Кіріспе

Электр энергиясын жеке тұтынушыларға жеткізудің соңғы кезеңі – электр энергиясын тарату. Электр энергиясы беру жүйесінен жеке тұтынушыларға жеткізіледі. Тарату подстанциялары беру жүйесіне қосылады және трансформаторлардың көмегімен беру кернеуін 2 мен 33 аралығындағы орташа кернеуге дейін төмендетеді. Автоматты ажыратқыштар мен коммутаторлар подстанцияны беру желісінен немесе тарату желілерін ажыратуға мүмкіндік береді. Трансформаторлар 35 немесе одан жоғары кернеуді бастапқы тарату кернеуіне дейін төмендетеді. Бұл орта кернеулі тізбектер, әдетте 600 В. Трансформатордан қуат шинаға өтеді, ол тарату қуатын бірнеше бағытта бөле алады. Шина қуатты тарату желілеріне таратады, олар тұтынушыларға таралады. Қалалық тарату көбінесе жер астында, кейде ортақ коммуникациялық құбырларда жүзеге асырылады. Ауылдық тарату көбінесе жер үстінде, бағаналарда, ал қала маңындағы тарату аралас түрде болады. Екеуі де газбен жарықтандыру жүйелерін ығыстырды, аркалық жарықтандыру кең аумақты және көше жарықтандыруын иеленді, ал шамдық жарықтандыру бизнес және тұрғын үй тұтынушылары үшін газ шамдарын алмастырды. Аркалық жарықтандыруда қолданылатын жоғары кернеу бір электр станциясынан 11 км-ге дейін созылған шамдар тізбегін қуатпен қамтамасыз етуге мүмкіндік берді. Кернеу екі еселенгенде, бір кабель төмен кернеудегіден төрт есе қашыққа бірдей қуатты (бірдей қуат жоғалтумен) жеткізе алады. Керісінше, Эдисонның 1882 жылы орнатқан алғашқы электр станциясы сияқты, тұрақты токпен жабдықталған үй ішіндегі шамдық жарық жүйелері, бір шақырымнан астам қашықтықтағы тұтынушыларды қуатпен қамтамасыз етуде қиындықтарға тап болды, себебі олар генерациядан соңғы пайдалануға дейін төмен кернеуді (110 В) қолданды. Төмен кернеу жоғары токқа әкелді және қуат беру үшін қалың мыс кабельдерді қажет етті. Іс жүзінде, Эдисонның тұрақты ток электр станциялары ең алыс тұтынушыдан 2 км қашықтықта болуы керек еді, тіпті қалың және қымбат өткізгіштерді пайдаланудан сақтау үшін.

Трансформаторды енгізу

Электр қуатын ұзақ қашықтыққа жеткізу мәселесі электр қуатын таратудағы инженерлік қиындық ретінде танылды, жарық компаниялары көптеген қанағаттандырмайтын шешімдерді сынап көрді. Бірақ 1880-ші жылдардың ортасында функционалдық трансформаторлардың жасалуымен үлкен қадам жасалды, бұл айнымалы ток (AC) қуатын беру үшін әлдеқайда жоғары кернеуге "көтеруге", содан кейін соңғы тұтынушыға жақын жерде кернеуді төмендетуге мүмкіндік берді. Түзу токпен (DC) салыстырғанда, AC қуатын тасымалдау шығындары әлдеқайда арзан болды және үлкен экономикалық пайда әкелді – ірі AC электр станциялары тұтас қалалар мен аймақтарды қуатпен қамтамасыз ете алды, нәтижесінде AC-ның таралуы жылдамдады. АҚШ-та тікелей ток пен айнымалы ток арасындағы бәсекелестік 1880-ші жылдардың соңында «токтар соғысы» деп аталатын жеке сипатқа ие болды, Томас Эдисон Джордж Вестингхауз бен оның алғашқы АҚШ-тағы AC трансформаторлық жүйелерін жасауына шабуыл жасады, жылдар бойы жоғары кернеулі AC жүйелерінен туындаған өлім-жітім жағдайларын көрсетіп, кез келген AC жүйесінің қауіпті екенін мәлімдеді. Эдисонның үгіт науқаны қысқа ғана болды, оның компаниясы 1892 жылы AC-ға көшті. AC қуатты берудің басым түріне айналды, Еуропа мен АҚШ-та электр қозғалтқыштарының дизайнындағы жаңалықтар мен көптеген ескі жүйелерді ірі AC желілеріне қосуға мүмкіндік беретін инженерлік әмбебап жүйелердің дамуы осыған ықпал етті. 20-шы ғасырдың бірінші жартысында көптеген елдерде электр энергетикасы тік интеграцияланған, яғни бір компания электр энергиясын өндіру, тарату, жеткізу, есептеу және төлемді жүзеге асырды. 1970-ші және 1980-ші жылдардан бастап елдер либерализация және жекешелендіру процесін бастады, бұл электр нарықтарының пайда болуына әкелді. Тарату жүйесі реттеліп қала берді, бірақ электр энергиясын өндіру, бөлшек сауда және кейде тарату жүйелері бәсекелестік нарыққа айналды.

Өнім өндіру және тарату

Электр қуаты генерациялық станциядан басталады, онда потенциалдар айырмашылығы 33 000 вольтқа дейін жете алады. Көбінесе айнымалы ток (AC) қолданылады. Көп мөлшерде тұрақты ток (DC) қолданатын тұтынушылар, мысалы, кейбір теміржол электрлендіру жүйелері, телефон станциялары және алюминий балқыту сияқты өнеркәсіптік процестер, желіден айнымалы токтан тұрақты ток алу үшін түзеткіштерді пайдаланады немесе өздерінің электр қуатын өндіру жүйелеріне ие болуы мүмкін. Жоғары кернеулі тұрақты ток, айнымалы ток жүйелерін оқшаулау немесе берілетін электр қуатының мөлшерін бақылау үшін пайдалы болуы мүмкін. Мысалы, Hydro Québec компаниясының Джеймс шығанағы аймағынан Бостонға дейінгі тұрақты ток желісі бар. Генерациялық станциядан ол станцияның трансформаторлық подстанциясына жіберіледі, онда көтерілгіш трансформатор кернеуді беруге қолайлы деңгейге дейін, 44 кВ-тан 765 кВ-қа дейін арттырады. Тасымалдау жүйесіне енгеннен кейін, әр генерациялық станциядан алынған электр энергиясы басқа жерде өндірілген электр энергиясымен біріктіріледі. Электр энергиясы өндірілгеннен кейін дереу тұтынылады. Ол жарық жылдамдығына жуық, өте жоғары жылдамдықпен таралады.

Бастапқы тарату

Негізгі тарату кернеулері 4 кВ-тан 35 кВ-қа дейін фазадан фазаға (фазадан бейтарапқа дейін 2,4 кВ-тан 20 кВ-қа дейін) ауытқып келеді. Тек ірі тұтынушылар ғана тарату кернеулерінен тікелей қуат алады; коммуналдық қызметтердің көп бөлігі трансформаторға қосылады, ол тарату кернеуін жарықтандыру және ішкі электр жүйелерінде қолданылатын төмен кернеуге ("тұтыну кернеуіне", "жеткізу кернеуіне" немесе "желілік кернеуіне") төмендетеді.

Желілік конфигурациялар

Тарату желілері радиалды немесе желілік болып екі түрге бөлінеді. Радиалды жүйеде әрбір тұтынушының бір ғана электр беру көзі болады, ол ағаш тәрізді құрылымға ұқсайды. Желілік жүйеде бірнеше электр беру көздері параллель жұмыс істейді. Шоғырланған жүктемелер үшін локальдық желілер қолданылады. Радиалды жүйелер көбінесе ауылдық және қала маңындағы аймақтарда қолданылады. Радиалды жүйелерде әдетте авариялық жағдайларда жүйені қайта конфигурациялауға мүмкіндік беретін қосымша қосылыстар қарастырылады, мысалы, ақаулықтар немесе жоспарлы техникалық қызмет көрсету кезінде. Бұл желінің белгілі бір бөлігін оқшаулау үшін коммутаторларды ашу және жабу арқылы іске асырылады. Ұзын желілерде кернеудің төмендеуі (қуат коэффициентінің бұрмалануы) байқалады, сондықтан конденсаторлар немесе кернеу реттегіштері орнатылуы қажет. Жүйе элементтері арасындағы функционалдық байланыстарды өзгерту арқылы жүзеге асырылатын қайта конфигурациялау, тарату жүйесінің жұмыс тиімділігін арттыруға бағытталған маңызды шаралардың бірі болып табылады. Электр тарату жүйесін қайта конфигурациялау арқылы оңтайландыру мәселесі, анықтамасы бойынша, шектеулермен бір мақсатты тарихи мәселе болып табылады. 1975 жылдан бастап, Мерлин мен Бэк активті қуат жоғалтуларын азайту мақсатында тарату жүйесін қайта конфигурациялау идеясын ұсынғаннан бері, көптеген зерттеушілер осы мәселені бір мақсатты проблема ретінде шешу үшін әртүрлі әдістер мен алгоритмдерді ұсынды. Кейбір авторлар Парето оптималдығына негізделген тәсілдерді ұсынды (мақсаттар ретінде активті қуат жоғалтулары мен сенімділік көрсеткіштері). Осы мақсатта жасанды интеллектке негізделген әртүрлі әдістер қолданылды: микрогенетикалық, тармақ алмасу, бөлшектер үйіршігін оңтайландыру және үстемдіксіз сұрыптау генетикалық алгоритмі.

Ауылдық қызметтер

Ауылдық электрлендіру жүйелері тарату желілерімен қамтылған қашықтықтардың ұзындығына байланысты жоғары тарату кернеулерін пайдалануға бейім (Ауылдық электрлендіру басқармасына қараңыз). 7.2, 12.47, 25 және 34.5 кВ тарату АҚШ-та кең таралған; 11 кВ және 33 кВ Ұлыбританияда, Австралияда және Жаңа Зеландияда кең таралған; 11 кВ және 22 кВ Оңтүстік Африкада кең таралған; 10, 20 және 35 кВ Қытайда кең таралған. Кейде басқа кернеулер де қолданылады. Ауылдық қызметтер көбінесе бағаналар мен сымдардың санын азайтуға тырысады. Олар қалалық таратуға қарағанда жоғары кернеуді қолданады, бұл өз кезегінде мырышталған болат сымдарды пайдалануға мүмкіндік береді. Мықты болат сым бағаналар арасындағы кеңістікті арзанға қамтамасыз етеді. Ауылдық аймақтарда бір полюстік трансформатор бір тұтынушыға ғана қызмет көрсетуі мүмкін. Жаңа Зеландияда, Австралияда, Канаданың Саскачеван провинциясында және Оңтүстік Африкада, шалғайдағы ауылдық аймақтарды электрлендіру үшін бір сымды жерге қайтару жүйелері (SWER) қолданылады. Үш фазалы қызмет ірі ауыл шаруашылығы объектілеріне, мұнай сорғыларына, су станцияларына немесе үлкен жүктемелері бар басқа тұтынушыларға (үш фазалы жабдықтар) қуат жеткізеді. Солтүстік Америкада әуедегі тарату жүйелері үш фазалы, төрт сымды болуы мүмкін, соның ішінде бейтарап өткізгіш. Ауылдық тарату жүйелерінде бір фазалық өткізгіш пен бейтараптың ұзақ бөлімдері болуы мүмкін. Басқа елдерде немесе өте шалғайдағы ауылдық жерлерде бейтарап сымы жерге қосылып, оны қайтару ретінде пайдалану үшін қолданылады (бір сымды жерге қайтару).

Екіншілік тарату

Электр энергиясы аймаққа байланысты 50 немесе 60 Гц жиілікпен жеткізіледі. Ол тұрмыстық тұтынушыларға бір фазалы электр қуаты ретінде жеткізіледі. Кейбір елдерде, мысалы, Еуропада, ірі мүліктерге үш фазалы қуат беру мүмкін. Осциллоскоппен қарағанда Солтүстік Америкадағы тұрмыстық электр қуаты синусоидальды толқынға ұқсайды, -170 вольттан 170 вольтқа дейін тербеліп, 120 вольт RMS тиімді кернеуді қамтамасыз етеді. Үш фазалы электр қуаты қолданылатын кабельге жеткізілетін қуат тұрғысынан тиімдірек және үлкен электр моторларын іске қосуға арналған. Кейбір еуропалық ірі құрылғылар, мысалы, электр пештері мен кір жуу машиналарын кептіру машиналары үш фазалы қуатпен жұмыс істейді. Тұтынушы жүйесіне де, пайдалы қызметтерге тиесілі жабдыққа да жерге қосылыс әдетте қарастырылады. Тұтынушы жүйесін жерге қосудың мақсаты – жоғары кернеулі өткізгіштердің әдетте жерге төмен орнатылған төмен кернеулі өткізгіштерге құлап түсуі немесе тарату трансформаторында ақау тууы жағдайында пайда болатын кернеуді шектеу болып табылады. Жерге қосылу жүйелері TT, TN S, TN C S немесе TN C түрінде болуы мүмкін.

220-240 вольт жүйелері

Әлемнің көп бөлігі тұрғын үй және жеңіл өнеркәсіптік қызметтер үшін 50 Гц 220 немесе 230 В бір фазалы немесе 400 В үш фазалы желілерді пайдаланады. Бұл жүйеде негізгі тарату желісі әр аймаққа бірнеше қосалқы станцияны қамтамасыз етеді, ал әрбір қосалқы станциядан 230 В / 400 В қуаты тікелей соңғы тұтынушыларға, әдетте 1 км-ден аспайтын радиуста таратылады. Үш фазалы қызмет үшін ғимаратқа үш белсенді (ыстық) сым мен бейтарап сым қосылады. Жалпы жүктемесі аз болған жағдайда, тұрмыстық жағдайларда бір белсенді сым мен бейтарап сымнан тұратын бір фазалы тарату желісі қолданылады. Еуропада электр энергиясы өнеркәсіптік және тұрмыстық мақсаттар үшін үш фазалы, төрт сымдық жүйе арқылы таратылады. Бұл жүйе фазалар арасында 400 вольт, ал кез келген бір фаза мен бейтарап арасында 230 вольт кернеуді қамтамасыз етеді. Ұлыбританияда қалалық немесе қала маңындағы төмен кернеулі қосалқы станциясының қуаты әдетте 150 кВА мен 1 МВА аралығында болады және бірнеше жүз үйді қамтитын тұтас ауданды қуатпен жабдықтайды. Трансформаторлар әдетте бір үйге орташа есеппен 1-ден 2 кВт-қа дейін жүктемеге есептеледі, ал желілік сақтандырғыштар мен кабельдер кез келген үйге осы көрсеткіштен он есе көп жүктемені қабылдауға мүмкіндік беретіндей етіп таңдалады. Өнеркәсіптік тұтынушылар үшін 3 фазалы 690 / 400 вольттық желілер де қолжетімді, немесе оларды жергілікті түрде өндіруге болады. Ірі өнеркәсіптік тұтынушылар 11 кВ-тан 220 кВ-қа дейінгі кіріс қуатына ие өздерінің трансформаторларын пайдаланады.

100-120 вольт жүйелері

Американың көп бөлігі 60 Гц айнымалы ток, 120/240 вольттық бөлінген фазалы жүйелерді және ірі орналымдар үшін үш фазалы жүйелерді пайдаланады. Солтүстік Америкадағы трансформаторлар үйлерді 240 вольттан қуаттандырады, бұл Еуропадағы 230 вольтқа ұқсас. Үйде 120 вольтты пайдалануға мүмкіндік беретіні – осы бөлінген фаза. Жапониядағы электр энергетикасында стандартты кернеу 100 В, ал 50 және 60 Гц айнымалы ток жиіліктері қолданылады. Елдің бір бөлігінде 50 Гц жиілік, ал екінші бөлігінде 60 Гц жиілік қолданылады. Бұл 1890 жылдарға дейін сақталған қалдық. Токиодағы кейбір жергілікті жеткізушілер 50 Гц жиілікті неміс жабдықтарын импорттады, ал Осакадағы жергілікті электрмен жабдырушылар АҚШ-тан 60 Гц генераторларын әкелді. Желілер елдің барлық аймағына электр жеткізілгенше кеңейді. Бүгінде шығыс Жапонияда (Токио, Йокогама, Тохоку және Хоккайдоны қоса алғанда) жиілік 50 Гц, ал батыс Жапонияда (Нагоя, Осака, Киото, Хиросима, Шикоку және Кюсюді қоса алғанда) 60 Гц. Көптеген тұрмыстық техникалар екі жиілікте де жұмыс істеуге бейімделген. 2011 жылғы Тохоку жер сілкінісі мен цунами шығыстағы қуаттың үштен бір бөлігін жойған кезде үйлесімсіздік мәселесі көпшіліктің назарына ілікті, себебі елде ортақ жиілік болмағандықтан, батыстағы қуатты шығысқа толыққанды бөлісуге болмады.

240 вольт жүйелер мен 120 вольт тұйықтағыштар

Солтүстік Американың қазіргі заманғы үйлерінің көпшілігі трансформатордан 240 вольтты қабылдау үшін сымталған, ал бөлінген фазалық электр қуатын пайдалану арқылы 120 вольттық және 240 вольттық розеткаларды пайдалануға болады. 120 вольт көбінесе жарықтандыру және көптеген қабырға розеткалары үшін қолданылады. 240 вольттық тізбектер әдетте пештер мен жылытқыштар сияқты жоғары қуатты жылу шығаруды қажет ететін құралдарға арналған. Олар электр көлігін зарядтау құрылғысын қоректендіру үшін де қолданылуы мүмкін.

Қазіргі заманғы тарату жүйелері

Дәстүрлі түрде, тарату жүйелері электр энергиясын тұтынушылар арасында бөлісетін қарапайым тарату желілері ретінде ғана жұмыс істеді. Бүгінгі тарату жүйелері күн энергиясы және жел энергиясы сияқты таратылған генерациялық ресурстар арқылы, энергия жүйелерінің тарату деңгейінде жаңару энергиясымен тығыз интеграцияланған. Осының салдарынан тарату жүйелері күннен-күнге тасымалдау желілерінен тәуелсіздікке ие болып келеді. Мұндай қазіргі заманғы тарату желілерінде (кейде микрожелілер деп аталады) сұраныс пен ұсыныс арақатынасын теңестіру өте қиын, және оны іске асыру үшін түрлі технологиялық және операциялық құралдарды қолдану қажет. Мұндай құралдарға аккумуляторлық электр станциялары, деректерді талдау, оңтайландыру құралдары және тағы да басқалары жатады.