Сущность распределения электроэнергии

Привет, Вы узнаете о том , что такое распределение электроэнергии, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое распределение электроэнергии , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Теоретические основы электротехники.

распределение электроэнергии — это заключительный этап доставки 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 кВ и33 кВ с использованием трансформаторов . Первичные распределительные линии передают это средневольтное напряжение к распределительным трансформаторам, расположенным вблизи помещений потребителей. Распределительные трансформаторы, в свою очередь, понижают напряжение до напряжения, используемого для освещения, промышленного оборудования и бытовой техники. Часто несколько потребителей получают электроэнергию от одного трансформатора через вторичные распределительные линии. Коммерческие и бытовые потребители подключаются к вторичным распределительным линиям через ответвления . Потребители, нуждающиеся в гораздо большем количестве электроэнергии, могут быть подключены непосредственно к первичному распределительному уровню или к уровню подстанции .

Общая схема электросетей . Напряжения и нагрузки типичны для европейских сетей (например, в Канаде под сверхвысоким напряжением может подразумеваться 735 кВ).

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

• Автоматические выключатели и переключатели позволяют отключать подстанцию ​​от сети электропередачи или отключать распределительные линии.
• Трансформаторы понижают напряжение в линиях электропередачи.35 кВ и более, вплоть до первичного распределительного напряжения. Это, как правило, цепи среднего напряжения.600–35 000 В. ​
• От трансформатора питание поступает на шину , которая может разделять распределительную мощность в нескольких направлениях. Шина распределяет электроэнергию по распределительным линиям, которые разветвляются к потребителям.

В городах распределение электроэнергии осуществляется преимущественно под землей, иногда в общих кабельных каналах . В сельской местности распределение в основном осуществляется над землей с помощью опор линий электропередачи , а в пригородах – смешанный вариант. Ближе к потребителю распределительный трансформатор понижает напряжение первичной распределительной сети до низковольтной вторичной цепи, обычно 120/240 В в США для бытовых потребителей. Электроэнергия поступает к потребителю через вводной кабель и электросчетчик . Длина конечной цепи в городской системе может составлять менее 15 метров (50 футов), но для сельского потребителя она может превышать 91 метр (300 футов).

В конце 1870-х и начале 1880-х годов было внедрено дуговое освещение, используемое на открытом воздухе или в больших закрытых помещениях, например, система компании Brush Electric Company, установленная в 1880 году в Нью-Йорке .

Необходимость в распределении электроэнергии возникла только в 1880-х годах, когда электроэнергия начала вырабатываться на электростанциях . До этого электроэнергия обычно вырабатывалась там, где она использовалась. Первые системы распределения электроэнергии, установленные в городах Европы и США, использовались для освещения: дуговые лампы, работающие на переменном токе (AC) или постоянном токе (DC) очень высокого напряжения (около 3000 В) , и лампы накаливания, работающие на постоянном токе низкого напряжения (100 В). ^[Обе системы вытесняли газовые системы освещения: дуговые лампы стали использоваться для освещения больших площадей и улиц, а лампы накаливания заменили газовые лампы для коммерческих и жилых помещений.

Высокое напряжение, используемое в дуговом освещении, позволяло одной электростанции обеспечивать электроэнергией гирлянду ламп длиной до 7 миль (11 км). И каждое удвоение напряжения позволяло данному кабелю передавать то же количество энергии на расстояние в четыре раза больше, чем при более низком напряжении (с теми же потерями мощности). Напротив, системы внутреннего освещения постоянным током с лампами накаливания, такие как первая электростанция Эдисона , установленная в 1882 году, испытывали трудности с обеспечением электроэнергией потребителей на расстоянии более мили, поскольку они использовали низкое напряжение (110 В) от источника до конечного потребителя. Низкое напряжение приводило к большему току и требовало толстых медных кабелей для передачи. На практике электростанции постоянного тока Эдисона должны были располагаться на расстоянии около 1,5 мили (2,4 км) от самого дальнего потребителя, чтобы избежать использования еще более толстых и дорогих проводников.

Проблема передачи электроэнергии на большие расстояния стала признанным инженерным препятствием на пути развития электроэнергетического сектора, и многие компании, занимающиеся освещением, тестировали неудовлетворительные решения. Однако в середине 1880-х годов произошел прорыв с разработкой функциональных трансформаторов, которые позволили «повышать» напряжение переменного тока до гораздо более высокого уровня для передачи, а затем понижать его до более низкого уровня 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 могли обеспечивать электроэнергией целые города и регионы, что привело к быстрому распространению использования переменного тока.

В США конкуренция между постоянным и переменным током в конце 1880-х годов приобрела личный характер в форме « войны токов », когда Томас Эдисон начал критиковать Джорджа Вестингауза и его разработку первых американских систем трансформаторов переменного тока, подчеркивая смертельные случаи, вызванные высоковольтными системами переменного тока за эти годы, и утверждая, что любая система переменного тока по своей природе опасна. Пропагандистская кампания Эдисона была недолгой, и его компания перешла на переменный ток в 1892 году.

Переменный ток стал доминирующей формой передачи энергии благодаря инновациям в Европе и США в конструкции электродвигателей и разработке универсальных инженерных систем , позволяющих подключать большое количество устаревших систем к крупным сетям переменного тока

В первой половине XX века во многих странах электроэнергетическая отрасль была вертикально интегрирована , то есть одна компания занималась генерацией, передачей, распределением, учетом и выставлением счетов. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Начиная с 1970-х и 1980-х годов, страны начали процесс дерегулирования и приватизации , что привело к созданию рынков электроэнергии . Система распределения оставалась регулируемой, но системы генерации, розничной торговли, а иногда и передачи электроэнергии были преобразованы в конкурентные рынки.

Упрощенная схема подачи переменного тока от электростанций к точкам подключения потребителей .

Электроэнергия поступает с электростанции, где разность потенциалов может достигать 33 000 вольт. Обычно используется переменный ток. Пользователи больших объемов постоянного тока, такие как некоторые системы электрификации железных дорог , телефонные станции и промышленные процессы, например, выплавка алюминия , используют выпрямители для получения постоянного тока из общественной сети переменного тока или могут иметь собственные системы генерации. Высоковольтный постоянный ток может быть выгоден для изоляции систем переменного тока или контроля количества передаваемой электроэнергии. Например, у Hydro-Québec есть линия постоянного тока, которая идет от района залива Джеймс до Бостона .

С электростанции электричество поступает на подстанцию, где повышающий трансформатор увеличивает напряжение до уровня, пригодного для передачи, с 44 кВ до 765 кВ. В системе передачи электроэнергия от каждой электростанции объединяется с электроэнергией, произведенной в другом месте. Для генераторов переменного тока все генерирующие установки, подключенные к общей сети, должны быть синхронизированы и работать на одной частоте с небольшим допуском. В качестве альтернативы, разрозненные источники могут быть объединены для обслуживания общей нагрузки, если используется внешний преобразователь мощности, например, вращающаяся машина или система преобразователя постоянного тока . Электроэнергия потребляется сразу после производства. Она передается с очень высокой скоростью, близкой к скорости света .

Первичные распределительные напряжения варьируются от 4 кВ до 35 кВ между фазами (от 2,4 кВ до 20 кВ между фазой и нейтралью) . Только крупные потребители питаются непосредственно от распределительных напряжений; большинство потребителей энергосистемы подключены к трансформатору, который понижает распределительное напряжение до низкого напряжения «напряжения использования», «напряжения питания» или «напряжения сети», используемого системами освещения и внутренней проводки.

Подстанция недалеко от Йеллоунайфа , на Северо-Западных территориях, Канада.

Распределительные сети делятся на два типа: радиальные системы и сетевые сети. Радиальная система имеет древовидную структуру, где каждый потребитель имеет один источник питания. Сетевая система имеет несколько источников питания, работающих параллельно. Точечные сети используются для концентрированных нагрузок. Радиальные системы обычно используются в сельской или пригородной местности.

Радиальные системы обычно включают аварийные соединения, позволяющие перенастроить систему в случае возникновения проблем, таких как неисправность или плановое техническое обслуживание. Это можно сделать путем открытия и закрытия выключателей для изоляции определенного участка от сети.

В длинных фидерах происходит падение напряжения ( искажение коэффициента мощности ), что требует установки конденсаторов или стабилизаторов напряжения .

Реконфигурация, путем обмена функциональными связями между элементами системы, представляет собой одну из важнейших мер, способных улучшить эксплуатационные характеристики распределительной системы. Задача оптимизации посредством реконфигурации системы распределения электроэнергии, по определению, является исторической задачей с одной целевой функцией и ограничениями. С 1975 года, когда Мерлин и Бэк предложили идею реконфигурации распределительной системы для снижения потерь активной мощности, и до настоящего времени многие исследователи предложили различные методы и алгоритмы для решения задачи реконфигурации как задачи с одной целевой функцией. Некоторые авторы предложили подходы, основанные на Парето-оптимальности (включая потери активной мощности и показатели надежности в качестве целевых функций). Для этой цели использовались различные методы, основанные на искусственном интеллекте: микрогенетика , обмен ветвями ^, оптимизация роя частиц и генетический алгоритм недоминирующей сортировки .

Опора высоковольтной линии электропередачи в сельской местности округа Бьютт, штат Калифорния.

В системах электрификации сельских районов обычно используются более высокие распределительные напряжения из-за большей протяженности линий электропередачи (см. Администрация по электрификации сельских районов ). В США распространены распределительные сети с напряжением 7,2, 12,47, 25 и 34,5 кВ; в Великобритании, Австралии и Новой Зеландии распространены сети с напряжением 11 кВ и 33 кВ; в Южной Африке распространены сети с напряжением 11 кВ и 22 кВ; в Китае распространены сети с напряжением 10, 20 и 35 кВ. Иногда используются и другие напряжения.

В сельской местности обычно стараются минимизировать количество столбов и проводов. Используется более высокое напряжение (чем в городских распределительных сетях), что, в свою очередь, позволяет использовать оцинкованную стальную проволоку. Прочная стальная проволока обеспечивает более экономичное и широкое расстояние между столбами. В сельской местности трансформатор на столбе может обслуживать только одного потребителя. В Новой Зеландии , Австралии , Саскачеване (Канада ) и Южной Африке для электрификации отдаленных сельских районов используются однопроводные системы заземления ( SWER).

Трехфазное электроснабжение обеспечивает электроэнергией крупные сельскохозяйственные предприятия, нефтеперерабатывающие заводы, водоочистные сооружения или других потребителей с большими нагрузками (трехфазное оборудование). В Северной Америке воздушные распределительные сети могут быть трехфазными, четырехпроводными, с нейтральным проводником. В сельских распределительных системах могут быть длинные участки с одним фазным проводником и нейтралью. В других странах или в отдаленных сельских районах нейтральный проводник подключается к земле, чтобы использовать его в качестве обратного провода (однопроводной заземляющий провод).

Карта мира по напряжению и частоте электросетей.

Электроэнергия подается с частотой 50 или 60 Гц в зависимости от региона. Бытовым потребителям она подается в виде однофазного электропитания . В некоторых странах, например, в Европе, для больших домов может быть доступно трехфазное электроснабжение. На осциллографе бытовое электроснабжение в Северной Америке будет выглядеть как синусоида , колеблющаяся между −170 вольт и 170 вольтами, что дает эффективное напряжение 120 вольт RMS. ^[ Трехфазное электропитание более эффективно с точки зрения мощности, передаваемой на используемый кабель, и лучше подходит для работы больших электродвигателей. Некоторые крупные европейские приборы могут питаться от трехфазного питания, например, электрические плиты и сушилки для белья.

Заземление обычно предусмотрено как для системы потребителя, так и для оборудования, принадлежащего энергокомпании. Цель заземления системы потребителя — ограничение напряжения, которое может возникнуть, если высоковольтные проводники упадут на низковольтные проводники, которые обычно проложены ниже уровня земли, или если произойдет сбой в распределительном трансформаторе. Системы заземления могут быть типа TT, TN-S, TN-CS или TN-C.

В большинстве стран мира для бытового и легкого промышленного электроснабжения используется однофазное напряжение 50 Гц 220 или 230 В, или трехфазное напряжение 380 или 400 В. В этой системе основная распределительная сеть обеспечивает электроснабжение нескольких подстанций в каждом районе, а электроэнергия 230/400 В с каждой подстанции напрямую распределяется конечным потребителям в радиусе обычно менее 1 км. К зданию подключаются три фазных (горячих) провода и нейтраль для трехфазного электроснабжения. Однофазное распределение с одним фазным проводом и нейтралью используется в быту, где общая нагрузка невелика. В Европе электроэнергия для промышленного и бытового потребления обычно распределяется по трехфазной четырехпроводной системе. Это обеспечивает межфазное напряжение 400 вольт в системе «звезда» и однофазное напряжение 230 вольт между любой фазой и нейтралью. В Великобритании типичная городская или пригородная низковольтная подстанция обычно имеет мощность от 150 кВА до 1 МВА и обеспечивает электроэнергией целый район из нескольких сотен домов. Трансформаторы обычно рассчитаны на среднюю нагрузку от 1 до 2 кВт на домохозяйство, а предохранительные устройства и кабель рассчитаны таким образом, чтобы любое отдельное здание могло потреблять пиковую нагрузку, возможно, в десять раз превышающую эту. Для промышленных потребителей также доступно трехфазное напряжение 400/690 вольт или оно может генерироваться локально. Крупные коммерческие и промышленные потребители имеют собственные распределительные трансформаторы с входным напряжением от 11 кВ до 33 кВ. Некоторые потребители с высоким потреблением электроэнергии получают электроэнергию из сети передачи от 110 кВ до 220 кВ.

В большинстве стран Америки используется переменный ток частотой 60 Гц, внутри страны применяется двухфазная система 120/240 вольт, а для более крупных установок — трехфазная. Североамериканские трансформаторы обычно питают дома напряжением 240 вольт, что аналогично европейским 230 вольтам. Именно двухфазная система позволяет использовать напряжение 120 вольт в доме.

В Японии используются частоты 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 — 60 Гц. Это пережиток 1890-х годов. Некоторые местные поставщики электроэнергии в Токио импортировали немецкое оборудование на 50 Гц, в то время как местные поставщики электроэнергии в Осаке привезли генераторы на 60 Гц из США. Электросети 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 ).

Большинство бытовых приборов рассчитаны на работу на любой из частот. Проблема несовместимости привлекла внимание общественности после землетрясения и цунами в Тохоку в 2011 году, которые вывели из строя около трети электросетей на востоке страны, и электроэнергия на западе не могла быть полностью распределена между странами востока, поскольку в стране нет общей частоты.

В Японии есть четыре высоковольтные преобразовательные подстанции постоянного тока (ВНП), которые передают электроэнергию через границу частот переменного тока. Син Синано — это расположенная в Японии подстанция ВНП постоянного тока , которая является одной из четырех подстанций переключения частоты , связывающих западную и восточную энергосистемы Японии. Три другие находятся в Хигаси-Симидзу , Минами-Фукумицу и на плотине Сакума . Вместе они могут передавать до 1,2 ГВт электроэнергии на восток или запад.

В большинстве современных домов Северной Америки электропроводка рассчитана на 240 вольт от трансформатора, и благодаря использованию двухфазного электропитания можно иметь как розетки на 120 вольт, так и на 240 вольт. 120 вольт обычно используются для освещения и большинства настенных розеток . Цепи на 240 вольт обычно используются для приборов, требующих высокой мощности, таких как духовки и обогреватели. Они также могут использоваться для питания зарядного устройства для электромобиля .

Традиционно распределительные системы работали только как простые распределительные линии, где электроэнергия из передающих сетей распределялась между потребителями. Сегодня распределительные системы в значительной степени интегрированы с возобновляемыми источниками энергии на уровне распределения энергосистем посредством распределенных источников генерации , таких как солнечная и ветровая энергия . В результате распределительные системы с каждым днем ​​становятся все более независимыми от передающих сетей. Балансировка соотношения спроса и предложения в этих современных распределительных сетях (иногда называемых микросетями ) является чрезвычайно сложной задачей и требует использования различных технологических и операционных средств. К таким инструментам относятся аккумуляторные электростанции , анализ данных , инструменты оптимизации и т. д.

Исследование, описанное в статье про распределение электроэнергии, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое распределение электроэнергии и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Теоретические основы электротехники