного тока. [6] [7]
В первой половине 20-го века во многих местах электроэнергетическая отрасль была вертикально интегрирована , что означало, что одна компания занималась генерацией, 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 оставалась регулируемой, но системы генерации, розничной торговли и иногда передачи были преобразованы в конкурентные рынки.
Электроэнергия начинается на генерирующей станции, где разность потенциалов может достигать 33 000 вольт. Обычно используется переменный ток. Потребители большого количества 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 общественного источника переменного тока или могут иметь свои собственные системы генерации. Высоковольтный постоянный ток может быть выгоден для изоляции систем переменного тока или управления количеством передаваемой электроэнергии. Например, у Hydro-Québec есть линия постоянного тока, которая идет от региона залива Джеймса до Бостона . [8]
С генерирующей станции она поступает на распределительное устройство генерирующей станции, где повышающий трансформатор увеличивает напряжение до уровня, подходящего для передачи, с 44 кВ до 765 кВ. Попав в систему передачи, электроэнергия с каждой генерирующей станции объединяется с электроэнергией, произведенной в другом месте. Чтобы это было возможно, все станции должны быть синхронизированы друг с другом. Электроэнергия потребляется сразу же после ее производства. Она передается с очень высокой скоростью, близкой к скорости света .
В распределении электроэнергии согласно IEC 60038 низкое напряжение (LV) определяется как напряжение от 100 вольт до 1 киловольта (кВ), [9] среднее напряжение (MV) определяется как напряжение от более 1 кВ до 35 кВ, высокое напряжение (HV) определяется как напряжение от выше 35 до 230 кВ, а сверхвысокое напряжение (EHV) определяется как напряжение выше 245 кВ. [10]
Это определение со временем изменилось и может меняться среди групп инженеров в зависимости от страны и области применения. Например, среднее напряжение может быть определено как напряжение от 1 до 75 кВ, [11] [12] а сверхвысокое напряжение (UHV) может быть определено как переменное напряжение от 1000 кВ и более и постоянное напряжение от 750 кВ и более. [13] Согласно Обществу инженеров-автомобилестроителей (SAE), низкое напряжение составляет менее 30 вольт, среднее напряжение составляет от 30 до 60 вольт, а высокое напряжение составляет более 60 вольт, [14] и согласно Национальному электротехническому кодексу (NEC), используемому в зданиях в США, напряжение до 30 вольт переменного тока или 60 вольт постоянного тока считается низким напряжением, а напряжение выше этого считается высоким напряжением. [15] [16]
Первичное распределительное напряжение варьируется от 4 кВ до 35 кВ между фазами (от 2,4 кВ до 20 кВ между фазой и нейтралью) [17]. Только крупные потребители питаются напрямую от распределительных напряжений; большинство потребителей коммунальных услуг подключены к трансформатору, который снижает распределительное напряжение до низкого напряжения «напряжение потребления», «напряжение питания» или «напряжение сети», используемое системами освещения и внутренней электропроводки.
Распределительные сети делятся на два типа: радиальные или сетевые. [18] Радиальная система организована как дерево, где у каждого потребителя есть один источник питания. Сетевая система имеет несколько источников питания, работающих параллельно. Точечные сети используются для концентрированных нагрузок. Радиальные системы обычно используются в сельской местности или пригородных районах.
Радиальные системы обычно включают аварийные соединения, где система может быть перенастроена в случае возникновения проблем, таких как неисправность или плановое обслуживание. Это может быть сделано путем открытия и закрытия переключателей для изоляции определенного участка от сети.
На длинных фидерах наблюдается падение напряжения ( искажение коэффициента мощности ), что требует установки конденсаторов или регуляторов напряжения .
Реконфигурация путем обмена функциональными связями между элементами системы представляет собой одну из важнейших мер, которая может улучшить эксплуатационные характеристики распределительной системы. Задача оптимизации посредством реконфигурации распределительной системы, с точки зрения ее определения, является исторической одноцелевой задачей с ограничениями. С 1975 года, когда Мерлин и Бэк [19] представили идею реконфигурации распределительной системы для снижения потерь активной мощности, и до настоящего времени многие исследователи предлагали различные методы и алгоритмы для решения задачи реконфигурации как одноцелевой задачи. Некоторые авторы предлагали подходы, основанные на оптимальности Парето (включая потери активной мощности и показатели надежности в качестве целей). Для этой цели использовались различные методы, основанные на искусственном интеллекте: микрогенетический, [20] обмен ветвями, [21] оптимизация роя частиц [22] и недоминируемый генетический алгоритм сортировки . [23]
Системы электрификации сельской местности , как правило, используют более высокие напряжения распределения из-за больших расстояний, охватываемых распределительными линиями (см. Управление электрификации сельской местности ). Распределение 7,2, 12,47, 25 и 34,5 кВ распространено в Соединенных Штатах; 11 кВ и 33 кВ распространены в Великобритании, Австралии и Новой Зеландии; 11 кВ и 22 кВ распространены в Южной Африке; 10, 20 и 35 кВ распространены в Китае. [24] Иногда используются и другие напряжения.
Сельские службы обычно стараются минимизировать количество столбов и проводов. Он использует более высокие напряжения (чем городское распределение), что в свою очередь позволяет использовать оцинкованную стальную проволоку. Прочная стальная проволока позволяет использовать менее дорогостоящее широкое расстояние между столбами. В сельской местности трансформатор на столбе может обслуживать только одного потребителя. В Новой Зеландии , Австралии , Саскачеване, Канаде и Южной Африке однопроводные системы заземления (SWER) используются для электрификации отдаленных сельских районов .
Трехфазная сеть обеспечивает электроэнергией крупные сельскохозяйственные объекты, нефтеперекачивающие станции, водопроводные станции или других потребителей с большой нагрузкой (трехфазное оборудование). В Северной Америке воздушные распределительные системы могут быть трехфазными, четырехпроводными, с нейтральным проводником. Сельская распределительная система может иметь длинные участки с одним фазным проводником и нейтралью. [25] В других странах или в отдаленных сельских районах нейтральный провод подключается к земле, чтобы использовать его в качестве возврата (однопроводной возврат через землю).
Электричество поставляется с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от региона. Оно поставляется бытовым потребителям как однофазная электроэнергия . В некоторых странах, как в Европе, для более крупных объектов может быть доступно трехфазное питание. Если посмотреть на него с помощью осциллографа , бытовое электроснабжение в Северной Америке будет выглядеть как синусоида , колеблющаяся между -170 вольт и 170 вольт, что дает эффективное напряжение 120 вольт RMS. [26] Трехфазное электропитание более эффективно с точки зрения мощности, подаваемой на используемый кабель, и больше подходит для работы больших электродвигателей. Некоторые крупные европейские приборы могут работать от трехфазного питания, такие как электрические плиты и сушилки для одежды.
Заземление обычно предусмотрено для системы клиента, а также для оборудования, принадлежащего коммунальному предприятию. Целью заземления системы клиента является ограничение напряжения, которое может возникнуть, если высоковольтные проводники упадут на низковольтные проводники, которые обычно монтируются ниже к земле, или если произойдет сбой в распределительном трансформаторе. 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 и легких промышленных нужд. В этой системе первичная распределительная сеть питает несколько подстанций на район, а мощность 230 В / 400 В от каждой подстанции напрямую распределяется конечным пользователям в районе, радиус которого обычно составляет менее 1 км. Три фазных (горячих) провода и нейтраль подключаются к зданию для трехфазного обслуживания. Однофазное распределение с одним фазным проводом и нейтралью используется в быту, где общие нагрузки невелики. В Европе электроэнергия обычно распределяется для промышленности и бытового использования трехфазной четырехпроводной системой. Это дает межфазное напряжение 400 вольт при звездообразном подключении и однофазное напряжение 230 вольт между любой одной фазой и нейтралью. В Великобритании типичная городская или пригородная низковольтная подстанция обычно имеет мощность от 150 кВА до 1 МВА и обеспечивает питание целого района из нескольких сотен домов. Трансформаторы обычно рассчитаны на среднюю нагрузку от 1 до 2 кВт на домохозяйство, а предохранители и кабели рассчитаны так, чтобы позволить любому объекту недвижимости выдерживать пиковую нагрузку, возможно, в десять раз большую. Для промышленных потребителей также доступны 3-фазные 690/400 вольт или могут быть сгенерированы локально. [27] Крупные промышленные потребители имеют собственные трансформаторы с входным напряжением от 11 кВ до 220 кВ.
Большинство стран Америки используют переменный ток частотой 60 Гц, систему расщепленной фазы 120/240 вольт внутри страны и три фазы для более крупных установок. Североамериканские трансформаторы обычно питают дома напряжением 240 вольт, что аналогично европейским 230 вольтам. Именно расщепленная фаза позволяет использовать 120 вольт в доме.
В секторе электроэнергетики Японии стандартное напряжение составляет 100 В, при этом используются частоты переменного тока как 50, так и 60 Гц. В некоторых частях страны используется частота 50 Гц, в то время как в других частях — 60 Гц. [28] Это пережиток 1890-х годов. Некоторые местные поставщики в Токио импортировали немецкое оборудование на 50 Гц, в то время как местные поставщики электроэнергии в Осаке привезли генераторы на 60 Гц из Соединенных Штатов. Сети росли, пока в конечном итоге вся страна не была охвачена проводами. 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 ). [29]
Большинство бытовых приборов рассчитаны на работу на любой из этих частот. Проблема несовместимости привлекла внимание общественности, когда землетрясение и цунами в Тохоку в 2011 году вывели из строя около трети восточной мощности, а электроэнергия на западе не могла быть полностью разделена с востоком, поскольку в стране нет общей частоты. [28]
Существует четыре преобразовательные станции постоянного тока высокого напряжения (HVDC), которые передают электроэнергию через границу частоты переменного тока Японии. Shin Shinano — это объект HVDC в Японии , который образует одну из четырех станций преобразования частоты , которые связывают западную и восточную энергосистемы Японии. Остальные три находятся на плотине Хигаси-Шимидзу , Минами-Фукумицу и плотине Сакума . Вместе они могут передавать до 1,2 ГВт электроэнергии на восток или запад. [30]
Большинство современных североамериканских домов подключены к сети с напряжением 240 вольт от трансформатора, и благодаря использованию расщепленной фазы электропитания могут иметь как 120-вольтовые, так и 240-вольтовые розетки. 120-вольтовые розетки обычно используются для освещения и большинства настенных розеток . Схемы на 240 вольт обычно используются для приборов, требующих высокой тепловой мощности, таких как духовки и обогреватели. Они также могут использоваться для питания зарядного устройства электромобиля .
Традиционно распределительные системы работали только как простые распределительные линии, где электроэнергия из сетей передачи распределялась между клиентами. Сегодняшние распределительные системы тесно интегрированы с возобновляемыми источниками энергии на уровне распределения энергосистем с помощью распределенных ресурсов генерации, таких как солнечная энергия и энергия ветра . [31] В результате распределительные системы становятся все более независимыми от сетей передачи с каждым днем. Балансировка соотношения спроса и предложения в этих современных распределительных сетях (иногда называемых микросетями ) является чрезвычайно сложной задачей и требует использования различных технологических и эксплуатационных средств для работы. Такие инструменты включают в себя аккумуляторные электростанции , аналитику данных , инструменты оптимизации и т. д.
