Кіріспе

Тұрмыстық электр энергиясы немесе коммуналдық электр қуаты, желілік қуат, үйге берілетін қуат және розеткадағы қуат, ал Канаданың кейбір аймақтарында – гидроэнергия, жалпы мақсаттағы айнымалы ток (AC) электр қуаты болып табылады. Бұл электр энергиясының түрі әлемнің көптеген елдерінде электр желісі арқылы үйлерге және кәсіпорындарға жеткізіледі. Адамдар осы электр қуатын күнделікті қолданылатын заттарды (мысалы, үй шаруалық техникаларын, теледидарларды және шамдарды) розеткаға қосып пайдаланады. Электр қуатының кернеуі мен жиілігі аймақтар бойынша өзгеше болады. Әлемнің көп бөлігінде 230 вольт (шамамен) кернеу және 50 Гц жиілік қолданылады. Солтүстік Америкада ең көп таралған комбинация – 120 В және 60 Гц жиілік. Басқа да комбинациялар бар, мысалы, 230 В 60 Гц. Саяхатшылардың портативті құрылғылары шетелдік электрмен жабдықтаудан жұмыс істемей немесе зақымдануы мүмкін. Әр түрлі аймақтардағы алмастырылмайтын штепсельдер мен розеткалар кернеу мен жиілік талаптарына сәйкес келмейтін құрылғыларды қате пайдаланудан қорғауды қамтамасыз етеді.

Терминология

АҚШ-та желілік электр қуаты "пайдалы қуат", "тұрмыстық қуат", "тұрмыстық электр энергиясы", "үй тогы", "электр желісі", "үйдегі қуат", "қабырға қуаты", "желілік қуат", "қабырға тогы", "айнымалы ток", "қалалық қуат", "көше қуаты" және "120 (бір жиырма)" сияқты бірнеше атаумен аталады. Ұлыбританияда желілік электр қуаты көбінесе "желі" деп аталады. Канададағы электр қуатының жартысынан астамы су электр қуаты болып табылады, ал желілік электр қуаты елдің кейбір аймақтарында "су" деп аталады. Бұл Hydro Québec, BC Hydro, Manitoba Hydro, Hydro One және Newfoundland and Labrador Hydro сияқты қазіргі және тарихи электрмен жабдықтаушы компаниялардың аттарында да көрінеді.

Ғимараттың электр желілері

Портативті құрылғылар бір фазалы электр қуатын пайдаланады, әрбір розеткада екі немесе үш сымды контактілер болады. Екі сым (нейтраль және тірі/белсенді/қызыл) құрылғыны жұмыс істету үшін ток өткізеді. Үшінші сым, әрдайым бола бермейді, құрылғы корпусының өткізгіш бөліктерін жерге қосады. Бұл пайдаланушыларды электр тогынан қорғайды, егер құрылғының ішкі бөліктері корпусына кездейсоқ тисе. Солтүстік және Орталық Еуропада тұрғын үйлерге электр қуаты көбінесе 400 В үш фазалы электр қуатымен жабдықталады, бұл кез келген бір фаза мен нейтраль арасында 230 В береді; үйдің сымдары үш фазалы және бір фазалы тізбектердің араласуы болуы мүмкін, бірақ Ұлыбританияда үш фазалы тұрғын үйлерде пайдалану сирек. Ас үй плиталары, су жылытқыштары және ағаш кесу станоктары сияқты қуатты тұрмыстық құралдар 400 В үш фазалы электр қуатымен жабдықталуы мүмкін. Кішкентай портативті электр жабдықтары иілгіш кабельдер арқылы қуат көзіне қосылады, кабельдердің ұштары розеткаға (контейнерге) енгізілетін плагинде бітеді. Үлкен тұрмыстық және өнеркәсіптік жабдықтар ғимараттың тұрақты сымдарына тікелей қосылуы мүмкін. Мысалы, Солтүстік Америкадағы үйлерде терезеге орнатылған жеке кондиционер розеткаға қосылады, ал үйдің барлық бөлімін қамтитын орталық кондиционер тікелей сыммен қосылады. Үлкен ток күшіне, жоғары кернеуге немесе үш фазалы электр қуатына арналған өнеркәсіптік жабдықтар үшін үлкен плагиндік-розеткалық комбинациялар қолданылады. Автоматтық қосқыштар мен сақтандырғыштар сымдардың көтере алатын тоқтан артық ток (ауыртпалықтан қорғау) жүргенде немесе желілік және нейтральді немесе жер сымдары арасында қысқа тұйықталуды анықтау үшін қолданылады, осылайша қызып кету мен өрттің алдын алуға болады. Бұл қорғаныс құрылғылары әдетте ғимараттағы орталық панельге, көбінесе бөлу тақтасына немесе тұтынушы блогына орнатылады, бірақ кейбір сымдық жүйелерде розеткада немесе плагинде де қорғаныс құрылғысы қарастырылған. Қалдық ток құрылғылары, сондай-ақ жерге ақаулық схемалық ажыратқыштары және құрылғылардың тоқ ағып кетуіне арналған ажыратқыштар деп те аталады, жерге ақаулықты анықтау үшін қолданылады – нейтральді және желілік сымдардан басқа сымдар арқылы (мысалы, жер сымы немесе адам) ток ағуы. Жерге ақаулық анықталғанда, құрылғы тізбекті жылдам түрде ажыратады.

Кернеу деңгейлері

Әлем халқының көп бөлігі (Еуропа, Африка, Азия, Австралия, Жаңа Зеландия және Оңтүстік Американың көп бөлігі) 230 В кернеуінің 6% шегіндегі қуат көзін пайдаланады. Ұлыбританияда номиналды кернеу 230 В +10%/−6% құрайды, себебі көптеген трансформаторлар әлі де 240 В-қа орнатылған. 230 В стандарты кеңінен таралғандықтан, 230 В жабдығын адаптер көмегімен немесе жабдықтың айырбасын тиісті ел стандартына сәйкес ауыстыру арқылы әлемнің көп бөлігінде қолдануға болады. АҚШ және Канада 120 вольт ± 6% кернеуін пайдаланады. Жапония, Тайвань, Сауд Арабиясы, Солтүстік Америка, Орталық Америка және Оңтүстік Американың кейбір аймақтарында 100 В мен 127 В аралығындағы кернеу қолданылады. Дегенмен, Жапониядағы көптеген үй шаруашылықтары АҚШ-тағыдай екі фазалы электр қуатын пайдаланады, олар бір уақытта кері фазаны қолдану арқылы 200 В қуатты қамтамасыз ете алады. Бразилияда 60 Гц жиілігінде 127 В және 220 В жүйелері бар, сондай-ақ ауыстырылатын айырбалар мен розеткаларға рұқсат етілген. Сауд Арабиясы мен Мексикада аралас кернеу жүйелері бар; екі елде де тұрғын үйлер мен шағын коммерциялық ғимараттарда 127 вольт, ал коммерциялық және өнеркәсіптік мақсаттарда 220 вольт 60 Гц қолданылады. Сауд Арабиясы үкіметі 2010 жылдың тамызында елді толығымен 230/400 вольт 60 Гц жүйесіне көшіру жоспарларын бекітті.

Өлшеуіш кернеу

Электрмен жабдықтау нүктесіндегі кернеуді (электр желісі мен тұтынушы арасындағы қосылу нүктесіндегі номиналды кернеу) және жабдықтың кернеу класын (тұтыну немесе жүктеме кернеуі) ажырату қажет. Әдетте, тұтыну кернеуі жүйелік номиналды кернеуден 3%-5% төмен болады; мысалы, номиналды 208 В желісіне "200 В" көрсетілген моторлар қосылады. Бұл жабдық пен желі арасындағы кернеудің төмендеуін ескереді. Осы мақалада келтірілген кернеулер – номиналды желі кернеулері, ал осы жүйелерде қолданылатын жабдықтарда сәл төмен номиналды кернеу көрсетіледі. Электр тарату жүйесіндегі кернеу дерлік синусоидалық сипатқа ие. Кернеулер орташа квадрат түбір (RMS) кернеуі ретінде беріледі. Кернеутің қабылданатын шамасы тұрақты режимде жұмыс істеуге арналған. Уақытша үлкен жүктемелер немесе электр тарату желісіндегі коммутациялық операциялар толеранттылық шегінен тыс қысқа мерзімді ауытқуларға алып келуі мүмкін, ал дауылдар және басқа да ерекше жағдайлар одан да үлкен уақытша өзгерістерге себеп болуы мүмкін. Жалпы алғанда, көптеген көздері бар үлкен желілерден алынатын қуат көздері, тек бір генератормен жабдықталған оқшауланған елді мекендерге қарағанда тұрақтырақ болады.

Кернеуді таңдау

Тасымалдау кернеуін таңдау электр қуатын тарату жүйесін оңтайландырудан гөрі тарихи себептерге байланысты. Кернеу қолданылып, осы кернеуді пайдаланатын жабдықтар кеңінен таралған кезде кернеуді өзгерту күрт және қымбат шара болып табылады. 230 В тарату жүйесі белгілі бір қуатты жеткізу үшін 120 В жүйесіне қарағанда аз өткізгіш материалды пайдаланады, өйткені ток, демек кедергілік жоғалту төмен болады. Үлкен жылыту құрылғылары бірдей қуат үшін 230 В-та кіші өткізгіштерді пайдалана алса, тұрмыстық техникалардың көпшілігі олар қосылған розетканың толық қуатын пайдаланбайды. Қолда ұсталатын немесе портативті жабдықтар үшін сымның ең кішкентай өлшемі әдетте өткізгіштердің механикалық түзілуімен шектеледі. 120 В-ты (номиналды) пайдаланатын АҚШ сияқты көптеген аймақтар ірі құрылғыларды қуаттандыру үшін үш сымды, бөлінген фазалы 240 В жүйелерін қолданады. Бұл жүйеде 240 В көзінің ортасынан бейтарап сым шығарылып, екі 120 В көзі жасалады, олар екі желілік сымдардың арасына қосылған жүктемелерге 240 В беруге мүмкіндік береді. Үш фазалы жүйелерді әртүрлі жабдықтар кластарында қолдануға қолайлы кернеудің әртүрлі комбинацияларын жасау үшін қосуға болады. Егер бір фазалы және үш фазалы жүктемелер электр жүйесімен қамтамасыз етілсе, жүйе екі кернеумен, мысалы 120/208 немесе 230/400 В, таңбаланады, бұл желілік-бейтарап кернеуін және желілік кернеуін көрсетеді. Үлкен жүктемелер жоғары кернеуге қосылады. 830 вольтқа дейінгі басқа үш фазалы кернеулер кейде мұнай ұңғымалары сияқты арнайы мақсаттағы жүйелерде қолданылады. Үлкен өнеркәсіптік моторлар (мысалы, 250 а.к. немесе 150 кВт-тан астам) орташа кернеуде жұмыс істей алады. 60 Гц жүйелерде орташа кернеулі жабдықтар үшін стандартты кернеу 2400/4160 В, ал 50 Гц жүйелер үшін жалпы стандарт 3300 В болып табылады.

Стандарттау

1987 жылға дейін Еуропаның көптеген аймақтарында, соның ішінде Германияда, Австрияда және Швейцарияда желілік кернеу 220 болды, ал Ұлыбританияда 240 пайдаланылды. ISO IEC 60038:1983 стандарты жаңа стандартты еуропалық кернеуді 230 деп белгіледі. 1987 жылдан бастап 230-ға қарай кезең-кезеңімен ауысу іске асырылды. 2009 жылдан бастап кернеудің 230 болуына рұқсат берілді. Орталық Еуропа немесе Ұлыбритания жүйесі үшін кернеуді өзгерту қажет болған жоқ, себебі 220 В және 240 В екі кернеу де төменгі 230 В толеранттылық шегіне (230 В ± 6%) сәйкес келеді. Әдетте 230 В ± 3% кернеу сақталады. Ұлыбританияның кейбір аймақтарында әлі де 250 вольт бар, бірақ олар да 10% толеранттылық шегіне жатады. Іс жүзінде, бұл елдерге 220 немесе 240 В бірдей кернеуді беруге мүмкіндік берді, кем дегенде, қолданыстағы трансформаторлар ауыстырылғанша. Бұл елдерде қолданылатын жабдықтар (жарық шамдарын қоспағанда) белгіленген диапазондағы кез келген кернеуді қабылдауға арналған. 2000 жылы Австралия +10%/-6% толеранттылықпен 230 В номиналды стандартқа көшті, бұл бұрынғы 240 В стандартын (AS 2926 1987) алмастырды. 2022 жылы AS IEC 60038:2022 стандарты шығуымен толеранттылық ± 10%-ға дейін арттырылды. Тұтынушының орнатылымындағы кернеудің төмендеуіне байланысты құрылғыға келіп жеткен пайдалану кернеуі осы диапазоннан төмен болуы мүмкін. Ұлыбританиядағыдай, 240 В рұқсат етілген шекте және "240 вольт" атауы Австралия және британ ағылшын тілінде желілік кернеудің синонимі болып табылады. АҚШ және Канададағы ұлттық стандарттар көздеген номиналды кернеудің 120 В болуын және 114 В-тан 126 В-қа дейінгі (RMS) (−5%-тан +5%-ға дейін) диапазонына рұқсат етеді. Тарихи тұрғыдан алғанда, Солтүстік Америкада әртүрлі уақытта және жерлерде 110 В, 115 В және 117 В пайдаланылған. Желілік қуат кейде 110 В деп аталады; алайда, 120 В – номиналды кернеу. Жапонияда үй шаруашылықтарына электр қуаты 100 В және 200 В көлемдерінде беріледі. Хонсюдың шығыс және солтүстік бөліктері (Токио қаласын қоса алғанда) және Хоккайдо аймағы 50 Гц жиілікте жұмыс істейді, ал Хонсюдың батыс бөлігі (Нагоя, Осака және Хиросима қалаларын қоса алғанда), Шикоку, Кюсю және Окинава аймақтары 60 Гц жиілікте жұмыс істейді. Екі аймақ арасындағы шекарада екі желілік жүйенің арасындағы қуатты өзара байланыстыратын төрт жоғары кернеулі тұрақты ток (ЖҚТЖ) подстанциясы орналасқан: Шин Шинано, Сакума тоғаны, Минами Фукумицу және Хигаси Шимидзу жиілік түрлендіргіші. Осы айырмашылықты ескере отырып, Жапонияда сатылатын жиілікке сезімтал құрылғыларды екі жиіліктің арасында ауыстыруға болады.

Тарих

Әлемдегі алғашқы электр энергиясын жеткізу жүйесі 1881 жылы Англияның Годалминг қалашығында су дөңгелегімен жұмыс істейтін құрылғы болды. Бұл Siemens генераторымен жұмыс істейтін ауыспалы ток (AC) жүйесі еді, ол көше шамдарын және тұтынушыларды екі кернеумен қамтамасыз етті: доға шамдары үшін 250 В, ал қыздырғыш шамдар үшін 40 В. Әлемдегі алғашқы ірі масштабты орталық электр станциясы – Томас Эдисонның Лондондағы Холборн виадуктағы бумен жұмыс істейтін станциясы 1882 жылдың қаңтар айында іске қосылды, ол 110 В тұрақты ток (DC) берді. Холборн виадуктағы станция Нью-Йорктегі Перл-стрит станциясын салу идеясының негізі болды, ол әлемдегі алғашқы тұрақты коммерциялық орталық электр станциясы еді. Перл-стрит станциясы 1882 жылдың 4 қыркүйегінен бастап тұтынушылар үшін "қауіпсіз" деп есептелген 110 В тұрақты токпен қамтамасыз етті. АҚШ-та 1880-ші жылдардың ортасынан бастап ауыспалы ток жүйелері пайда бола бастады, олар трансформаторлар арқылы тарату кернеуін Эдисон қолданған 110 В тұтынушы кернеуіне дейін төмендетті. 1883 жылы Эдисон мыс шығындарын азайту үшін тұрақты ток генерациялық станцияларының клиенттердің үлкен аумағына қызмет етуіне мүмкіндік беретін үш сымды тарату жүйесін патенттеді. 110 В-қа екі шамдар тобын тізбекте қосу арқылы, бірдей өлшемдегі өткізгіштермен 220 В кернеуде көбірек жүктеме берілуі мүмкін еді; бейтарап өткізгіш екі тізбек арасындағы ток тепе-теңсіздігін қабылдады. Ауыспалы ток тізбектері "ағымдар соғысы" кезінде осы форманы қабылдады, бұл шамдарды шамамен 110 В кернеуде, ал негізгі құрылғыларды 220 В кернеуде қосуға мүмкіндік берді. Номиналды кернеулер біртіндеп 112 В және 115 В, тіпті 117 В-қа дейін өсті. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін АҚШ-тағы стандартты кернеу 117 В болды, бірақ көптеген аймақтар 1960 жылдарға дейін де артта қалды. 1954 жылы Америка Ұлттық Стандарттар Институты (ANSI) C84.1 “Электр энергиясы жүйелері мен жабдықтары үшін американдық ұлттық стандарт – Кернеу рейтингтері (60 Гц)” стандартын жариялады. Бұл стандарт 120 вольт номиналды жүйені және қызметтік кернеу мен тұтыну кернеуінің ауытқуы үшін екі диапазонды белгіледі. Бүгінде Американың барлық үйлері мен кәсіпорындарында 60 Гц жиілігінде 120 және 240 В кернеуіне қол жеткізуге болады. Екі кернеу де үш сымда бар (екі "фазалық" сым және бір "нейтральді" сым). 1899 жылы Берлин электр станциясы (BEW) жаңадан жасалған металл қызыл түсті шамдардың жоғары кернеуге төзімділігін пайдаланып, тарату қуатын арттыру үшін 220 В номиналды кернеуге көшуге шешім қабылдады. Компания клиенттердің жабдықтарын ауыстыру шығындарын тарату өткізгіштерінің құнын үнемдеу арқылы өтеуге мүмкіндік алды. Бұл Германияда және Еуропаның қалған бөлігінде электр таратудың моделі болды, нәтижесінде 220 В жүйесі кең таралды. Солтүстік Америкада шамдар үшін кернеу 110 В шамасында қалды. АҚШ-та ауыспалы ток енгізілгеннен кейінгі алғашқы он жылдықта (1880-ші жылдардың басынан 1893 жылға дейін) әртүрлі жиіліктер қолданылды, әр электр жеткізуші өзінің жиілігін белгіледі, сондықтан ешқайсысы басым болмады. Ең көп қолданылған жиілік 133⅓ Гц болды. Индукциялық генераторлар мен моторлардың айналу жылдамдығы, трансформаторлардың тиімділігі және көміртекті доға шамдарының жыпылықтауы жиілікті орнатуда маңызды рөл атқарды. 1893 жылға қарай АҚШ-тағы Westinghouse Electric Company және Германиядағы AEG өзінің генерациялық жабдықтарын тиісінше 60 Гц және 50 Гц стандартында біріктіруге шешім қабылдады, нәтижесінде әлемнің көп бөлігі осы екі жиіліктің бірімен қамтамасыз етілді. Бүгінде көптеген 60 Гц жүйелері номиналды 120/240 В, ал көптеген 50 Гц жүйелері номиналды 230 В береді. Бразилияда, әр түрлі аймақтарда стандартты кернеу ретінде 127 В және 220 В-пен синхронды 60 Гц желісі бар және Жапонияда екі жиілік бар: Шығыс Жапония үшін 50 Гц және Батыс Жапония үшін 60 Гц – бұл ерекшеліктерді атап өткен жөн.

Кернеуді реттеу

Тұтынушыға қызмет көрсетудегі кернеуді қа acceptable диапазон ішінде ұстап тұру үшін электр тарату мекемелері электр қосалқы станцияларында немесе тарату желісі бойында реттегіш жабдықтарды пайдаланады. Қосалқы станцияда төмендету трансформаторы автоматты жүктемедегі кран алмастырғышымен жабдықталған, ол тарату кернеуі мен беріліс кернеуі арақатынасын қадамдық түрде реттеуге мүмкіндік береді. Ұзақ (бірнеше шақырым) ауылдық тарату желілері үшін автоматты кернеу реттегіштері тарату желісінің тіректеріне орнатылуы мүмкін. Бұл тағы да автоматты трансформаторлар, оларда жүктемедегі кран алмастырғыштары бар, олар байқалатын кернеу өзгерістеріне байланысты арақатынасты реттейді. Әрбір тұтынушының қызметінде төмендету трансформаторында белгілі бір реттеу диапазонына мүмкіндік беру үшін бес кранға дейін болады, әдетте номиналды кернеудің ±5% шегінде. Бұл крандар автоматты түрде басқарылмайтындықтан, олар қызметтегі ұзақ мерзімді орташа кернеуді реттеу үшін ғана қолданылады, ал электрмен қамтамасыз етуші тұтынушы көретін кернеуді реттеу үшін емес.

Қуат сапасы

Тұтынушыларға берілетін кернеу мен жиіліктің тұрақтылығы елдер мен аймақтар арасында әртүрлі болады. "Қуат сапасы" – номиналды кернеу мен жиіліктен ауытқу дәрежесін сипаттайтын термин. Қысқа мерзімді кернеудің өсуі мен төмендеуі компьютерлер және жалпақ экранды дисплейлер сияқты сезімтал электрондық құралдарға әсер етеді. Ұзақ мерзімді электр қуатының үзілуі, кернеудің төмендеуі және толық қараңғылық, сондай-ақ электрмен жабдықтаудың сенімділігінің төмен болуы тұтынушыларға шығындарды арттырады, олар үзіліссіз қуат көзіне немесе электр қуаты қолжетімді болмағанда немесе қолдануға жарамсыз болғанда қуат беру үшін резервтік генератор жиынтырына инвестиция салуға мәжбүр болуы мүмкін. Электрмен жабдықтаудың тұрақсыздығы электр машиналарын, жарықтандыруды, климатты бақылау жүйесін және компьютерлерге тәуелді кәсіпорындар мен мемлекеттік қызметтер үшін ауыр экономикалық кедергі болуы мүмкін. Тіпті ең сапалы қуат жүйесі де бұзылуға ұшырауы немесе күтімді қажет етуі мүмкін. Сондықтан компаниялар, үкіметтер және басқа ұйымдар сезімтал объектілерде электр қуатының үзілуі немесе толық қараңғылық жағдайында да қуаттың қолжетімді болуын қамтамасыз ету үшін резервтік генераторларды орнатады. Қуат сапасына ток немесе кернеу толқын пішінінің бұрмалануы әсер етуі мүмкін, бұл негізгі (желілік) жиіліктің гармоникалары түрінде немесе электромагниттік кедергілер сияқты гармониялық емес (интермодуляциялық) бұрмалау түрінде болуы мүмкін. Ал гармониялық бұрмалау көбінесе жүктеме немесе генератор жағдайынан туындайды. Көп фазалы қуатта теңгерімсіз жүктемеден туындаған фазалық ығысу бұрмалануы пайда болуы мүмкін.