Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Распределительный трансформатор 50 кВА на опоре

Распределение электрической мощности является заключительным этапом в поставке от электроэнергии ; он передает электроэнергию от системы передачи к индивидуальным потребителям. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего напряжения в диапазоне от2  кВ и35 кВ с применением трансформаторов . [1] Первичные распределительные линии передают эту мощность среднего напряжения к распределительным трансформаторам, расположенным рядом с помещениями потребителя. Распределительные трансформаторы снова понижают напряжение до напряжения потребления, используемого в осветительном, промышленном и бытовом оборудовании. Часто несколько потребителей получают питание от одного трансформатора по вторичным распределительным линиям. Коммерческие и частные потребители подключаются к вторичным распределительным линиям через точки обслуживания . Клиенты, которым требуется гораздо большее количество энергии, могут быть подключены непосредственно к первичному уровню распределения или субпередаче.уровень. [2]

Генеральный план электрических сетей . Напряжения и нагрузки типичны для европейской сети.

Переход от передачи к распределению происходит на подстанции , которая выполняет следующие функции: [2]

  • Автоматические выключатели и переключатели позволяют отключать подстанцию ​​от сети передачи или отключать распределительные линии.
  • Трансформаторы понижают напряжение передачи, 35 кВ или более, вплоть до напряжения первичного распределения. Это цепи среднего напряжения, обычно600-35 000  В . [1]
  • От трансформатора мощность поступает на шину, которая может разделить распределительную мощность в нескольких направлениях. Автобус распределяет электроэнергию по распределительным линиям, которые разветвляются к клиентам.

Городское распределение в основном проходит под землей, иногда в общих коммуникационных каналах . Сельское распределение в основном надземное с опорами электроснабжения , а распределение в пригороде - это смесь. [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 линию обслуживания и счетчик электроэнергии . Последний контур в городской системе может быть менее 15 метров (50 футов), но может быть более 91 метра (300 футов) для клиента из сельской местности. [1]

История [ править ]

Дополнительная информация: История передачи электроэнергии.
В конце 1870-х и начале 1880-х годов было введено освещение дуговыми лампами, используемыми на открытом воздухе или в больших помещениях, таких как эта система Brush Electric Company , установленная в 1880 году в Нью-Йорке .

Распределение электроэнергии стало необходимым только в 1880-х годах, когда электричество начали вырабатывать на электростанциях . До этого электричество обычно производилось там, где оно использовалось. Первые системы распределения электроэнергии, установленные в городах Европы и США, использовались для освещения: дуговое освещение, работающее от очень высокого напряжения (около 3000 вольт) переменного тока (AC) или постоянного тока (DC), и лампы накаливания, работающие на низком напряжении (100 вольт). вольт) постоянного тока. [3] Оба заменили газовое освещение. системы, в которых дуговое освещение занимает большую площадь и уличное освещение, а освещение лампами накаливания заменяет газовое освещение для бизнеса и жилых помещений.

Из-за высокого напряжения, используемого в дуговом освещении, одна генерирующая станция могла обеспечивать длинную цепочку огней, протяженностью до 7 миль (11 км). [4] Каждое удвоение напряжения позволит кабелю одного и того же размера передавать одинаковое количество энергии, в четыре раза превышающее расстояние для данной потери мощности. Системы внутреннего освещения с лампами накаливания постоянного тока, например, первая станция Edison Pearl Street.установленный в 1882 году, испытывал трудности с поставками клиентов на расстоянии более мили. Это произошло из-за того, что во всей системе использовалась система низкого напряжения 110 В, от генераторов до конечного использования. Система постоянного тока Эдисона требовала толстых медных проводников, а генерирующие установки должны были находиться в пределах примерно 1,5 миль (2,4 км) от самого дальнего потребителя, чтобы избежать чрезмерно больших и дорогих проводов.

Введение трансформатора [ править ]

Передача электричества на большие расстояния при высоком напряжении с последующим снижением его до более низкого для освещения стала признанным инженерным препятствием на пути к распределению электроэнергии с помощью многих, не очень удовлетворительных решений, проверенных осветительными компаниями. В середине 1880-х годов произошел прорыв с разработкой функциональных трансформаторов, которые позволили «поднять» переменное напряжение до гораздо более высоких напряжений передачи, а затем упасть до более низкого конечного пользовательского напряжения. В связи с гораздо более низкими затратами на передачу и большей экономией на масштабе от крупных электростанций, снабжающих энергией целые города и регионы, использование переменного тока быстро распространилось.

В США конкуренция между постоянным и переменным током приняла личный оборот в конце 1880-х годов в форме « войны токов », когда Томас Эдисон начал атаковать Джорджа Вестингауза и его разработку первых в США трансформаторных систем переменного тока, указав на все. смертельные случаи, вызванные высоковольтными системами переменного тока на протяжении многих лет, и утверждение, что любая система переменного тока изначально опасна. [5] Пропагандистская кампания Эдисона была недолгой: его компания перешла на AC в 1892 году.

Переменный ток стал доминирующей формой передачи энергии благодаря инновациям в Европе и США в области проектирования электродвигателей и разработке спроектированных универсальных систем, позволяющих подключать большое количество устаревших систем к большим сетям переменного тока. [6] [7]

В первой половине 20-го века во многих местах электроэнергетика была вертикально интегрированной , что означало, что 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 и иногда системы передачи будут преобразованы в конкурентные рынки.

Генерация и передача [ править ]

Power stationTransformerElectric power transmissionTransformer
Упрощенная схема подачи электроэнергии переменного тока от генерирующих станций до точки обслуживания потребителей .

Электроэнергия начинается с генерирующей станции, где разность потенциалов может достигать 33000 вольт. Обычно используется переменный ток. Пользователи большого количества электроэнергии 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 общедоступного источника переменного тока или могут иметь свои собственные системы генерации. Высоковольтный постоянный ток может быть полезным для изоляции систем переменного тока или контроля количества передаваемой электроэнергии. Например, у Hydro-Québec есть линия постоянного тока, идущая из района залива Джеймс в Бостон . [8]

От генерирующей станции он поступает на распределительное устройство генерирующей станции, где повышающий трансформатор увеличивает напряжение до уровня, подходящего для передачи, с 44 кВ до 765 кВ. Попадая в систему передачи, электроэнергия каждой генерирующей станции объединяется с электричеством, произведенным в других местах. Электроэнергия потребляется сразу после ее производства. Он передается с очень высокой скоростью, близкой к скорости света .

Первичное распространение [ править ]

Первичные распределительные напряжения находятся в диапазоне от 4 кВ до 35 кВ между фазами (от 2,4 кВ до 20 кВ между фазами и нейтралью) [9] Только крупные потребители получают питание непосредственно от распределительных напряжений; большинство потребителей коммунальных услуг подключены к трансформатору, который снижает напряжение распределения до низкого «напряжения использования», «напряжения питания» или «напряжения сети», используемого в системах освещения и внутренней проводки.

Сетевые конфигурации [ править ]

Подстанция возле Йеллоунайфа , на северо-западных территориях Канады

Распределительные сети делятся на два типа: радиальные и сетевые. [10] Радиальная система устроена как дерево, где у каждого покупателя есть один источник поставок. Сетевая система имеет несколько источников питания, работающих параллельно. Точечные сети используются для сосредоточенных нагрузок. Радиальные системы обычно используются в сельской или загородной местности.

Радиальные системы обычно включают аварийные соединения, где система может быть переконфигурирована в случае проблем, таких как неисправность или плановое обслуживание. Это можно сделать, открывая и закрывая переключатели, чтобы изолировать определенный участок 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 наиболее важных мер, которые могут улучшить эксплуатационные характеристики системы распределения. Проблема оптимизации посредством реконфигурации системы распределения электроэнергии, с точки зрения ее определения, является исторически единственной объективной проблемой с ограничениями. С 1975 года, когда Мерлин и Бэк [11] представила идею реконфигурации системы распределения для снижения активных потерь мощности, до настоящего времени многие исследователи предлагали различные методы и алгоритмы для решения проблемы реконфигурации как единой объективной проблемы. Некоторые авторы предложили подходы, основанные на оптимальности по Парето (включая в качестве целей потери активной мощности и показатели надежности). Для этого использовались различные методы, основанные на искусственном интеллекте: микрогенетика, [12] обмен ветвями, [13] оптимизация роя частиц [14] и генетический алгоритм недоминируемой сортировки . [15]

Сельские службы [ править ]

В системах электрификации сельских районов , как правило, используются более высокие напряжения распределения из-за более длинных расстояний, покрываемых распределительными линиями (см. Управление электрификации сельских районов ). 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 ЮАР; 10, 20 и 35 кВ распространены в Китае. [16] Иногда используются другие напряжения.

Сельские службы обычно стараются минимизировать количество столбов и проводов. В нем используются более высокие напряжения (чем в городских сетях), что, в свою очередь, позволяет использовать стальную оцинкованную проволоку. Прочная стальная проволока позволяет сократить расходы на широкое расстояние между полюсами. В сельской местности полюсный трансформатор может обслуживать только одного потребителя. В Новой Зеландии , Австралии , Саскачеван, Канада и Южная Африка , однопроводный возвратные земля системы (SWER) используются электрифицировать отдаленные сельские районы.

Трехфазная сеть обеспечивает питание крупных сельскохозяйственных объектов, нефтеперекачивающих установок, водопроводных станций или других потребителей с большими нагрузками (трехфазное оборудование). В Северной Америке воздушные распределительные сети могут быть трехфазными, четырехпроводными с нулевым проводом. Сельская распределительная система может иметь длинные участки с одним фазным проводом и нейтралью. [17] В других странах или в сельской местности нейтральный провод соединяется с землей, чтобы использовать его в качестве обратной связи ( однопроводной заземляющий провод ). Это называется незаземленной звездообразной системой.

Вторичное распространение [ править ]

Мировая карта сетевого напряжения и частоты
Основная статья: Низковольтная сеть

Электроэнергия подается с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от региона. Поставляется отечественным потребителям в виде однофазной электроэнергии . В некоторых странах, например в Европе, может быть предусмотрено трехфазное электроснабжение для более крупных объектов. Если посмотреть на осциллограф , то местный источник питания в Северной Америке будет выглядеть как синусоидальная волна , колеблющаяся между -170 и 170 вольт, давая эффективное напряжение 120 вольт (среднеквадратичное значение). [18] Трехфазная электроэнергия более эффективна с точки зрения мощности, передаваемой на каждый используемый кабель, и больше подходит для работы больших электродвигателей. Некоторые крупные европейские электроприборы могут работать от трехфазного источника питания, например, электрические плиты и сушилки для одежды.

Земля соединение обычно предоставляются для системы клиента, а также для оборудования , принадлежащего утилитой. Целью подключения системы заказчика к земле является ограничение напряжения, которое может возникнуть, если проводники высокого напряжения упадут на проводники более низкого напряжения, которые обычно монтируются ниже по отношению к земле, или в случае отказа распределительного трансформатора. Системы заземления могут быть TT, TN-S, TN-CS или TN-C.

Региональные варианты [ править ]

Системы 220–240 вольт [ править ]

Большая часть мира использует однофазное напряжение 220 или 230 В с частотой 50 Гц или трехфазное напряжение 400 В для жилых домов и предприятий легкой промышленности. В этой системе первичная распределительная сеть снабжает несколько подстанций на зону, а мощность 230 В / 400 В от каждой подстанции напрямую распределяется между конечными пользователями в зоне, обычно радиусом менее 1 км. Три провода под напряжением и нейтраль подключены к зданию для трехфазного питания. Однофазное распределение с одним проводом под напряжением и нейтралью используется внутри страны, где общие нагрузки невелики. В Европе электричество обычно распределяется для промышленных и бытовых нужд по трехфазной четырехпроводной системе. Это дает межфазное напряжение 400 вольт звездой 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 снабжает энергией целый квартал из нескольких сотен домов. Трансформаторы обычно рассчитаны на среднюю нагрузку от 1 до 2 кВт на дом, а предохранители и кабель рассчитаны таким образом, чтобы позволить любому объекту потреблять пиковую нагрузку, возможно, в десять раз больше. Для промышленных потребителей также доступно трехфазное напряжение 690/400 вольт или может генерироваться локально. [19] Крупные промышленные потребители имеют собственный трансформатор (трансформаторы) на входе от 11 кВ до 220 кВ.

Системы на 100–120 вольт [ править ]

В большинстве стран Америки используется переменный ток 60 Гц, расщепленная система на 120/240 В внутри страны и трехфазная для более крупных установок. Трансформаторы в Северной Америке обычно питают дома напряжением 240 вольт, что аналогично 230 вольт в Европе. Это расщепленная фаза, которая позволяет использовать в доме 120 вольт.

Частоты электроснабжения Японии составляют 50 и 60 Гц .

В электроэнергетическом секторе Японии стандартное напряжение составляет 100 В при частоте переменного тока 50 и 60 Гц. В некоторых частях страны используется 50 Гц, а в других частях - 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, наконец, 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  Нагоя ,  Осака ,  Киото).,  Хиросима ,  Сикоку и Кюсю ). [21]

Большинство бытовых приборов работают на любой частоте. Проблема несовместимости привлекла внимание общественности, когда землетрясение Тохоку 2011 года и цунами вырубили около трети мощностей востока, и власть на западе не могла быть полностью разделена с востоком, поскольку у страны нет общей частоты. [20]

Есть четыре преобразовательные станции постоянного тока высокого напряжения (HVDC), которые перемещают энергию через границу частоты переменного тока в Японии. Шин Shinano является спина к спине HVDC объекта в Японии , который образует один из четырех частот чейнджера станций , что западные и восточных энергосистемы ссылки Японии. Остальные три находятся на Хигаси-Симидзу , Минами-Фукумицу и плотине Сакума . Вместе они могут переместить до 1,2 ГВт мощности на восток или запад. [22]

Системы на 240 вольт и розетки на 120 вольт [ править ]

Большинство современных домов в Северной Америке устроены так, чтобы получать 240 вольт от трансформатора, а за счет использования электроэнергии с расщепленной фазой могут иметь как розетки на 120 вольт, так и розетки на 240 вольт. 120 В обычно используются для освещения и большинства розеток . Розетки на 240 вольт обычно предназначены для обслуживания духовки и плиты, водонагревателя и сушилки для белья (если они электрические, а не на природном газе). Иногда в гараже монтируют розетку на 240 вольт для техники или для зарядки электромобиля .

Современные системы распределения [ править ]

Традиционно распределительные системы работали бы только как простые распределительные линии, где электроэнергия из передающих сетей распределялась бы между потребителями. Сегодняшние системы распределения в значительной степени интегрированы с генерированием возобновляемой энергии на уровне распределения энергосистем с помощью 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. Уравновешивание отношений 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. К таким инструментам относятся аккумуляторная электростанция , аналитика данных , инструменты оптимизации и т. Д.

См. Также [ править ]

  • Обратное кормление
  • Стоимость электроэнергии по источникам
  • Динамическое восстановление напряжения
  • Электроэнергетика
  • Электрораспределительные компании по странам
  • Производство электроэнергии
  • Розничная торговля электроэнергией
  • Защитник сети
  • Блок распределения питания
  • Автоматизация энергосистемы - стандарт IEEE для соединения устройств телезащиты и мультиплексора энергетических компаний.
  • Моделирование энергосистемы
  • Оператор системы передачи
  • Противопожарные барьеры высоковольтные трансформаторные

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Short, TA (2014). Справочник по распределению электроэнергии . Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press. С. 1–33. ISBN 978-1-4665-9865-2.
  2. ^ а б «Как работают электросети» . HowStuffWorks . Апрель 2000 . Проверено 18 марта 2016 .
  3. ^ Квентин Р. Скрабек, 100 наиболее значимых событий в американском бизнесе: энциклопедия, ABC-CLIO - 2012, стр.
  4. ^ Берли, Дж. (1880-03-24). «Заметки о системе электрического освещения Яблочкова» . Журнал Общества инженеров-телеграфистов . Институт инженеров-электриков. IX (32): 143 . Проверено 7 января 2009 .
  5. ^ Гаррисон, Уэбб Б. (1983). За заголовками: планы, скандалы и выходки американской истории . Stackpole Books. п. 107 .
  6. ^ Парк Хьюз, Томас (1993). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 . JHU Press. С. 120–121.
  7. ^ Гаруд, Рагху; Кумарасвами, Арун; Ланглуа, Ричард (2009). Управление в эпоху модульности: архитектуры, сети и организации . Джон Вили и сыновья. п. 249.
  8. ^ "Передача сверхвысокого напряжения | 735 кВ | Hydro-Québec" . hydroquebec.com . Проверено 8 марта 2016 .
  9. ^ Чани, Edvard (10 августа 2012). «Уровни напряжения первичного распределения» . electric-engineering-portal.com . EEP - Портал электротехники . Проверено 9 марта 2017 .
  10. ^ Abdelhay А. Саллы и Om Malik П. (май 2011). Системы распределения электроэнергии . Издательство IEEE Computer Society Press. п. 21. ISBN 9780470276822.
  11. ^ Мерлин, А .; Бэк, Х. Поиск конфигурации связующего дерева с минимальными потерями в городской системе распределения электроэнергии. В Трудах Пятой компьютерной конференции по системам питания (PSCC) 1975 г., Кембридж, Великобритания, 1–5 сентября 1975 г .; С. 1–18.
  12. ^ Mendoza, JE; Лопес, Мэн; Коэльо, Калифорния; Лопес, Е.А. Алгоритм микрогенетической многокритериальной реконфигурации с учетом потерь мощности и показателей надежности распределительной сети среднего напряжения. IET Gener. Трансм. Дистриб. 2009, 3, 825–840.
  13. ^ Бернардон, DP; Гарсия, VJ; Феррейра, ASQ; Canha, LN Многокритериальная реконфигурация распределительной сети с учетом анализа субпередач. IEEE Trans. Power Deliv. 2010, 25, 2684–2691.
  14. ^ Amanulla, B .; Chakrabarti, S .; Сингх, С. Н. Реконфигурация систем распределения электроэнергии с учетом надежности и потери мощности. IEEE Trans. Power Deliv. 2012, 27, 918–926.
  15. ^ "Tomoiagă, B .; Chindriş, M .; Sumper, A .; Sudria-Andreu, A .; Villafafila-Robles, Р. Парето Оптимальная реконфигурация систем распределения энергии с использованием генетического алгоритма на основе NSGA-II. Энергия 2013, 6, 1439–1455 " .
  16. ^ Чан, Ф. "Системы распределения электроэнергии" (PDF) . Электротехника . Проверено 12 марта +2016 .
  17. ^ Дональд Г. Финк, Х. Уэйн Битти (редактор), Стандартное руководство для инженеров-электриков, одиннадцатое издание , McGraw Hill, 1978, ISBN 0-07-020974-X , стр. 18-17 
  18. ^ «Как работают электросети» . HowStuffWorks . Апрель 2000 . Проверено 18 марта 2016 .
  19. ^ "Неровная дорога к дерегулированию энергетики" . EnPowered. 2016-03-28.
  20. ^ a b Горденкер, Алиса (19.07.2011). «Несовместимые электросети Японии» . The Japan Times Online . ISSN 0447-5763 . Проверено 12 марта 2016 . 
  21. ^ «Электричество в Японии» . Japan-Guide.com . Проверено 12 марта 2016 .
  22. ^ "Почему фрагментированная сеть Японии не может справиться" . Spectrum.IEEE.org . Проверено 12 марта 2016 .
  23. ^ Фатхабад, AM; Cheng, J .; Пан, К .; Цю, Ф. (ноябрь 2020 г.). «Планирование на основе данных для интеграции возобновляемой распределенной генерации» . IEEE Transactions on Power Systems . 35 (6): 4357–4368. DOI : 10.1109 / TPWRS.2020.3001235 . ISSN 1558-0679 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • IEEE Энергетическое общество
  • Подкомитет IEEE Power Engineering Society по распределению
  • Веб-сайт Министерства энергетики США по распределению электроэнергии