Сети электроэнергии

Карта мира, показывающая процент населения в каждой стране, имеющего доступ к электросети (по состоянию на 2017 год), как показатель степени электрификации . ^[1]

  80–100%

  60–80%

  40–60%

  20–40%

  0–20%

Сетевое электричество ( Commonwealth английский ), также известный под американский английский термины власти полезности , энергосистемы , внутренней силы и силы стены , или в некоторых частях Канады , как гидро , является универсальным переменного тока (AC) электроэнергии питания . Это форма электроэнергии, которая доставляется в дома и на предприятия через электрическую инфраструктуру.во многих частях мира. Люди используют это электричество для питания предметов повседневного обихода, таких как бытовые приборы, телевизоры и лампы, подключая их к розетке.

Два основных свойства источника электроэнергии - напряжение и частота - различаются в зависимости от региона. Напряжение (номинальное) 230 В и частота 50 Гц используется в Европе, большей части Африки, большей части Азии, Австралии и большей части Южной Америки. В Северной Америке наиболее распространена комбинация 120 В и частота 60 Гц. Существуют другие напряжения, и в некоторых странах может быть, например, 230 В при 60 Гц. Это вызывает беспокойство у путешественников, поскольку портативные приборы, рассчитанные на одну комбинацию напряжения и частоты, могут не работать или даже быть разрушены другой. Использование разных и несовместимых вилок и розеток в разных регионах и странах обеспечивает некоторую защиту от случайного использования приборов с несовместимыми требованиями к напряжению и частоте.

Терминология [ править ]

Настольная лампа, подключенная к розетке (электросети)

В США электросеть от сети упоминается под несколькими названиями, включая «электроэнергия от электросети», «домашняя энергия», «домашнее электричество», «домашний ток», «линия электропередачи», «домашняя энергия», «электрическая сеть», «линия». мощность »,« мощность переменного тока »,« городская мощность »,« уличная мощность ».

В Великобритании электрическую сеть обычно называют «сетью». Более половины энергии в Канаде приходится на гидроэлектроэнергию , и электричество в сети часто называют "гидроэлектростанцией". Это также отражено в названиях существующих и исторических монополий в электроэнергии, таких как Hydro-Québec , BC Hydro , Manitoba Hydro , Newfoundland and Labrador Hydro и Hydro One .

Энергетические системы [ править ]

Список значений напряжения, частоты и розеток по странам см. В разделе Электроэнергия по странам.

Во всем мире существует множество различных систем электроснабжения для работы бытовых и легких коммерческих электроприборов и освещения. Различные системы в первую очередь характеризуются

• Напряжение
• Частота
• Вилки и розетки (розетки или розетки)
• Система заземления (заземление)
• Защита от повреждений при перегрузке по току (например, из-за короткого замыкания), поражения электрическим током и пожара
• Допуски параметров.

Все эти параметры различаются в зависимости от региона. Напряжения обычно находятся в диапазоне 100–240 В (всегда выражаются как среднеквадратичное напряжение). Обычно используются две частоты: 50  Гц и 60 Гц. Однофазное или трехфазное питание чаще всего используется сегодня, хотя двухфазные системы использовались в начале 20 века. Зарубежные анклавы, такие как крупные промышленные предприятия или зарубежные военные базы, могут иметь стандартное напряжение или частоту, отличное от окружающих территорий. В некоторых городских районах стандарты могут отличаться от стандартов в окружающей сельской местности (например, в Ливии ). Регионы в состоянии эффективной анархии может не иметь централизованного управления электроэнергией, а электроэнергия поступает из несовместимых частных источников.

Ранее использовались многие другие комбинации напряжения и частоты электросети , с частотами от 25 Гц до 133 Гц и напряжением от 100 В до 250 В. Постоянный ток (DC) был почти полностью вытеснен переменным током (AC) в системах электроснабжения общего пользования. но DC 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. Промышленные установки с трехфазным питанием будут иметь другие, более высокие напряжения, установленные для большого оборудования (и разные розетки и вилки), но общие напряжения, перечисленные здесь, все равно будут использоваться для освещения и переносного оборудования.

Обычное использование электричества [ править ]

Электричество используется для освещения, отопления, охлаждения, электродвигателей и электронного оборудования. Управление энергетической информации США (EIA) опубликовало:

Расчетное потребление электроэнергии в жилищах в США по конечному потреблению, за 2016 год ^[2]

¹ Включает телевизоры, приставки, системы домашнего кинотеатра, DVD-плееры и игровые приставки.

² Включает настольные и портативные компьютеры, мониторы и сетевое оборудование.

³ Без водяного отопления.

⁴ Включает небольшие электрические устройства, нагревательные элементы, внешнее освещение, грили на открытом воздухе, обогреватели для бассейнов и спа, резервные генераторы электроэнергии и двигатели, не перечисленные выше. Не включает зарядку электромобиля.

Электронные устройства (например, телевизоры, компьютеры и сопутствующее оборудование указанных выше категорий, что составляет 9% от общего количества) обычно используют преобразователь переменного тока в постоянный или адаптер переменного тока для питания устройства. Это часто может работать в приблизительном диапазоне от 100 В до 250 В и от 50 Гц до 60 Гц. Другие категории обычно относятся к приложениям переменного тока и обычно имеют гораздо более ограниченные диапазоны входных сигналов. Исследование Building Research Establishmentв Великобритании заявляет, что «существующая система на 230 В хорошо подходит для будущего электричества, будь то проект или дарвиновские процессы. Любая текущая слабость, как правило, является результатом снижения затрат и рыночных сил, а не каких-либо фундаментальных технических трудностей. Вопросы относительно Есть ли альтернативы существующей системе 230 В переменного тока, часто затмевается устаревшими проблемами, будущей интеллектуальной повесткой дня и стоимостью во всех, кроме конкретных ситуаций. Там, где есть возможности, они часто предназначены для определенных частей общей нагрузки и часто небольших частей с точки зрения от общего спроса ". ^[3]

Электропроводка [ править ]

Во многих странах домашнее электроснабжение - однофазное , с двумя или тремя проводными контактами на каждой розетке. Нейтральный и линейный провода проводят ток и считаются частями под напряжением. ^{[4] [5]}

• Проводная линия (в «линейного проводе» терминов IEC ^[6] ) , также известный как фазы , горячий или активный контакт (и обычно, но технически неправильно, как и в прямой эфире ), осуществляет переменный ток между энергосистемой и домашним хозяйством.
• Нейтральный провод (МЭК: нейтральный проводник ^[7] ) завершает электрическую цепь, оставаясь при напряжении в непосредственной близости от 0 V-путем проведения также переменного тока между энергосистемой и домашним хозяйством. Нейтраль соединена с землей (землей) и поэтому имеет почти такой же электрический потенциал, как и земля. Это предотвращает превышение напряжения в цепях питания за пределами земли, например, при ударе молнии или возникновении иного заряда.
• Провод заземления , заземление или, в терминах IEC, защитное заземление ^[8] (РЕ) соединяет корпус оборудования для заземления в качестве защиты от повреждений ( электрический ток ), например, если изоляция на «горячий» проводе повреждена а оголенный провод контактирует с металлическим шасси или корпусом оборудования.

• Смешанный 230 В / 415 В трехфазных (распространено в северной и центральной Европе) или В 230 однофазной основе бытовой проводки.

В северной и центральной Европе бытовое электроснабжение обычно представляет собой трехфазное напряжение 400 В, что дает 230 В между любой однофазной и нейтралью; домашняя проводка может представлять собой смесь трехфазных и однофазных цепей, но трехфазное использование в жилых помещениях в Великобритании встречается редко. Мощные электроприборы, такие как кухонные плиты , водонагреватели и, возможно, бытовые тяжелые инструменты, такие как дровоколы, могут питаться от трехфазного источника питания 400 В.

Используются различные системы заземления , чтобы гарантировать, что заземляющий и нейтральный провода имеют нулевое напряжение по отношению к земле, чтобы предотвратить удары при прикосновении к заземленному электрическому оборудованию. В некоторых установках могут быть два линейных провода, по которым протекает переменный ток в однофазном трехпроводном соединении . Небольшое портативное электрическое оборудование подключается к источнику питания с помощью гибких кабелей (они бывают с двумя или тремя изолированными проводниками), оканчивающихся вилкой , которая вставляется в стационарную розетку (розетку). Более крупное бытовое электрооборудование и промышленное оборудование можно постоянно подключать к стационарной проводке здания. Например, в домах в Северной Америке автономныйкондиционер будет подключен к розетке, тогда как центральное кондиционирование воздуха во всем доме будет постоянно подключено. Комбинации вилок и розеток большего размера используются для промышленного оборудования, имеющего большие токи, более высокие напряжения или трехфазную электрическую мощность. Они часто изготавливаются из более прочных пластиков и обладают присущими им погодостойкими свойствами, необходимыми в некоторых случаях.

Автоматические выключатели и предохранители используются для обнаружения короткого замыкания между линией и нулевым проводом или проводом заземления или для получения большего тока, чем рассчитаны на работу проводов (защита от перегрузки), чтобы предотвратить перегрев и возможное возгорание. Эти защитные устройства обычно монтируются на центральной панели - чаще всего на распределительном щите или в потребительском блоке - в здании, но некоторые системы электропроводки также обеспечивают защитное устройство на розетке или внутри вилки. Устройства остаточного тока , также известные как прерыватели цепи замыкания на землю и прерыватели тока утечки бытовой техники, используются для обнаружения замыканий на землю.- прохождение тока не по нейтральному и линейному проводу (например, по заземляющему проводу или по человеку). При обнаружении замыкания на землю устройство быстро отключает цепь.

Уровни напряжения [ править ]

Большая часть населения мира ( Европа , Африка , Азия , Австралия , Новая Зеландия ) и большая часть Южной Америки используют источники питания, которые находятся в пределах 6% от 230 В. В Великобритании и Австралии ^[9] номинальное напряжение питания составляет 230 В + 10% / - 6%, чтобы учесть тот факт, что большинство трансформаторов фактически все еще настроены на 240 В. Стандарт 230 В стал широко распространенным, так что оборудование на 230 В можно использовать в большинстве частей мира с помощью адаптера или изменение вилки оборудования на стандарт для конкретной страны. Соединенные Штаты и Канадаиспользуйте напряжение питания 120 В ± 6%. В Японии , Тайване , Саудовской Аравии , Северной Америке , Центральной Америке и некоторых частях северной части Южной Америки используется напряжение от 100 В до 127 В. В Бразилии нетипично тем, что в ней есть системы 127 В и 220 В с частотой 60 Гц, а также разрешены сменные вилки и Розетки. ^[10] Саудовская Аравия и Мексика имеют смешанные системы напряжения; в жилых и легких коммерческих зданиях в обеих странах используется напряжение 127 вольт, а в коммерческих и промышленных - 220 вольт. В августе 2010 года правительство Саудовской Аравии одобрило планы по переходу страны на систему с общим напряжением 230/400 вольт ^[11]. но Мексика не планирует переход.

Измерение напряжения [ править ]

Следует различать напряжение в точке подачи (номинальное напряжение в точке соединения между электросетью и пользователем) и номинальное напряжение оборудования (напряжение использования). Обычно напряжение использования на 3–5% ниже номинального напряжения системы; например, система питания с номинальным напряжением 208 В будет подключена к двигателям, на паспортных табличках которых указано «200 В». Это учитывает падение напряжения между оборудованием и источником питания. ^{[ необходима цитата ]} Напряжения в этой статье являются номинальными напряжениями питания, и оборудование, используемое в этих системах, будет выдерживать несколько более низкие напряжения, указанные на паспортной табличке. Напряжение в системе распределения электроэнергии по своей природе почти синусоидальное. Напряжения выражаются как среднеквадратическое значение.(RMS) напряжение. Допустимые отклонения напряжения указаны для установившегося режима работы. Кратковременные большие нагрузки или операции переключения в распределительной сети могут вызвать кратковременные отклонения за пределы допустимого диапазона, а штормы и другие необычные условия могут вызвать еще большие переходные колебания. В общем, источники питания, полученные из больших сетей с множеством источников, более стабильны, чем источники питания в изолированном сообществе, возможно, только с одним генератором.

Выбор напряжения [ править ]

Выбор напряжения питания обусловлен в большей степени историческими причинами, чем оптимизацией системы распределения электроэнергии: если напряжение используется и оборудование, использующее это напряжение, широко распространено, изменение напряжения является радикальной и дорогостоящей мерой. В распределительной системе на 230 В будет использоваться меньше проводников, чем в системе на 120 В, чтобы обеспечить заданное количество энергии, потому что ток и, следовательно, резистивные потери ниже. В то время как большие нагревательные приборы могут использовать более мелкие проводники на 230 В для той же выходной мощности, немногие бытовые приборы используют что-либо вроде полной мощности розетки, к которой они подключены. Минимальный размер провода для ручного или переносного оборудования обычно ограничивается механической прочностью проводников. Электрические приборы широко используются в домах как в странах с системой 230 В, так и в 120 В.Национальные электрические правила предписываютметоды электромонтажа, направленные на минимизацию риска поражения электрическим током и возгорания.

Во многих регионах, таких как США, где используется (номинально) 120 В, для питания крупных бытовых приборов используются трехпроводные системы с разделением фаз на 240 В. В этой системе источник питания 240 В имеет нейтраль с центральным отводом для обеспечения двух источников питания 120 В, которые также могут подавать 240 В на нагрузки, подключенные между двумя линейными проводами. Трехфазныйсистемы могут быть подключены для получения различных комбинаций напряжения, подходящих для использования с различными классами оборудования. Если электрическая система обслуживает как однофазные, так и трехфазные нагрузки, система может быть помечена обоими значениями напряжения, такими как 120/208 или 230/400 В, чтобы показать напряжение между фазой и нейтралью и между фазой и нейтралью. -линейное напряжение. Для более высокого напряжения подключаются большие нагрузки. Другие трехфазные напряжения, до 830 вольт, иногда используются в специальных системах, таких как насосы для нефтяных скважин. Крупные промышленные двигатели (скажем, более 250 л.с. или 150 кВт) могут работать от среднего напряжения. В системах с частотой 60 Гц стандарт для оборудования среднего напряжения составляет 2400/4160 В (2300/4000 В в США), тогда как 3300 В является общим стандартом для систем с частотой 50 Гц.

Стандартизация [ править ]

До 1987 года сетевое напряжение использовалось в большей части Европы, включая Германию, Австрию и Швейцарию , а в Великобритании . Стандарт ISO IEC 60038 : 1983 определил новый европейский стандарт напряжения .${\displaystyle 220(\pm 22)\mathrm {V} }$${\displaystyle 240(\pm 24)\,\mathrm {V} }$${\displaystyle 230(\pm 23)\,\mathrm {V} }$

С 1987 г. был осуществлен постепенный переход к . С 2009 года напряжение разрешено . ^{[12] [13]} Ни центральноевропейская, ни британская системы не требовали изменения напряжения, поскольку и 220 В, и 240 В попадают в нижний диапазон допуска 230 В (230 В ± 6%). Некоторые районы Великобритании по-прежнему имеют 250 вольт по устаревшим причинам, но они также находятся в пределах 10% диапазона допуска 230 вольт. На практике это позволяло странам подавать такое 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 указанном диапазоне. В США ^{[14] [15]}${\displaystyle 230_{-23}^{+13.8}\,\mathrm {V} }$${\displaystyle 230(\pm 23)\,\mathrm {V} }$и в национальных стандартах Канады ^[16] указано, что номинальное напряжение на источнике должно быть 120 В и допускать диапазон от 114 В до 126 В ( среднеквадратичное значение ) (от -5% до + 5%). Исторически 110 В, 115 В и 117 В использовались в разное время и в разных местах Северной Америки. Мощность сети иногда обозначается как 110 В; однако номинальное напряжение составляет 120 В.

В 2000 году Австралия перешла на 230 В в качестве номинального стандарта с допуском +10% / - 6% ^[17], заменив старый стандарт на 240 В, AS2926-1987. Как и в Великобритании, 240 В находится в допустимых пределах, а «240 вольт» является синонимом сети в австралийском и британском английском . В Японии электроснабжение домашних хозяйств составляет 100 В. Восточная и северная части Хонсю (включая Токио ) и Хоккайдо имеют частоту 50 Гц, тогда как западные Хонсю (включая Нагоя, Осака и Хиросима), Сикоку , Кюсю и Окинаваработают при 60 Гц. На границе между двумя регионами находятся четыре подстанции постоянного тока высокого напряжения (HVDC), соединяющие друг с другом подстанции, соединяющие энергоснабжение двух энергосистем; это Шин Синано , Дамба Сакума , Минами-Фукумицу и преобразователь частоты Хигаси-Симидзу . Чтобы компенсировать разницу, частотно-чувствительные устройства, продаваемые в Японии, часто можно переключать между двумя частотами.

История [ править ]

Первым в мире общественным электроснабжением была система с приводом от водяного колеса, построенная в небольшом английском городке Годалминг в 1881 году. Это была система переменного тока, в которой использовался генератор переменного тока Сименс, обеспечивающий питание как уличных фонарей, так и потребителей при двух напряжениях 250 В. для дуговых ламп и 40 В для ламп накаливания. ^[18]

Первый крупномасштабный центральный завод - в мире Томас Эдисон «s паровые станции в Холборн Виадук в Лондоне-начал работу в январе 1882 г., обеспечивая постоянный ток (DC) при 110 В. ^[19] Станция Холборн Виадук был использован в качестве доказательства концепция строительства гораздо более крупной станции Перл-стрит на Манхэттене , первой в мире постоянной коммерческой центральной электростанции. Станция на Перл-стрит также обеспечивала постоянный ток 110 В, считающийся «безопасным» напряжением для потребителей, начиная с 4 сентября 1882 года ^[20].

Системы переменного тока начали появляться в США в середине 1880-х годов, в которых использовалось более высокое распределительное напряжение, пониженное с помощью трансформаторов до того же потребляемого напряжения 110 В, которое использовал Эдисон. В 1883 году Эдисон запатентовал трехпроводную распределительную систему, чтобы позволить электростанциям постоянного тока обслуживать более широкий круг потребителей, чтобы сэкономить на стоимости меди. Последовательно соединив две группы ламп 110 В, большую нагрузку можно будет обслуживать проводами того же диаметра с напряжением 220 В между ними; нейтральный проводник нес любой дисбаланс тока между двумя подсхемами. Цепи переменного тока приняли такую ​​же форму во время войны токов., Позволяя лампы для запуска на уровне около 110 В и основные приборы должны быть подключены к сети 220 В. Номинальные напряжения постепенно вкрались в сторону повышения до 112 В и 115 В, или даже 117 V. ^{[ править ]} После Второй мировой войны стандарт напряжения в США стало 117 V, но многие области отставали даже до 1960-х годов. ^{[ необходима цитата ]} В 1967 году номинальное напряжение выросло до 120 В, но преобразование приборов было медленным. ^{[ необходима цитата ]} Сегодня практически все американские дома и предприятия имеют доступ к 120 и 240 В при 60 Гц. Оба напряжения доступны на трех проводах (два «горячих» полюса противоположной фазы и один «нейтральный» вывод).

В 1899 году берлинское предприятие электроснабжения Berliner Elektrizitäts-Werke (BEW) решило значительно увеличить свою распределительную способность, переключившись на номинальное распределение 220 В, воспользовавшись преимуществами более высокого напряжения недавно разработанных металлических ламп накаливания. Компания смогла компенсировать затраты на переоборудование оборудования заказчика за счет экономии на стоимости распределительных проводов. Это стало моделью для распределения электроэнергии в Германии и остальной Европе, а система 220 В стала обычным явлением. В Северной Америке сохранилась практика с напряжением около 110 В для ламп. ^[21]

В первое десятилетие после появления переменного тока в США (с начала 1880-х до примерно 1893) использовалось множество разных частот, причем каждый поставщик электроэнергии устанавливал свои собственные, так что ни один из них не победил. Наиболее распространенная частота составляла 133⅓ Гц. ^{[ необходима цитата ]} Скорость вращения индукционных генераторов и двигателей, КПД трансформаторов и мерцание угольных дуговых ламп - все это сыграло свою роль в установке частоты. Примерно в 1893 г. компания Westinghouse Electric Company в США и AEGв Германии решили стандартизировать свое генерирующее оборудование на 60 Гц и 50 Гц соответственно, что в конечном итоге привело к тому, что большая часть мира будет работать на одной из этих двух частот. Сегодня большинство систем с частотой 60 Гц обеспечивают номинальное напряжение 120/240 В, а большинство систем с частотой 50 Гц - номинальное напряжение 230 В. Существенное исключение составляет Бразилия, которая имеет синхронизированную сеть 60 Гц с напряжением 127 В и 220 В в качестве стандартных напряжений в разных регионах ^{[22 ]} и Япония, которая имеет две частоты : 50 Гц для Восточной Японии и 60 Гц для Западной Японии.

Регулировка напряжения [ править ]

Для поддержания напряжения у потребителя в допустимом диапазоне распределительные электросетевые компании используют регулирующее оборудование на электрических подстанциях или вдоль распределительной линии. На подстанции понижающий трансформатор будет иметь автоматическое устройство РПН, позволяющее ступенчато регулировать соотношение между напряжением передачи и напряжением распределения. Для протяженных (несколько километров) сельских распределительных сетей автоматические регуляторы напряжения могут быть установлены на опорах распределительной линии. Это автотрансформаторыопять же, с переключателями ответвлений под нагрузкой для регулировки соотношения в зависимости от наблюдаемых изменений напряжения. В каждом сервисном центре понижающий трансформатор имеет до пяти отводов, позволяющих регулировать некоторый диапазон, обычно ± 5% от номинального напряжения. Поскольку эти ответвители не управляются автоматически, они используются только для регулировки долгосрочного среднего напряжения в рабочем состоянии, а не для регулирования напряжения, видимого потребителем коммунального предприятия.

Качество электроэнергии [ править ]

Стабильность напряжения и частоты, подаваемых клиентам, варьируется в зависимости от страны и региона. «Качество электроэнергии» - это термин, описывающий степень отклонения от номинального напряжения и частоты питания. Кратковременные скачки и падения напряжения влияют на чувствительное электронное оборудование, такое как компьютеры и плоские дисплеи . Долгосрочные перебои в подаче электроэнергии, коричневые Диффузоры и черные аутов и низкая надежность поставок как правило , увеличивают затраты клиентов, которые , возможно , придется инвестировать в источник бесперебойного питания или резервного генераторанаборы для обеспечения питания, когда электросеть недоступна или непригодна 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 чувствительных объектах, чтобы гарантировать, что электричество будет доступно даже в случае отключения электроэнергии или отключения электроэнергии.

На качество электроэнергии также могут влиять искажения формы волны тока или напряжения в виде гармоник основной частоты (питающей) или негармонические (интер) модуляционные искажения, например, вызванные помехами RFI или EMI . Напротив, гармонические искажения обычно вызываются условиями нагрузки или генератора. При многофазном питании могут возникать искажения фазового сдвига, вызванные несбалансированными нагрузками.

См. Также [ править ]

• Счетчик энергии

Ссылки [ править ]