Распределение электроэнергии

редактировать
Заключительный этап поставки электроэнергии отдельным потребителям в энергосистеме Распределительный трансформатор 50 кВА на опоре

Распределение электроэнергии является завершающим этапом в поставке электроэнергии ; он передает электроэнергию от системы передачи отдельным потребителям. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего напряжения в диапазоне от 2 кВ до 35 кВ с помощью трансформаторов. Первичные распределительные линии передают эту мощность среднего напряжения к распределительным трансформаторам, расположенным рядом с помещениями заказчика. Распределительные трансформаторы снова понижают напряжение до напряжения потребления, которое используется в осветительных приборах, промышленном оборудовании и бытовых приборах. Часто несколько потребителей получают питание от одного трансформатора по вторичным распределительным линиям. Коммерческие и бытовые потребители подключаются к вторичным распределительным линиям через сервисные линии. Потребители, которым требуется гораздо большее количество электроэнергии, могут быть подключены непосредственно к первичному уровню распределения или к уровню субпередачи.

Общая схема электрических сетей. Напряжения и нагрузки типичны для европейской сети.

Переход от передачи к распределению происходит на силовой подстанции, которая выполняет следующие функции:

  • автоматические выключатели и переключатели включают подстанция должна быть отключена от сети передачи или для линий распределения, которые должны быть отключены.
  • Трансформаторы понижают передаваемое напряжение 35 кВ или более до напряжения первичного распределения. Это цепи среднего напряжения, обычно 600–35000 В.
  • От трансформатора мощность поступает на шину, которая может разделить распределительную мощность в нескольких направлениях. Шина распределяет электроэнергию по распределительным линиям, которые разветвляются к потребителям.

Распределение в городах в основном проходит под землей, иногда в общих коммуникационных каналах. Распределение в сельской местности в основном над землей с опорами, а распределение в пригородах - это смесь. Ближе к потребителю распределительный трансформатор понижает мощность первичного распределения до низковольтной вторичной цепи, обычно 120/240 В в США для бытовых потребителей. Электроэнергия поступает к потребителю через сервисную линию и счетчик электроэнергии. Последний контур в городской системе может быть меньше 15 метров (50 футов), но может быть более 91 метра (300 футов) для сельского клиента.

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Введение в трансформатор
  • 2 Производство и передача
  • 3 Первичное распределение
    • 3.1 Конфигурация сети
    • 3.2 Сельские службы
  • 4 Вторичное распределение
    • 4.1 Региональные различия
      • 4.1.1 Системы на 220–240 В
      • 4.1.2 Системы на 100–120 В
      • 4.1.3 Системы на 240 В и розетки на 120 В
  • 5 Современные распределительные системы
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

История

В конце 1870-х и начале 1880-х годов были внедрены дуговые лампы для освещения, используемые на открытом воздухе или в больших внутренних помещениях, такие как эта система Brush Electric Company, установленная в 1880 году в Нью Йорк.

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: дугового освещения, работающего от очень высокого напряжения (около 3000 вольт) переменного тока (AC) или постоянный ток (DC) и лампы накаливания, работающие от постоянного тока низкого напряжения (100 вольт). Оба заменили системы газового освещения , при этом дуговое освещение заняло большую территорию и уличное освещение, а лампы накаливания заменили газовое освещение для бизнеса и жилых помещений.

Из-за высокого напряжения, используемого в дуговом освещении, одна генерирующая станция может снабжать длинную цепочку огней длиной до 7 миль (11 км). Каждое удвоение напряжения позволит кабелю того же размера передавать одинаковое количество энергии, в четыре раза превышающее расстояние для данной потери мощности. Внутренние системы освещения лампами накаливания постоянного тока, например, первая станция Edison Pearl Street, установленная в 1882 году, испытывали трудности с обеспечением потребителей, находящихся 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

Передача электроэнергии на большие расстояния при высоком напряжении с последующим снижением его до более низкого напряжения для освещения стала признанным инженерным препятствием на пути к распределению электроэнергии со многими, не очень удовлетворительными, решения протестированы осветительными компаниями. В середине 1880-х годов произошел прорыв в разработке функциональных трансформаторов, которые позволили «поднять» переменное напряжение до гораздо более высоких напряжений передачи, а затем упасть до более низкого конечного напряжения пользователя. При гораздо более низких затратах на передачу и большей экономии на масштабе, связанной с наличием крупных генерирующих станций, снабжающих электричеством 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 систем трансформаторов переменного тока в США, указывая на все случаи смерти, вызванные системами переменного тока высокого напряжения за эти годы, и заявляя, что любая система переменного тока по своей сути опасна. Пропагандистская кампания Эдисона была недолгой, когда его компания перешла на переменный ток в 1892 году.

Переменный ток стал доминирующей формой передачи энергии благодаря инновациям в Европе и США в конструкции электродвигателя и разработка инженерных универсальных систем, позволяющих подключать большое количество устаревших систем к большим сетям переменного тока.

В первой половине 20-го века во многих местах электроэнергетика была вертикально интегрированная, что означает, 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 рынкам электроэнергии. Система распределения останется регулируемой, но системы генерации, розничной торговли и иногда системы передачи были преобразованы в конкурентные рынки.

Генерация и передача

Упрощенная схема подачи электроэнергии переменного тока от генерирующих станций к потребителям падение услуг.

Электроэнергия начинается на генерирующей станции, где разность потенциалов может достигать 33000 вольт. Обычно используется переменный ток. Пользователи больших объемов электроэнергии постоянного тока, такие как некоторые системы электрификации железных дорог, телефонные станции и промышленные процессы, такие как выплавка алюминия, используют выпрямители для получают постоянный ток от общедоступного источника переменного тока или могут иметь собственные системы генерации. Высоковольтный постоянный ток может быть полезен для изоляции систем переменного тока или управления количеством передаваемой электроэнергии. Например, Hydro-Québec имеет линию постоянного тока, идущую от региона James Bay до Boston.

от генерирующей станции, он идет 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 распределение

Напряжение первичного распределения находится в диапазоне от 4 кВ до 35 кВ между фазами (от 2,4 кВ до 20 кВ между фазой и нейтралью) 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.

Конфигурации сети

Подстанция рядом с Йеллоунайф в Северо-Западных территориях Канады

Распределительные сети делятся на два типа: радиальные и сетевые. 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 перенастроена в случае проблем, таких как неисправность или плановое обслуживание. Это может быть сделано путем размыкания и замыкания переключателей, чтобы изолировать определенный участок от сети.

Длинные фидеры испытывают падение напряжения (коэффициент мощности искажение), требующие установки конденсаторов или установки.

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 Merlin and Back представили идею реконфигурации системы распределения для снижения потерь активной 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 этой цели использовались различные методы, основанные на искусственном интеллекте: микрогенетика, обмен ветвями, оптимизация роя частиц и недоминируемая сортировка генетический алгоритм.

Сельские услуги

Электрификация сельской местности, как правило, используют более высокое распределение напряжения из-за больших расстояний, которые проходят распределительные линии (см. Управление электрификации сельских районов ). Распределение напряжения 7,2, 12,47, 25 и 34,5 кВ является распространенным 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. Иногда используются другие напряжения.

Сельские службы обычно стараются свести к минимуму 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 снизить расходы на широкое расстояние между полюсами. В сельской местности полюсный трансформатор может обслуживать только одного потребителя. В Новой Зеландии, Австралии, Саскачеване, Канаде и Южной Африке, в системах с однопроводным заземлением (SWER) используются для электрификации отдаленных сельских районов.

Трехфазная сеть обеспечивает питание крупных сельскохозяйственных предприятий, нефтеперекачивающих установок, водопроводных станций или других потребителей, имеющих большие нагрузки (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. В других странах или в сельской местности нейтральный провод соединяется с землей, чтобы использовать его в качестве обратного (Однопроводное заземление ). Это называется незаземленной системой звездой.

Вторичное распределение

Мировая карта напряжения и частоты сети

Электроэнергия доставляется с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от региона. Поставляется отечественным потребителям как однофазная электроэнергия. В некоторых странах, например в Европе, трехфазное может быть доступно для более крупных объектов. При просмотре с помощью осциллографа бытовой блок питания в Северной Америке выглядел бы как синусоидальная волна, колеблющаяся в диапазоне от -170 до 170 вольт, давая эффективное напряжение 120 вольт RMS. Трехфазная электроэнергия более эффективна с точки зрения мощности, передаваемой на каждый используемый кабель, и больше подходит для работы больших электродвигателей. Некоторые крупные европейские приборы могут питаться от трехфазного источника питания, например, электрические плиты и сушилки для одежды.

A заземление обычно предусмотрено для системы заказчика, а также для оборудования, принадлежащего коммунальному предприятию. Целью подключения системы заказчика к земле является ограничение напряжения, которое может возникнуть при падении проводов высокого напряжения на проводники низкого напряжения, которые обычно монтируются ниже к земле, или в случае отказа распределительного трансформатора. Системы заземления могут быть TT, TN-S, TN-C-S или TN-C.

Региональные различия

Системы 220–240 В

В большинстве стран мира используется 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 с 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 В звезда для работы и однофазное напряжение 230 В 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. Крупные промышленные заказчики имеют собственный трансформатор (трансформаторы) на входе от 11 кВ до 220 кВ.

Системы 100–120 В

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

Частоты электросети Японии составляют 50 Гц и 60 Гц.

В электроэнергетическом секторе Японии стандартное напряжение составляет 100 В, при этом используются частоты переменного тока 50 и 60 Гц. В некоторых частях страны используется 50 Гц, а в других частях - 60 Гц. Это реликвия 1890-х годов. Некоторые местные поставщики электроэнергии в Токио импортировали немецкое оборудование с частотой 50 Гц, в то время как местные поставщики электроэнергии в Осаке привезли генераторы с частотой 60 Гц из США. Сети росли, пока в конце концов не была подключена вся страна. Сегодня частота составляет 50 Гц в Восточной Японии (включая Токио, Иокогама, Тохоку и Хоккайдо ) и 60 Гц в Западной Японии (включая Нагоя, Осака, Киото, Хиросима, Сикоку и Кюсю ).

Большинство бытовых приборов проблема несовместимости стала известна общественности, когда землетрясение и цунами в Тохоку 2011 г. вырубили около трети мощностей востока, и власть на западе не могла быть полностью разделена с востоком., поскольку в стране нет единой частоты.

Есть четыре высоковольтных преобразователя постоянного тока (HVDC), которые перемещают электроэнергию через границу частоты переменного тока в Японии. Shin Shinano - это , соединенный между собой объект HVDC в Японии, который образует одну из четырех станций смены частоты, соединяющих западную и восточную электросети Японии. остальные трое находятся в Хигаси-Симидзу, Минами-Фу кумицу и плотина Сакума. Вместе они могут перемещать до 1,2 ГВт мощности на восток или запад.

Системы на 240 вольт и розетки на 120 вольт

Большинство современных домов в Северной Америке имеют проводку для получения 240 вольт от трансформатора и через использование двухфазного электрического питания, может 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 распределительные системы

Традиционно распределительные системы работают только как простые распределительные линии, где электричество от сети передачи будут совместно использоваться клиентами. Сегодняшние системы распределения сильно интегрированы с возобновляемыми источниками энергии на уровне распределения энергосистем с помощью ресурсов распределенной генерации, таких как солнечная энергия и энергия ветра. В результате системы распределения с каждым днем ​​становятся все более независимыми от сетей передачи. Уравновесить соотношение спроса и предложения в этих современных распределительных сетях (иногда называемых микросетями ) чрезвычайно сложно, и для работы требуется использование различных технологических и операционных средств. К таким инструментам относятся аккумуляторная электростанция, анализ данных, инструменты оптимизации и т. Д.

См. Также

  • значок Энергетический портал

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы по теме Распределение электроэнергии.
В Викиверситете есть учебные ресурсы о Распределение электроэнергии
Последняя правка сделана 2021-05-18 11:21:32
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте