配電

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50kVAの柱上配電用変圧器

配電は、電力供給最終段階ですそれは送電システムから個々の消費者に電気を運びます。配電用変電所は送電システムに接続し、送電電圧を中電圧に下げます。2kVおよび変圧器を使用して35kV[1] 一次配電線は、この中電圧電力を顧客の敷地の近くにある配電用変圧器に運びます。配電用変圧器は、照明、産業機器、家電製品で使用される利用電圧まで電圧を再び下げます。多くの場合、複数の顧客が1つの変圧器から2次配電線を介して供給されます。商業および住宅の顧客は、サービスドロップを介して二次配電線に接続されていますはるかに大きな電力を必要とする顧客は、一次配電レベルまたは副送電に直接接続される場合がありますレベル。[2]

電気ネットワークの一般的なレイアウト電圧と負荷はヨーロッパのネットワークの典型です。

送電から配電への移行は、以下の機能を備えた変電所で行われます。 [2]

  • 回路ブレーカーとスイッチを使用すると、変電所を送電網から切断したり、配電線を切断したりできます。
  • 変圧器は伝送電圧を下げ、35 kV以上、一次配電電圧まで。これらは中電圧回路で、通常は600〜35000V_  _ [1]
  • 変圧器から、電力はバスバーに送られ、バスバーは配電電力を複数の方向に分割できます。バスは配電線に電力を分配し、配電線は顧客にファンアウトします。

都市の分布は主に地下にあり、時には一般的なユーティリティダクトにあります。地方の配電はほとんど電柱のある地上にあり、郊外の配電は混合です。[1] 顧客の近くでは、配電用変圧器が一次配電電力を低電圧の二次回路に降圧します。米国では、住宅の顧客の場合、通常は120/240Vです。電力は、サービスドロップ電力量計を介して顧客に供給されます。都市システムの最終回路は15メートル(50フィート)未満の場合がありますが、地方の顧客の場合は91メートル(300フィート)を超える場合があります。[1]

歴史

1870年代後半から1880年代初頭にかけて、屋外または1880年にニューヨーク市に設置されたこのBrushElectricCompanyシステムのような広い屋内スペースで使用されるアークランプ照明が導入されました。

配電が必要になったのは、発電所で発電が始まった1880年代になってからです。それ以前は、通常、使用場所で電気が生成されていました。ヨーロッパと米国の都市に設置された最初の配電システムは、照明の供給に使用されました。非常に高い電圧(約3000ボルト)の交流(AC)または直流(DC)で動作するアーク照明、低電圧(100ボルト)直流。[3]どちらもガス灯に取って代わっていましたアーク灯が大面積と街路灯を引き継ぎ、白熱灯がビジネスおよび住宅用照明のガスに取って代わります。

アークランプで使用される高電圧のために、単一の発電所は、最大7マイル(11 km)の長さの回路である長い一連の光を供給することができます。[4]電圧が2倍になるたびに、同じサイズのケーブルが、特定の電力損失に対して4倍の距離で同じ量の電力を伝送できるようになります。直流屋内白熱照明システム、たとえば最初のエジソンパールストリートステーション1882年に設置され、1マイル以上離れた顧客への供給が困難でした。これは、発電機から最終用途まで、システム全体で110ボルトの低電圧システムが使用されていたためです。エジソンDCシステムには太い銅導体ケーブルが必要であり、発電所は、過度に大きくて高価な導体を避けるために、最も遠い顧客から約1.5マイル(2.4 km)以内にある必要がありました。

トランスの紹介

高電圧で長距離送電し、それを照明用の低電圧に下げることは、照明会社によってテストされた多くの、あまり満足のいくものではないソリューションで、配電への認識されたエンジニアリングの障害となりました。1880年代半ばには、AC電圧をはるかに高い伝送電圧に「ステップアップ」してから、より低いエンドユーザー電圧に下げることができる機能的な変圧器の開発で画期的な出来事が見られました。送電コストがはるかに安く、大規模な発電所が都市や地域全体に供給しているという 規模の経済により、ACの使用は急速に広まりました。

米国では、1880年代後半に、トーマス・エジソンがジョージ・ウェスティングハウスと彼の最初の米国AC変圧器システムの開発を攻撃し始めたとき、直流と交流の競争が「電流戦争」の形で個人的に変わりました。何年にもわたって高電圧ACシステムによって引き起こされ、ACシステムを主張することによる死亡は本質的に危険でした。[5]エジソンの宣伝キャンペーンは短命であり、彼の会社は1892年にACに切り替えた。

ACは、電気モーターの設計におけるヨーロッパと米国の革新、および多数のレガシーシステムを大規模なACグリッドに接続できるようにする設計されたユニバーサルシステムの開発により、送電の主要な形態になりました。[6] [7]

20世紀の前半、多くの場所で電力業界垂直統合されました。つまり、1つの会社が発電、送電、配電、計測、請求を行いました。1970年代から1980年代にかけて、各国は規制緩和民営化のプロセスを開始し、電力市場につながりました。配電システムは引き続き規制されますが、発電、小売、場合によっては送電システムは競争の激しい市場に変わりました。

生成と送信

Power stationTransformerElectric power transmissionTransformer
発電所から消費者のサービスドロップへのAC電力供給の簡略図。

電力は発電所から始まり、そこでは電位差が33,000ボルトにもなる可能性があります。通常はACが使用されます。一部の鉄道電化システム電話交換、アルミニウム製錬などの産業プロセスなどの大量のDC電力のユーザーは、整流器を使用して公共のAC電源からDCを取得するか、独自の発電システムを使用する場合があります。 高電圧DCは、交流システムを分離したり、伝送される電気の量を制御したりするのに有利です。たとえば、Hydro-Québecには、ジェームズ湾地域からボストンに向かう直流線があります。[8]

発電所から発電所の開閉所に行き、そこで昇圧変圧器が電圧を送電に適したレベル(44kVから765kV)に上げます。送電システムに入ると、各発電所からの電力は他の場所で生成された電力と結合されます。電気は生産されるとすぐに消費されます。それは光速に近い非常に高速で伝達されます。

一次配布

一次配電電圧の範囲は4kVから35kVの相間(2.4kVから20kVの相間中性)[9]大規模な消費者のみが配電電圧から直接給電されます。ほとんどの電力会社の顧客は変圧器に接続されています。変圧器は、配電電圧を、照明および内部配線システムで使用される低電圧の「使用電圧」、「供給電圧」、または「主電源電圧」に下げます。

ネットワーク構成

カナダのノースウェスト準州にあるイエローナイフ近くの変電所

配電網は、放射状またはネットワークの2つのタイプに分けられます。[10]放射状システムは、各顧客が1つの供給源を持つ木のように配置されます。ネットワークシステムには、並行して動作する複数の供給源があります。スポットネットワークは、集中負荷に使用されます。ラジアルシステムは、一般的に地方または郊外の地域で使用されます。

ラジアルシステムには通常、障害や計画的なメンテナンスなどの問題が発生した場合にシステムを再構成できる緊急接続が含まれます。これは、スイッチを開閉して特定のセクションをグリッドから分離することで実行できます。

長いフィーダーでは電圧降下力率歪み)が発生し、コンデンサーまたは電圧レギュレーターを取り付ける必要があります。

システムの要素間で機能リンクを交換することによる再構成は、配電システムの運用パフォーマンスを向上させることができる最も重要な手段の1つです。配電システムの再構成による最適化の問題は、その定義の観点から、制約のある歴史的な単一目的の問題です。1975年以来、マーリンとバック[11] アクティブな電力損失を削減するための配電システムの再構成のアイデアを紹介しました。今日まで、多くの研究者が再構成の問題を単一の客観的な問題として解決するためのさまざまな方法とアルゴリズムを提案してきました。一部の著者は、パレート最適性に基づくアプローチを提案しています(目標として有効電力損失と信頼性指標を含む)。この目的のために、さまざまな人工知能ベースの方法が使用されてきました:マイクロジェネティック、[12]ブランチ交換、[13]粒子群最適化[14] 、および非優勢ソート遺伝的アルゴリズム[15]

地方サービス

カリフォルニア州ビュート郡の田舎にある高圧電柱

地方電化システムは、配電線がカバーする距離が長いため、より高い配電電圧を使用する傾向があります(地方電化管理を参照)。7.2、12.47、25、および34.5 kVの分布は、米国では一般的です。11kVと33kVは、英国、オーストラリア、ニュージーランドで一般的です。南アフリカでは11kVと22kVが一般的です。中国では10、20、35kVが一般的です。[16]他の電圧が時々使用されます。

地方のサービスは通常、ポールとワイヤーの数を最小限に抑えようとします。それは(都市分布よりも)より高い電圧を使用し、それは次に亜鉛メッキ鋼線の使用を可能にします。強力な鋼線により、より安価な広い極間隔が可能になります。地方では、ポールマウント変圧器は1人の顧客にしかサービスを提供できません。ニュージーランドオーストラリアサスカチュワン、カナダ南アフリカでは単線アースリターンシステム(SWER)を使用して遠隔地の農村地域に電力を供給しています。

三相サービスは、大規模な農業施設、石油ポンプ施設、水生植物、またはその他の負荷の大きい顧客に電力を供給します(三相機器)。北米では、架空配電システムは、中性線を備えた3相、4線式の場合があります。地方配電システムでは、1つの相導体とニュートラルが長時間稼働する場合があります。[17] 他の国や極端な農村地域では、中性線がアースに接続され、それをリターンとして使用します(単線アースリターン)。これは、接地されていないY型システムと呼ばれます。

二次配布

主電源の電圧と周波数の世界地図

地域に応じて、50Hzまたは60Hzの周波数で電力が供給されます。国内のお客様には単相電力としてお届けします。ヨーロッパのように一部の国では、より大きな物件に三相電源が利用できるようになる場合があります。オシロスコープで見ると、北米の国内電源は正弦波のように見え、-170ボルトから170ボルトの間で振動し、120ボルトRMSの実効電圧を与えます。[18] 三相電力は、使用するケーブルごとに供給される電力の点でより効率的であり、大型の電気モーターを実行するのにより適しています。一部のヨーロッパの大型家電製品は、電気ストーブや衣類乾燥機などの三相電源で駆動される場合があります。

アース接続は通常、顧客のシステムとユーティリティが所有する機器に提供されます。お客様のシステムをアースに接続する目的は、高電圧導体が通常はアースの下に取り付けられている低電圧導体に落ちた場合、または配電用変圧器内で障害が発生した場合に発生する可能性のある電圧を制限することです。接地システムは、TT、TN-S、TN-CS、またはTN-Cにすることができます。

地域のバリエーション

220〜240ボルトシステム

世界のほとんどは、住宅および軽工業サービスに50 Hz220または230V単相、または400V3相を使用しています。このシステムでは、一次配電ネットワークがエリアごとにいくつかの変電所に電力を供給し、各変電所からの230 V / 400 Vの電力は、通常半径1km未満の地域でエンドユーザーに直接配電されます。三相サービスのために、3本の活線(ホット)ワイヤーとニュートラルが建物に接続されています。単相配電、活線1本、ニュートラルは、総負荷が軽い国内で使用されています。ヨーロッパでは、電力は通常、三相4線式システムによって産業用および家庭用に配電されます。これにより、400ボルトの Y型サービスの相間電圧と230ボルトの単相電圧が得られます。任意の1つのフェーズとニュートラルの間。英国では、典型的な都市または郊外の低電圧変電所は、通常150 kVA〜1 MVAの定格であり、数百戸の住宅の近隣全体に電力を供給します。変圧器は通常、1世帯あたり1〜2 kWの平均負荷でサイズ設定され、サービスヒューズとケーブルは、1つのプロパティがおそらくこれの10倍のピーク負荷を引き出せるサイズになっています。産業用のお客様には、3相690/400ボルトも利用可能であるか、ローカルで生成される場合があります。[19] 大規模な産業顧客は、11kVから220kVの入力を持つ独自の変圧器を持っています。

100〜120ボルトシステム

南北アメリカのほとんどは、60 Hz AC、国内では120/240ボルトの単相システム、大規模な設備では3相を使用しています。北米の変圧器は通常、ヨーロッパの230ボルトと同様に、240ボルトで住宅に電力を供給します。家庭で120ボルトを使用できるのは単相3線式です。

日本の商用周波数は50Hz60Hzです。

日本の電力部門では、標準電圧は100 Vで、50Hzと60Hzの両方のAC周波数が使用されています。国の一部は50Hzを使用し、他の部分は60Hzを使用します。[20]これは1890年代の遺物です。東京の一部のローカルプロバイダーは50Hzのドイツの機器を輸入しましたが、大阪のローカルの電力プロバイダーは米国から60Hzの発電機を持ち込みました。グリッドは、最終的に国全体が配線されるまで成長しました。現在、周波数は東日本(東京、 横浜、 東北北海道を含む)で50 Hz、西日本( 名古屋、 大阪、 京都を含む)で60Hzです。、 広島、 四国九州)。[21]

ほとんどの家電製品は、どちらの周波数でも動作するように作られています。2011年の東北地方太平洋沖地震と津波が東部の容量の約3分の1をノックアウトしたとき、非互換性の問題が世間の注目を集めました。また、国が共通の周波数を持たないため、西部の電力を東部と完全に共有できませんでした。[20]

日本のAC周波数境界を越えて電力を移動する4つの高電圧直流(HVDC)コンバータステーションがあります。シナノシンは、日本の西部と東部の電力網を結ぶ4つの周波数変換器ステーションの1つを形成する、日本の連続したHVDC施設です。他の3つは東清水南福光連系所、佐久間ダムにあります。一緒に、それらは東または西に最大1.2GWの電力を移動できます。[22]

240ボルトのシステムと120ボルトのコンセント

最近の北米の住宅のほとんどは、変圧器から240ボルトを受け取るように配線されており、単相3線式電力を使用することで、120ボルトのレセプタクルと240ボルトのレセプタクルの両方を持つことができます。120ボルトは通常、照明やほとんどの壁のコンセントに使用されます。240ボルトの回路は通常、オーブンやヒーターなど、高ワットの熱出力を必要とする機器に使用されます。また、電気自動車の充電器 の供給にも使用できます。

現代の流通システム

従来、配電システムは、送電網からの電力が顧客間で共有される単純な配電線としてのみ動作していました。今日の配電システムは、太陽エネルギー風力エネルギーなどの分散型発電リソースを使用して、電力システムの配電レベルで再生可能エネルギー発電と緊密に統合されています。[23]その結果、配電システムは日々、送電網からの独立性を高めています。これらの最新の配電ネットワーク(マイクログリッドと呼ばれることもあります)での需給関係のバランスをとる)は非常に困難であり、操作するにはさまざまな技術的および操作的手段を使用する必要があります。このようなツールには、蓄電池発電所データ分析、最適化ツールなど が含まれます。

も参照してください

参照

  1. ^ a b c d ショート、TA(2014)。配電ハンドブックボカラトン、フロリダ、米国:CRCプレス。pp。1–33。ISBN 978-1-4665-9865-2
  2. ^ ab 「電力グリッド 仕組み」ハウスタッフワークス2000年4月2016年3月18日取得
  3. ^ クエンティン・R・スクラベック、アメリカのビジネスで最も重要な100のイベント:百科事典、ABC-CLIO – 2012、86ページ
  4. ^ Berly、J.(1880-03-24)。「電気照明のJablochkoffシステムに関する注記」電信技術者協会誌電気工学会。IX(32):143 2009年1月7日取得
  5. ^ ギャリソン、ウェッブB.(1983)。見出しの裏側:アメリカの歴史の計画、スキャンダル、そして逃亡スタックポールブックス。p。 107ISBN 9780811708173
  6. ^ Parke Hughes、Thomas(1993)。権力のネットワーク:西洋社会における電化、1880年から1930年JHUプレス。pp。120–121。
  7. ^ ガルド、ラグ; クマラスワミー、アルン; ラングロワ、リチャード(2009)。モジュール時代の管理:アーキテクチャ、ネットワーク、および組織ジョン・ワイリー&サンズ。p。249。
  8. ^ 「超高電圧送電|735kV|Hydro-Québec」Hydroquebec.com 2016年3月8日取得
  9. ^ Csanyi、Edvard(2012年8月10日)。「一次配電電圧レベル」electric-engineering-portal.comEEP –電気工学ポータル2017年3月9日取得
  10. ^ AbdelhayA.SallamおよびOmP.Malik(2011年5月)。配電システムIEEE ComputerSocietyPress。p。21. ISBN 9780470276822
  11. ^ マーリン、A .; 戻る、H。都市配電システムで最小損失の動作スパニングツリー構成を検索します。1975年9月1〜5日、英国ケンブリッジで開催された1975年第5回電力システムコンピュータ会議(PSCC)の議事録。pp。1–18。
  12. ^ メンドーサ、JE; ロペス、私; コエロ、カリフォルニア; Lopez、EA中電圧配電ネットワークの電力損失と信頼性指標を考慮したMicrogenetic多目的再構成アルゴリズム。IETGener。Transm。配布します。2009、3、825〜840。
  13. ^ Bernardon、DP; ガルシア、VJ; フェレイラ、ASQ; Canha、LNサブトランスミッション分析を考慮した多基準配電ネットワークの再構成。IEEETrans。電力供給。2010、25、2684〜2691。
  14. ^ アマヌラ、B .; Chakrabarti、S .; Singh、SN信頼性と電力損失を考慮した配電システムの再構成。IEEETrans。電力供給。2012、27、918〜926。
  15. ^ Tomoiagă、Bogdan; キンドリシュ、ミルセア; サンパー、アンドレアス; Sudria-Andreu、Antoni; Villafafila-Robles、Roberto(2013)。「NSGA-IIに基づく遺伝的アルゴリズムを使用した配電システムのパレート最適再構成」エネルギー6(3):1439–1455。土井10.3390/en6031439
  16. ^ Chan、F. 「配電システム」(PDF)電気工学2016年3月12日取得
  17. ^ Donald G. Fink、H。Wayne Beatty(ed)、 Standard Handbook for Electrical Engineers、第11版、McGraw Hill、1978年、 ISBN 0-07-020974-X、18〜17ページ 
  18. ^ 「電力グリッドのしくみ」ハウスタッフワークス2000年4月2016年3月18日取得
  19. ^ 「エネルギー規制緩和へのでこぼこの道」エンパワード。2016-03-28。
  20. ^ a b ゴーデンカー、アリス(2011-07-19)。「日本の互換性のない電力網」ジャパンタイムズオンラインISSN0447-5763 _ 2016年3月12日取得 
  21. ^ 「日本の電気」Japan-Guide.com 2016年3月12日取得
  22. ^ 「なぜ日本の断片化されたグリッドは対処できないのか」Spectrum.IEEE.org 2016年3月12日取得
  23. ^ Fathabad、AM; チェン、J .; パン、K .; Qiu、F.(2020年11月)。「再生可能分散型電源統合のためのデータ駆動型計画」電力システムでのIEEEトランザクション35(6):4357–4368。Bibcode2020ITPSy..35.4357F土井10.1109/TPWRS.2020.3001235ISSN1558-0679_ S2CID225734643_  

外部リンク