Сети электроэнергии - Mains electricity

Карта мира, показывающая процент населения в каждой стране, имеющего доступ к электросети (по состоянию на 2017 год), что является показателем степени электрификации .

  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 электрические сети во многих частях мира. Люди используют это электричество для питания предметов повседневного обихода, таких как бытовые приборы, телевизоры и лампы, подключая их к розетке.

Напряжения и частоты электрического питания отличается между регионами. В большинстве стран мира используется напряжение (номинальное) 230 вольт и частота 50 Гц. В Северной Америке наиболее распространена комбинация 120 В и частота 60 Гц. Существуют и другие комбинации, например 230 В при 60 Гц. Переносные электроприборы путешественников могут выйти из строя или быть повреждены иностранными источниками электропитания. Невзаимозаменяемые вилки и розетки в разных регионах обеспечивают некоторую защиту от случайного использования приборов с несовместимыми требованиями к напряжению и частоте.

Терминология

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», «бытовая мощность», «настенная мощность», «линия». power »,« AC power »,« city power »,« street power »и« 120 »(произносится как« один двадцать »).

В Великобритании электрическая сеть обычно называется «сетью». Более половины электроэнергии в Канаде составляет гидроэлектроэнергия , а в некоторых регионах страны электрическая сеть часто упоминается как «гидроэлектроэнергия». Это также отражено в названиях нынешних и исторических монополий на электроэнергию, таких как Hydro-Québec , BC Hydro , Manitoba Hydro , Newfoundland and Labrador Hydro и Hydro One .

Энергетические системы

Список напряжений, частот 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 выражается 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 другое стандартное напряжение или частоту, чем в прилегающих районах. В некоторых городских районах стандарты могут отличаться от стандартов в окружающей сельской местности (например, в Ливии ). Регионы, находящиеся в состоянии анархии, могут не иметь централизованного управления электроэнергией, поскольку электроэнергия обеспечивается несовместимыми частными источниками.

Раньше использовались многие другие комбинации напряжения и частоты электросети , с частотами от 25 до 133 Гц и напряжением от 100 до 250 В. Постоянный ток (DC) был заменен переменным током (AC) в энергосистемах общего пользования, но постоянный ток до конца 20 века использовался особенно в некоторых городских районах. 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. На промышленных предприятиях с трехфазным питанием будут установлены разные, более высокие напряжения для крупного оборудования (и разные розетки и вилки), но общие напряжения, перечисленные здесь, все равно будут использоваться для освещения и переносного оборудования.

Распространенное использование электричества

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

Расчетное потребление электроэнергии в жилищах в США в разбивке по конечным потребителям, за 2016 г.

¹ Включает телевизоры, приставки, домашние кинотеатры, DVD-плееры и игровые приставки.

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

³ Не включает водяное отопление.

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, такие как компьютеры или телевизоры, обычно используют преобразователь переменного тока в постоянный или адаптер переменного тока для питания устройства. Часто он может работать в широком диапазоне напряжений и с обеими обычными частотами питания. Другие приложения переменного тока обычно имеют гораздо более ограниченные диапазоны входных сигналов.

Электропроводка в здании

Переносные приборы используют однофазное питание с двумя или тремя проводными контактами на каждой розетке. Два провода (нейтральный и активный / активный / горячий) проводят ток для работы устройства. Третий провод, который присутствует не всегда, соединяет токопроводящие части корпуса прибора с землей. Это защищает пользователей от поражения электрическим током в случае случайного контакта токоведущих внутренних частей с корпусом.

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.

Небольшое переносное электрическое оборудование подключается к источнику питания с помощью гибких кабелей, оканчивающихся вилкой , которая вставляется в стационарную розетку (розетку). Более крупное бытовое электрооборудование и промышленное оборудование можно постоянно подключать к стационарной электропроводке здания. Например, в домах в Северной Америке автономный кондиционер, установленный на окне, 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, пропускающего большие токи, более высокие напряжения или трехфазную электрическую мощность.

Автоматические выключатели и предохранители используются для обнаружения коротких замыканий между линией и нейтралью или проводами 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 предусматривают 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 - протекания тока в других проводах, кроме нулевого и линейного (например, заземляющего провода или человека). При обнаружении замыкания на землю устройство быстро отключает цепь.

Уровни напряжения

Мировая карта сетевых напряжений и частот, упрощенная до странового уровня

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 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 замены к вилке оборудования по стандарту для конкретной страны. В США и Канаде используется напряжение питания 120 В ± 6%. Япония , Тайвань , Саудовская Аравия , Северная Америка , Центральная Америка и некоторые части северной части Южной Америки используют напряжение от 100 В до 127 В. Однако большинство домашних хозяйств в Японии используют электроэнергию с разделением фаз, например в США, которая может обеспечивать 200 В. за счет одновременного использования обращенной фазы. Бразилия необычна тем, что имеет системы 127 В и 220 В с частотой 60 Гц, а также допускает сменные вилки и розетки. Саудовская Аравия и Мексика имеют системы смешанного 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, но у Мексики нет планов по переходу.

Напряжение измерения

Следует различать напряжение в точке питания (номинальное напряжение в точке соединения между электросетью и пользователем) и номинальное напряжение оборудования (напряжение использования или нагрузки). 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. Напряжения, указанные в этой статье, являются номинальными напряжениями питания, и оборудование, используемое в этих системах, будет иметь несколько более низкое напряжение, указанное на паспортной табличке. Напряжение в системе распределения электроэнергии по своей природе почти синусоидальное. Напряжения выражаются как среднеквадратическое (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 те, которые поставляются в изолированное сообщество, возможно, только с одним генератором.

Выбор напряжения

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 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.

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. Трехфазные системы 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 напряжениями, 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 для специальных систем, 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 2400/4 160 В, тогда как 3300 В является общим стандартом для систем с частотой 50 Гц.

Стандартизация

До 1987 года сетевое напряжение в большей части Европы, включая Германию, Австрию и Швейцарию, использовалось 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}}$

Начиная с 1987 года, был осуществлен поэтапный сдвиг в сторону . С 2009 года напряжение разрешено . 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 тех пор, пока существующие трансформаторы питания не будут заменены. Оборудование (за исключением ламп накаливания ), используемое в этих странах, рассчитано на любое напряжение в указанном диапазоне. В Соединенных Штатах и ​​Канаде национальные стандарты определяют, что номинальное напряжение на источнике должно быть 120 В и допускает 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. ${\ Displaystyle 230 _ {- 23} ^ {+ 13.8} \, \ mathrm {V}}$${\ Displaystyle 230 (\ pm 23) \, \ mathrm {V}}$

В 2000 году Австралия перешла на 230 В в качестве номинального стандарта с допуском +10% / - 6%, 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 языках . В Японии электроснабжение домашних хозяйств составляет 100 и 200 В. Восточная и северная части Хонсю (включая Токио ) и Хоккайдо имеют частоту 50 Гц, тогда как западные Хонсю (включая Нагою, Осаку и Хиросиму), Сикоку и др. Кюсю и Окинава работают на частоте 60 Гц. На границе между двумя регионами расположены четыре подстанции постоянного тока высокого напряжения (HVDC), соединяющие друг с другом подстанции, обеспечивающие подачу электроэнергии между двумя сетевыми системами; это Шин Синано , Дамба Сакума , Минами-Фукумицу и преобразователь частоты Хигаси-Симидзу . Чтобы компенсировать разницу, частотно-чувствительные приборы, продаваемые в Японии, часто можно переключать между двумя частотами.

История

Частотомер сети с вибрирующим язычком 50 Гц ± 5 Гц на 220 В

Первой в мире системой электроснабжения общего пользования была система с приводом от водяного колеса, построенная в небольшом английском городке Годалминг в 1881 году. Это была система переменного тока (AC), в которой использовался генератор переменного тока Siemens, обеспечивающий питание как уличных фонарей, так и потребителей при двух напряжениях 250 В. для дуговых ламп и 40 В для ламп накаливания.

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) на 110 станции В. Холборн Виадук был использован в качестве доказательства концепции для строительство гораздо более крупной станции Перл-Стрит на Манхэттене , первой в мире постоянной коммерческой центральной электростанции. Станция Перл-Стрит также обеспечивала постоянный ток 110 В, считающийся «безопасным» напряжением для потребителей, начиная с 4 сентября 1882 года.

Системы переменного тока начали появляться в США в середине 1880-х годов, в которых использовалось более высокое напряжение распределения, 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 расходах на медь. Последовательно соединив две группы ламп 110 В, большая нагрузка может обслуживаться проводниками того же сечения с напряжением 220 В между ними; нейтральный проводник несет любой дисбаланс тока между двумя подсхемами. Цепи переменного тока приняли ту же форму во время войны токов , позволяя лампам работать при напряжении около 110 В, а основные электроприборы - до 220 В. Номинальное напряжение постепенно увеличивалось до 112 В и 115 В, или даже до 117 В. Во время Второй мировой войны стандартное напряжение в США стало 117 В, но многие регионы отставали даже до 1960-х годов. В 1967 году номинальное напряжение выросло до 120 В, но преобразование приборов происходило медленно. Сегодня практически все американские дома и предприятия имеют доступ к напряжению 120 и 240 В при 60 Гц. Оба напряжения доступны на трех проводах (два «горячих» вывода противофазных и один «нейтральный» вывод).

В 1899 году берлинское электрическое предприятие 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.

В первое десятилетие после введения переменного тока в США (с начала 1880-х годов до примерно 1893 года) 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. Скорость вращения индукционных генераторов и двигателей, КПД трансформаторов и мерцание угольных дуговых ламп - все это играло роль в установке частоты. Примерно в 1893 году Westinghouse Electric Company в США и AEG в 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 составляют Бразилия, которая имеет синхронизированную сеть 60 Гц с напряжением 127 В и 220 В в качестве стандартного напряжения в разных регионах, а также в Японии. , который имеет две частоты : 50 Гц для Восточной Японии и 60 Гц для Западной Японии.

Регулировка напряжения

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 , опять же, автотрансформаторы с переключателями ответвлений под нагрузкой, позволяющими регулировать соотношение 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, наблюдаемого потребителем коммунального предприятия.

Качество электроэнергии

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 пропадания напряжения влияют на чувствительное электронное оборудование, такое как компьютеры и плоские дисплеи . Долгосрочные перебои в подаче электроэнергии, коричневые Диффузоры и черные выходы и низкая надежность поставок как правило , увеличивают затраты клиентов, которые , возможно , придется инвестировать в источнике бесперебойного питания или резервным генератор наборы для подачи питания , когда питание утилиты недоступно или непригодное 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. В многофазном питании могут возникать искажения фазового сдвига, вызванные несбалансированными нагрузками.

Смотрите также

• Счетчик энергии

использованная литература