Распределение электроэнергии
Распределение электроэнергии является завершающим этапом поставки электроэнергии . Электроэнергия передается от системы передачи к отдельным потребителям. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего напряжения в диапазоне от 2 с до 33 кВ помощью трансформаторов . [1] Первичные распределительные линии передают эту мощность среднего напряжения к распределительным трансформаторам, расположенным рядом с помещениями потребителя. Распределительные трансформаторы снова понижают напряжение до рабочего напряжения, используемого освещением, промышленным оборудованием и бытовой техникой. Часто несколько потребителей питаются от одного трансформатора по вторичным распределительным линиям. Коммерческие и бытовые потребители подключаются к вторичным распределительным линиям через сервисные узлы . Потребители, которым требуется гораздо большее количество электроэнергии, могут быть подключены непосредственно к первичному уровню распределения или к уровню подпередачи . [2]
Переход от передачи к распределению происходит на электроподстанции , которая выполняет следующие функции: [2]
- Автоматические выключатели и переключатели позволяют отключить подстанцию от сети электропередачи или отключить распределительные линии.
- Трансформаторы понижают напряжение передачи 35 кВ и более до напряжения первичной распределительной сети. Это цепи среднего напряжения, 600–35 000 В. обычно [1]
- От трансформатора мощность поступает на шину , которая может распределять мощность распределения по нескольким направлениям. Автобус распределяет электроэнергию по распределительным линиям, которые разветвляются к потребителям.
Распространение в городе осуществляется в основном под землей, иногда в общих инженерных сетях . Распределение в сельской местности в основном осуществляется над землей с опорами для электропередач , а распределение в пригородах представляет собой смесь. [1] Ближе к потребителю распределительный трансформатор понижает мощность первичного распределения до вторичной цепи низкого напряжения, обычно 120/240 В в США для бытовых потребителей. Электроэнергия поступает к потребителю через распределительную сеть и счетчик электроэнергии . Конечный контур в городской системе может быть менее 15 метров (50 футов), но может превышать 91 метр (300 футов) для сельского потребителя. [1]
История
[ редактировать ]Распределение электроэнергии стало необходимым только в 1880-х годах, когда электроэнергия стала вырабатываться 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, очень высокого напряжения (около 3000 В) работающее на переменном (AC) или постоянном токе (DC) , а также освещение накаливания, работающее на низком токе. -напряжение (100 В) постоянного тока. [3] Оба заменили системы газового освещения : дуговое освещение заменило освещение больших площадей и улиц, а освещение накаливания заменило газовое освещение для деловых и бытовых пользователей.
Высокое напряжение, используемое в дуговом освещении, позволило одной электростанции обеспечить питание цепочки фонарей длиной до 7 миль (11 км). [4] И каждое удвоение напряжения позволит данному кабелю передавать то же количество энергии в четыре раза на расстояние, чем при более низком напряжении (с теми же потерями мощности). Напротив, внутренние системы освещения постоянным током с лампами накаливания, такие как первая электростанция Эдисона , установленная в 1882 году, с трудом снабжали потребителей на расстоянии более мили, поскольку они использовали низкое напряжение (110 В) от генерации до конечного использования. Низкое напряжение привело к более высокому току, и для передачи потребовались толстые медные кабели. На практике электростанции постоянного тока Эдисона должны были располагаться в пределах 1,5 миль (2,4 км) от самого дальнего потребителя, чтобы избежать еще более толстых и дорогих проводников.
Знакомство с трансформатором
[ редактировать ]Проблема передачи электроэнергии на большие расстояния стала признанным инженерным препятствием на пути распределения электроэнергии, и осветительные компании опробовали множество неудовлетворительных решений. Но в середине 1880-х годов произошел прорыв в разработке функциональных трансформаторов, которые позволили «повышать» мощность переменного тока до гораздо более высокого напряжения для передачи, а затем снижать его до более низкого напряжения вблизи конечного потребителя. По сравнению с постоянным током, переменный ток имел гораздо более низкие затраты на передачу и большую экономию за счет масштаба — крупные электростанции переменного тока были способны снабжать энергией целые города и регионы, что привело к быстрому распространению использования переменного тока.
В США конкуренция между постоянным и переменным током приняла личный оборот в конце 1880-х годов в форме « войны токов », когда Томас Эдисон начал нападать на Джорджа Вестингауза и его разработку первых в США трансформаторных систем переменного тока, подчеркивая гибель людей. вызванных на протяжении многих лет высоковольтными системами переменного тока, и утверждением, что любая система переменного тока по своей сути опасна. [5] Пропагандистская кампания Эдисона была недолгой: в 1892 году его компания перешла на AC.
Переменный ток стал доминирующей формой передачи энергии благодаря инновациям в Европе и США в конструкции электродвигателей , а также разработке инженерных универсальных систем, позволяющих подключать большое количество устаревших систем к крупным сетям переменного тока. [6] [7]
В первой половине 20-го века во многих местах электроэнергетика была вертикально интегрированной , а это 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, а иногда и передачи электроэнергии будут преобразованы в конкурентные рынки.
Генерация и передача
[ редактировать ]Электроэнергия начинается на электростанции, где разность потенциалов может достигать 33 000 вольт. Обычно используется переменный ток. Пользователи больших объемов энергии 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 общественной сети переменного тока или могут иметь свои собственные системы генерации. Высоковольтный постоянный ток может быть полезен для изоляции систем переменного тока или контроля количества передаваемой электроэнергии. Например, у компании Hydro-Québec есть линия постоянного тока, идущая из района залива Джеймс в Бостон . [8]
С электростанции оно поступает на распределительное устройство электростанции, где повышающий трансформатор повышает напряжение до уровня, пригодного для передачи, с 44 кВ до 765 кВ. Попадая в систему передачи, электроэнергия каждой генерирующей станции объединяется с электроэнергией, произведенной в другом месте. Электричество потребляется сразу же после его производства. Он передается с очень высокой скоростью, близкой к скорости света .
Первичное распространение
[ редактировать ]Первичное распределительное напряжение находится в диапазоне от 4 кВ до 35 кВ между фазами (от 2,4 до 20 кВ между фазами и нейтралью). [9] Только крупные потребители питаются непосредственно от распределительного напряжения; 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
[ редактировать ]Распределительные сети делятся на два типа: радиальные и сетевые. [10] Радиальная система устроена как дерево, где у каждого клиента есть один источник поставок. Сетевая система имеет несколько источников снабжения, работающих параллельно. Точечные сети используются для сосредоточенных нагрузок. Радиальные системы обычно используются в сельской или пригородной местности.
Радиальные системы обычно включают в себя аварийные соединения, где систему можно переконфигурировать в случае возникновения проблем, таких как неисправность или плановое техническое обслуживание. Это можно сделать, открывая и закрывая выключатели, чтобы изолировать определенный участок от сети.
На длинных фидерах наблюдается падение напряжения ( коэффициента мощности искажение конденсаторов или стабилизаторов напряжения ), что требует установки .
Реконфигурация путем обмена функциональными связями между элементами системы представляет собой одну из наиболее важных мер, которая может улучшить эксплуатационные характеристики распределительной системы. Проблема оптимизации посредством реконфигурации системы распределения электроэнергии, с точки зрения ее определения, представляет собой историческую единую объективную проблему с ограничениями. С 1975 года, когда Мерлин и Бэк [11] выдвинул идею реконфигурации распределительной системы для снижения потерь активной мощности, и до сих пор многие исследователи предлагают разнообразные методы и алгоритмы для решения проблемы реконфигурации как единой объективной задачи. Некоторые авторы предложили подходы, основанные на оптимальности по Парето (включая потери активной мощности и показатели надежности в качестве целей). Для этой цели использовались различные методы, основанные на искусственном интеллекте: микрогенетические, [12] отраслевая АТС, [13] оптимизация роя частиц [14] недоминируемой сортировки и генетический алгоритм . [15]
Сельские услуги
[ редактировать ]В системах сельской электрификации, как правило, используется более высокое распределительное напряжение из-за больших расстояний, покрываемых распределительными линиями (см. Управление сельской электрификации ). 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 Южной Африке; В Китае распространены напряжения 10, 20 и 35 кВ. [16] Иногда используются другие напряжения.
Сельские службы обычно стараются свести к минимуму количество столбов и проводов. В нем используется более высокое напряжение (чем в городских сетях), что, в свою очередь, позволяет использовать оцинкованную стальную проволоку. Прочная стальная проволока позволяет снизить затраты на широкое расстояние между полюсами. В сельской местности трансформатор на столбе может обслуживать только одного потребителя. В Новой Зеландии , Австралии , Саскачеване, Канаде и Южной Африке однопроводные системы возврата заземления (SWER) используются для электрификации отдаленных сельских районов.
Трехфазное обслуживание обеспечивает электроэнергией крупные сельскохозяйственные объекты, нефтеперекачивающие станции, водоочистные станции или других потребителей с большими нагрузками (трехфазное оборудование).В Северной Америке воздушные распределительные системы могут быть трехфазными, четырехпроводными и с нейтральным проводником. Сельская распределительная система может иметь длинные участки одного фазного и нейтрального проводов. [17] В других странах или в отдаленных сельских районах нейтральный провод подключается к земле, чтобы использовать его в качестве возврата (однопроводный возврат заземления).
Вторичное распространение
[ редактировать ]Электричество подается с частотой 50 или 60 Гц, в зависимости от региона. Внутренним потребителям она поставляется в виде однофазной электроэнергии . В некоторых странах, например в Европе, трехфазное электроснабжение может быть доступно для более крупных объектов. Если посмотреть на осциллограф , домашний источник питания в Северной Америке будет выглядеть как синусоидальная волна , колеблющаяся между -170 и 170 вольтами, что дает эффективное среднеквадратичное напряжение 120 вольт. [18] Трехфазная электроэнергия более эффективна с точки зрения мощности, подаваемой на каждый используемый кабель, и больше подходит для работы больших электродвигателей. Некоторые крупные европейские приборы могут питаться от трехфазной сети, например электрические плиты и сушилки для одежды.
Заземление . обычно предусмотрено для системы потребителя, а также для оборудования, принадлежащего коммунальному предприятию Целью подключения системы заказчика к земле является ограничение напряжения, которое может возникнуть, если проводники высокого напряжения упадут на проводники низкого напряжения, которые обычно монтируются ниже земли, или если произойдет сбой внутри распределительного трансформатора. Системы заземления могут быть TT, TN-S, TN-CS или TN-C.
Региональные вариации
[ редактировать ]Системы 220–240 Вольт
[ редактировать ]В большинстве стран мира используется однофазное напряжение 50 Гц, 220 или 230 В или трехфазное напряжение 400 В для жилых домов и легкой промышленности. В этой системе первичная распределительная сеть снабжает несколько подстанций на территорию, а мощность 230 В/400 В от каждой подстанции напрямую распределяется конечным потребителям в регионе радиусом обычно менее 1 км. Три провода под напряжением (горячие) и нейтраль подключены к зданию для трехфазного обслуживания. Однофазное распределение с одним проводом под напряжением и нейтралью используется внутри страны, где общая нагрузка невелика. В Европе электроэнергия обычно распределяется для промышленности и бытового использования по трехфазной четырехпроводной системе. Это дает междуфазное напряжение 400 В по схеме «звезда» и однофазное напряжение 230 В между любой фазой и нейтралью. В Великобритании типичная городская или пригородная низковольтная подстанция обычно имеет мощность от 150 кВА до 1 МВА и снабжает электроэнергией целый район из нескольких сотен домов. Трансформаторы обычно рассчитаны на среднюю нагрузку от 1 до 2 кВт на дом, а служебные предохранители и кабели рассчитаны на то, чтобы позволить любому дому потреблять пиковую нагрузку, возможно, в десять раз большую.Для промышленных потребителей, 3-фазный Также доступно напряжение 690/400 В или может генерироваться локально. [19] Крупные промышленные потребители имеют собственный трансформатор(ы) напряжением от 11 кВ до 220 кВ.
Системы 100–120 Вольт
[ редактировать ]система 120/240 В большинстве стран Америки используется переменный ток частотой 60 Гц, двухфазная В внутри страны и трехфазная система для более крупных установок. Трансформаторы в Северной Америке обычно питают дома напряжением 240 В, что аналогично 230 В в Европе. Именно расщепленная фаза позволяет использовать в доме напряжение 120 Вольт.
В электроэнергетическом секторе Японии стандартное напряжение составляет 100 В, при этом используются частоты переменного тока 50 и 60 Гц. В некоторых частях страны используется частота 50 Гц, а в других — 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 в конечном итоге вся страна не была подключена к сети. 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 ). [21]
Большинство бытовой техники рассчитано на работу на любой частоте. Проблема несовместимости привлекла внимание общественности, когда землетрясение и цунами в Тохоку в 2011 году вывели из строя около трети мощностей востока, а власть на западе не могла быть полностью разделена с востоком, поскольку в стране нет общей частоты. [20]
Есть четыре преобразовательные станции высокого напряжения постоянного тока (HVDC), которые передают электроэнергию через границу частот переменного тока Японии. Син Синано — это установка высокого напряжения постоянного тока в Японии , которая образует одну из четырех станций преобразователя частоты , которые соединяют западную и восточную энергосистемы Японии. Остальные три находятся на плотинах Хигаси-Симидзу , Минами-Фукумицу и Сакума . Вместе они могут передавать до 1,2 ГВт электроэнергии на восток или запад. [22]
Системы на 240 В и розетки на 120 В.
[ редактировать ]Большинство современных домов в Северной Америке подключены к питанию 240 В от трансформатора и благодаря использованию разделенной фазы электроэнергии могут иметь розетки как на 120 В, так и на 240 В. Напряжение 120 В обычно используется для освещения и большинства настенных розеток . Цепи на 240 В обычно используются для приборов, требующих высокой тепловой мощности, таких как духовки и обогреватели. Их также можно использовать для питания зарядного устройства электромобиля .
Современные системы дистрибуции
[ редактировать ]Традиционно распределительные системы работали только как простые распределительные линии, где электроэнергия из сетей передачи распределялась между потребителями. Сегодняшние системы распределения тесно интегрированы с производством возобновляемой энергии на уровне распределения энергосистем посредством 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. Балансировка спроса и предложения в этих современных распределительных сетях (иногда называемых микросетями ) чрезвычайно сложна и требует использования различных технологических и эксплуатационных средств для работы. К таким инструментам относятся аккумуляторная электростанция , анализ данных , инструменты оптимизации и т. д.
См. также
[ редактировать ]- Обратная подача
- Стоимость электроэнергии по источникам
- Оператор распределительной сети
- Динамическое восстановление напряжения
- Электроэнергетическая компания
- Электрораспределительные компании по странам
- Производство электроэнергии
- Розничная торговля электроэнергией
- Сетевой защитник
- Воздушная линия электропередачи
- Блок распределения питания
- Автоматизация энергосистемы - стандарт IEEE для соединения устройств телезащиты и мультиплексора энергетических компаний.
- Моделирование энергосистемы
- Оператор системы передачи
- Противопожарные барьеры для высоковольтных трансформаторов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Коротко, Т.А. (2014). Справочник по распределению электроэнергии . Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press. стр. 1–33. ISBN 978-1-4665-9865-2 .
- ^ Jump up to: а б «Как работают электрические сети» . Как все работает . Апрель 2000 года . Проверено 18 марта 2016 г.
- ^ Квентин Р. Скрабец, 100 наиболее значимых событий в американском бизнесе: энциклопедия, ABC-CLIO – 2012, стр. 86
- ^ Берли, Дж. (24 марта 1880 г.). «Заметки о системе электрического освещения Яблочкова» . Журнал Общества инженеров-телеграфистов . IX (32). Институт инженеров-электриков: 143 . Проверено 7 января 2009 г.
- ^ Гаррисон, Уэбб Б. (1983). За заголовками: замыслы, скандалы и авантюры американской истории . Книги Стэкпола. п. 107 . ISBN 9780811708173 .
- ^ Парк Хьюз, Томас (1993). Сети власти: электрификация в западном обществе, 1880–1930 гг . Джу Пресс. стр. 120–121. ISBN 9780801846144 .
- ^ Гаруд, Рагху; Кумарасвами, Арун; Ланглуа, Ришар (2009). Управление в эпоху модульности: архитектуры, сети и организации . Джон Уайли и сыновья. п. 249. ИСБН 9780631233169 .
- ^ «Передача сверхвысокого напряжения | 735 кВ | Гидро-Квебек» . Hydroquebec.com . Проверено 8 марта 2016 г.
- ^ Чаньи, Эдвард (10 августа 2012 г.). «Уровни напряжения первичного распределения» . электротехника-портал.com . ЭЭП — Электротехнический портал . Проверено 9 марта 2017 г.
- ^ Абдельхай А. Саллам и Ом П. Малик (май 2011 г.). Электрические распределительные системы . Издательство Компьютерного общества IEEE. п. 21. ISBN 9780470276822 .
- ^ Мерлин, А.; Бэк, Х. Поиск конфигурации связующего дерева с минимальными потерями в городской системе распределения электроэнергии. В материалах Пятой компьютерной конференции энергетических систем (PSCC) 1975 г., Кембридж, Великобритания, 1–5 сентября 1975 г.; стр. 1–18.
- ^ Мендоса, JE; Лопес, Э.А.; Лопес, Мэн; Коэльо Коэльо, Калифорния (01 сентября 2009 г.). «Микрогенетический многокритериальный алгоритм реконфигурации с учетом потерь мощности и показателей надежности распределительной сети среднего напряжения» . Генерация, передача и распределение IET . 3 (9): 825–840. дои : 10.1049/iet-gtd.2009.0009 . ISSN 1751-8687 .
- ^ Бернардон, Даниэль Пиньейру; Гарсия, Винисиус Жак; Феррейра, Адриана Шеффер Квинтела; Канья, Лусиана Невес (01 марта 2010 г.). «Реконфигурация многокритериальной распределительной сети с учетом анализа подпередачи» . Транзакции IEEE при доставке электроэнергии . 25 (4): 2684–2691. дои : 10.1109/TPWRD.2010.2041013 . ISSN 0885-8977 . S2CID 36322668 .
- ^ Аманулла, Б.; Чакрабарти, Сайкат; Сингх, СН (24 января 2012 г.). «Реконфигурация систем распределения электроэнергии с учетом надежности и потерь мощности» . Транзакции IEEE при доставке электроэнергии . 27 (2): 918–926. дои : 10.1109/TPWRD.2011.2179950 . ISSN 0885-8977 . S2CID 21613514 .
- ^ Томойага, Богдан; Чиндрис, Мирча; Сампер, Андреас; Судрия-Андреу, Антони; Виллафафила-Роблес, Роберто (2013). «Оптимальная по Парето реконфигурация систем распределения электроэнергии с использованием генетического алгоритма на основе NSGA-II» . Энергии . 6 (3): 1439–1455. дои : 10.3390/en6031439 . hdl : 2117/18257 .
- ^ Чан, Ф. «Системы распределения электроэнергии» (PDF) . Электротехника . Проверено 12 марта 2016 г.
- ^ Дональд Г. Финк, Х. Уэйн Битти (редактор), Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание , McGraw Hill, 1978, ISBN 0-07-020974-X , страницы 18-17.
- ^ «Как работают электрические сети» . Как все работает . Апрель 2000 года . Проверено 18 марта 2016 г.
- ^ «Ухабистый путь к дерегуляции энергетики» . EnPowered. 28 марта 2016 г. Архивировано из оригинала 7 апреля 2017 г. Проверено 7 апреля 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Горденкер, Алиса (19 июля 2011 г.). «Несовместимые энергосети Японии» . «Джапан таймс онлайн» . ISSN 0447-5763 . Проверено 12 марта 2016 г.
- ^ «Электричество в Японии» . Japan-Guide.com . Проверено 12 марта 2016 г.
- ^ «Почему фрагментированная энергосистема Японии не справляется» . Spectrum.IEEE.org . 6 апреля 2011 года . Проверено 12 марта 2016 г.
- ^ Фатхабад, AM; Ченг, Дж.; Пан, К.; Цю, Ф. (ноябрь 2020 г.). «Планирование на основе данных для интеграции распределенной генерации возобновляемых источников энергии» . Транзакции IEEE в энергосистемах . 35 (6): 4357–4368. Бибкод : 2020ITPSy..35.4357F . дои : 10.1109/TPWRS.2020.3001235 . ISSN 1558-0679 . S2CID 225734643 .