Электроснабжение: основные сведения о напряжении и частоте сети

Введение

Тип низковольтной электроэнергии, наиболее часто предоставляемой энергоснабжающими организациями.

Электроэнергия сети, бытовая электроэнергия или электроэнергия от розетки, а в некоторых частях Канады – гидроэнергия, представляет собой электроснабжение переменным током (AC) общего назначения. Это форма электрической энергии, которая подается в дома и предприятия через электрическую сеть во многих странах мира. Люди используют эту электроэнергию для питания повседневных устройств (таких как бытовые приборы, телевизоры и лампы), подключая их к розетке. Напряжение и частота электроэнергии различаются в зависимости от региона. Во многих странах мира используется напряжение (номинально) 230 вольт и частота 50 Гц. В Северной Америке наиболее распространенной комбинацией является 120 В и частота 60 Гц. Существуют и другие комбинации, например, 230 В при частоте 60 Гц. Переносные электроприборы могут оказаться неработоспособными или быть повреждены при подключении к электросети другого региона. Несовместимые вилки и розетки в разных регионах обеспечивают некоторую защиту от случайного использования приборов с несовместимыми требованиями к напряжению и частоте.

Терминология

В США сетевое электричество имеет множество названий, включая "электроэнергия поставщика", "бытовая электроэнергия", "электричество для дома", "сетевой ток", "бытовое электроснабжение", "электроэнергия из розетки", "линейное электроснабжение", "ток из розетки", "переменный ток", "городское электроснабжение", "уличное электроснабжение" и "120 (один двадцать)". В Великобритании сетевое электричество обычно называют просто "сетью". Более половины электроэнергии в Канаде производится гидроэлектростанциями, и в некоторых регионах страны сетевое электричество часто называют "гидро". Это также отражается в названиях действующих и исторических электроэнергетических компаний, таких как Hydro Québec, BC Hydro, Manitoba Hydro, Hydro One и Newfoundland and Labrador Hydro.

Проводка здания

Переносные приборы используют однофазное электрическое питание с двумя или тремя проводными контактами в каждой розетке. Два провода (нейтральный и фазный) передают ток для работы устройства. Третий провод, который присутствует не всегда, соединяет проводящие части корпуса прибора с заземлением. Это защищает пользователей от поражения электрическим током, если под напряжением находящиеся внутренние части случайно коснутся корпуса. В Северной и Центральной Европе для жилых помещений обычно используется трехфазное электричество 400 В, которое обеспечивает 230 В между любой одной фазой и нейтралью; в домах может быть смешанная проводка – трехфазные и однофазные цепи, однако трехфазное питание для жилых помещений редко встречается в Великобритании. Высокомощные приборы, такие как кухонные плиты, водонагреватели и электроинструменты, например дровоколы, могут питаться от трехфазного источника питания 400 В. Небольшое портативное электрооборудование подключается к источнику питания через гибкие кабели, оканчивающиеся вилкой, которая вставляется в стационарную розетку. Крупные бытовые и промышленные электроприборы могут быть постоянно подключены к стационарной проводке здания. Например, в домах Северной Америки оконный кондиционер подключается к настенной розетке, а центральный кондиционер для всего дома подключается стационарно. Для промышленного оборудования, работающего с большими токами, высоким напряжением или трехфазным электричеством, используются более крупные комбинации вилок и розеток. Автоматические выключатели и предохранители используются для обнаружения коротких замыканий между фазным, нейтральным или заземляющим проводами, а также для защиты от перегрузки – превышения допустимого тока для проводов – чтобы предотвратить перегрев и возможный пожар. Эти защитные устройства обычно устанавливаются в центральной панели – чаще всего в распределительном щите или вводном автомате – в здании, но некоторые системы проводки также предусматривают защитное устройство в розетке или внутри вилки. Устройства защитного отключения (УЗО), также известные как дифференциальные автоматы и устройства обнаружения тока утечки, используются для обнаружения тока утечки на землю – протекания тока по цепям, отличным от фазного и нейтрального проводов (например, через заземляющий провод или тело человека). При обнаружении утечки на землю устройство быстро отключает цепь.

Portable appliances use single phase electric power, with two or three wired contacts at each outlet. Two wires (neutral and live/active/hot) carry current to operate the device. A third wire, not always present, connects conductive parts of the appliance case to earth ground. This protects users from electric shock if live internal parts accidentally contact the case. In northern and central Europe, residential electrical supply is commonly 400 V three phase electric power, which gives 230 V between any single phase and neutral; house wiring may be a mix of three phase and single phase circuits, but three phase residential use is rare in the UK. High power appliances such as kitchen stoves, water heaters and household power heavy tools like log splitters may be supplied from the 400 V three phase power supply. Small portable electrical equipment is connected to the power supply through flexible cables terminated in a plug, which is inserted into a fixed receptacle (socket). Larger household electrical equipment and industrial equipment may be permanently wired to the fixed wiring of the building. For example, in North American homes a window mounted self contained air conditioner unit would be connected to a wall plug, whereas the central air conditioning for a whole home would be permanently wired. Larger plug and socket combinations are used for industrial equipment carrying larger currents, higher voltages, or three phase electric power. Circuit breakers and fuses are used to detect short circuits between the line and neutral or ground wires or the drawing of more current than the wires are rated to handle (overload protection) to prevent overheating and possible fire. These protective devices are usually mounted in a central panel—most commonly a distribution board or consumer unit—in a building, but some wiring systems also provide a protection device at the socket or within the plug. Residual current devices, also known as ground fault circuit interrupters and appliance leakage current interrupters, are used to detect ground faults—flow of current in other than the neutral and line wires (like the ground wire or a person). When a ground fault is detected, the device quickly cuts off the circuit.

Уровни напряжения

Большинство населения мира (Европа, Африка, Азия, Австралия, Новая Зеландия и большая часть Южной Америки) используют напряжение питания, которое находится в пределах 6% от 230 В. В Соединенном Королевстве номинальное напряжение питания составляет 230 В +10%/-6%, что обусловлено тем, что большинство трансформаторов фактически все еще настроены на 240 В. Стандарт 230 В получил широкое распространение, благодаря чему оборудование, рассчитанное на 230 В, можно использовать в большинстве стран мира с помощью адаптера или путем замены вилки оборудования на стандарт, принятый в конкретной стране. В США и Канаде используется напряжение 120 вольт ± 6%. Япония, Тайвань, Саудовская Аравия, Северная Америка, Центральная Америка и некоторые части северной Южной Америки используют напряжение от 100 до 127 В. Однако большинство домов в Японии используют систему электроснабжения с разделенными фазами, как в США, которая позволяет получать 200 В при одновременном использовании обратной фазы. Бразилия уникальна тем, что имеет системы на 127 В и 220 В с частотой 60 Гц, а также допускает использование взаимозаменяемых вилок и розеток. Саудовская Аравия и Мексика используют смешанные системы напряжения: в жилых и коммерческих зданиях обе страны используют 127 вольт, а для коммерческих и промышленных нужд – 220 вольт при частоте 60 Гц. В августе 2010 года правительство Саудовской Аравии утвердило планы по переходу страны на полностью 230/400 вольт 60 Гц систему.

Измеряющее напряжение

Следует различать напряжение в точке подключения (номинальное напряжение в точке соединения между электросетью и потребителем) и номинальное напряжение оборудования (напряжение нагрузки или использования). Как правило, напряжение нагрузки на 3–5% ниже номинального напряжения системы; например, к двигателям, подключенным к системе питания с номинальным напряжением 208 В, на шильдиках будет указано "200 В". Это компенсирует падение напряжения между оборудованием и точкой подключения. Напряжения, указанные в данной статье, являются номинальными напряжениями питания, а оборудование, используемое в этих системах, будет иметь немного более низкие номинальные напряжения на шильдиках. Напряжение в системе распределения электроэнергии близко к синусоидальному. Напряжения выражаются в виде среднеквадратичного (RMS) значения. Допустимые отклонения напряжения указаны для установившегося режима работы. Кратковременные большие нагрузки или коммутационные операции в сети распределения электроэнергии могут вызывать кратковременные отклонения за пределы допустимого диапазона, а штормы и другие неблагоприятные условия могут приводить к еще более значительным переходным колебаниям. В целом, электроснабжение, получаемое из крупных сетей с множеством источников, более стабильно, чем электроснабжение, предоставляемое изолированному населенному пункту, возможно, с использованием только одного генератора.

Выбор напряжения

Выбор напряжения питания обусловлен скорее историческими причинами, чем оптимизацией системы распределения электроэнергии. Распределительная система 230 В потребует меньше проводникового материала, чем система 120 В, для передачи заданного количества мощности, поскольку ток и, следовательно, потери на сопротивлении будут ниже. В то время как мощные нагревательные приборы могут использовать проводники меньшего сечения при 230 В для той же выходной мощности, большинство бытовых приборов потребляют далеко не полную мощность от розетки, к которой они подключены. Минимальный размер провода для ручного или переносного оборудования обычно ограничивается механической прочностью проводников. Многие регионы, такие как США, использующие (номинально) 120 В, применяют трехпроводные системы с разделенными фазами 240 В для питания мощных приборов. В такой системе напряжение 240 В имеет центральную точку, соединенную с нейтралью, что обеспечивает два напряжения 120 В, а также возможность подачи 240 В на нагрузки, подключенные между двумя фазными проводами. Трехфазные системы могут быть подключены для получения различных комбинаций напряжения, подходящих для использования различными типами оборудования. Если электрическая система обслуживает как однофазные, так и трехфазные нагрузки, система может быть обозначена двумя напряжениями, например, 120/208 или 230/400 В, для указания напряжения между фазой и нейтралью и напряжения между двумя фазами. Мощные нагрузки подключаются к более высокому напряжению. Другие трехфазные напряжения, до 830 вольт, иногда используются для специальных систем, таких как насосы для добычи нефти. Крупные промышленные двигатели (например, мощностью более 250 л.с. или 150 кВт) могут работать на среднем напряжении. Для систем с частотой 60 Гц стандартным для средневольтного оборудования является напряжение 2400/4160 В, а для систем с частотой 50 Гц – 3300 В.

Стандартизация

До 1987 года напряжение в сети в большей части Европы, включая Германию, Австрию и Швейцарию, составляло 220 В, в то время как в Великобритании использовалось 240 В. Стандарт ISO IEC 60038:1983 определил новое стандартное европейское напряжение в 230 В. С 1987 года был начат поэтапный переход к 230 В. С 2009 года напряжение в 230 В является допустимым. Ни центральноевропейской, ни британской системам не потребовалось изменение напряжения, поскольку как 220 В, так и 240 В попадают в нижний диапазон допуска 230 В (230 В ± 6%). Обычно поддерживается напряжение 230 В ± 3%. В некоторых районах Великобритании по-прежнему используется 250 В по историческим причинам, но это значение также входит в 10%-й диапазон допуска 230 В. На практике это позволило странам поддерживать одно и то же напряжение (220 или 240 В), по крайней мере, до замены существующих силовых трансформаторов. Оборудование (за исключением ламп накаливания) в этих странах рассчитано на работу в пределах указанного диапазона напряжений. В 2000 году Австралия перешла на 230 В в качестве номинального стандарта с допуском +10%/−6%, заменив старый стандарт 240 В, AS 2926 1987. Допуск был увеличен в 2022 году до ± 10% с выпуском AS IEC 60038:2022. Фактическое напряжение, доступное на приборе, может быть ниже этого диапазона из-за падения напряжения в электроустановке потребителя. Как и в Великобритании, 240 В находится в пределах допустимых значений, а термин "240 вольт" является синонимом сетевого напряжения в австралийском и британском английском языках. В Соединенных Штатах и Канаде национальные стандарты устанавливают номинальное напряжение у источника в 120 В с диапазоном от 114 В до 126 В (RMS) (−5% до +5%). Исторически в Северной Америке использовались напряжения 110 В, 115 В и 117 В в разное время и в разных местах. О сетевом напряжении иногда говорят как о 110 В, однако номинальным напряжением является 120 В. В Японии электроснабжение бытовых потребителей осуществляется на напряжениях 100 В и 200 В. Восточная и северная части острова Хонсю (включая Токио) и остров Хоккайдо имеют частоту 50 Гц, в то время как западная часть Хонсю (включая Нагою, Осаку и Хиросиму), острова Сикоку, Кюсю и Окинава работают на частоте 60 Гц. Граница между этими двумя регионами включает четыре последовательно расположенные подстанции постоянного тока высокого напряжения (HVDC), соединяющие энергосистемы; это Синь-Синано, плотина Сакума, Минами-Фукумицу и частотный преобразователь Хигаси-Симидзу. Для учета этой разницы частотно-чувствительные приборы, продаваемые в Японии, часто могут переключаться между двумя частотами.

Until 1987, mains voltage in large parts of Europe, including Germany, Austria and Switzerland, was 220 while the UK used 240. Standard ISO IEC 60038:1983 defined the new standard European voltage to be 230. From 1987 onwards, a step wise shift towards 230 was implemented. From 2009 on, the voltage is permitted to be 230. No change in voltage was required by either the Central European or the UK system, as both 220 V and 240 V fall within the lower 230 V tolerance bands (230 V ±6%). Usually the voltage of 230V ±3% is maintained. Some areas of the UK still have 250 volts for legacy reasons, but these also fall within the 10% tolerance band of 230 volts. In practice, this allowed countries to have supplied the same voltage (220 or 240 V), at least until existing supply transformers are replaced. Equipment (with the exception of filament bulbs) used in these countries is designed to accept any voltage within the specified range. In 2000, Australia converted to 230 V as the nominal standard with a tolerance of +10%/−6%, this superseding the old 240 V standard, AS 2926 1987. The tolerance was increased in 2022 to ± 10% with the release of AS IEC 60038:2022. The utilization voltage available at an appliance may be below this range, due to voltage drops within the customer installation. As in the UK, 240 V is within the allowable limits and "240 volt" is a synonym for mains in Australian and British English. In the United States and Canada, national standards specify that the nominal voltage at the source should be 120 V and allow a range of 114 V to 126 V (RMS) (−5% to +5%). Historically, 110 V, 115 V and 117 V have been used at different times and places in North America. Mains power is sometimes spoken of as 110 V; however, 120 V is the nominal voltage. In Japan, the electrical power supply to households is at 100 and 200 V. Eastern and northern parts of Honshū (including Tokyo) and Hokkaidō have a frequency of 50 Hz, whereas western Honshū (including Nagoya, Osaka, and Hiroshima), Shikoku, Kyūshū and Okinawa operate at 60 Hz. The boundary between the two regions contains four back to back high voltage direct current (HVDC) substations which interconnect the power between the two grid systems; these are Shin Shinano, Sakuma Dam, Minami Fukumitsu, and the Higashi Shimizu Frequency Converter. To accommodate the difference, frequency sensitive appliances marketed in Japan can often be switched between the two frequencies.

История

Первым в мире общественным источником электроэнергии была система, приводимая в действие водяным колесом, построенная в небольшом английском городе Годалминг в 1881 году. Это была система переменного тока (AC), использующая генератор Siemens, обеспечивающий питанием как уличные фонари, так и потребителей при двух напряжениях: 250 В для дуговых ламп и 40 В для ламп накаливания. Первая в мире крупномасштабная центральная станция — паровая станция Томаса Эдисона на Холборнском виадуке в Лондоне — начала работу в январе 1882 года, обеспечивая постоянный ток (DC) напряжением 110 В. Станция Холборнского виадука была использована в качестве подтверждения концепции для строительства гораздо более крупной станции Перл-стрит в Нью-Йорке, первой в мире постоянной коммерческой центральной электростанции. Станция Перл-стрит также обеспечивала постоянный ток напряжением 110 В, считавшийся «безопасным» для потребителей, начиная с 4 сентября 1882 года. Системы переменного тока начали появляться в США в середине 1880-х годов, используя более высокое распределительное напряжение, которое понижалось через трансформаторы до того же напряжения 110 В, которое использовал Эдисон. В 1883 году Эдисон запатентовал трехпроводную систему распределения, чтобы электростанции постоянного тока могли обслуживать более широкий радиус потребителей и экономить на стоимости меди. Подключая две группы ламп напряжением 110 В последовательно, можно было обслуживать большую нагрузку теми же по размеру проводниками, работающими при напряжении 220 В между ними; нейтральный проводник компенсировал любой дисбаланс тока между двумя подцепями. В период «войны токов» схемы переменного тока приняли аналогичную форму, позволяя лампам работать при напряжении около 110 В, а основным приборам подключаться к 220 В. Номинальные напряжения постепенно увеличивались до 112 В, 115 В и даже 117 В. После Второй мировой войны стандартным напряжением в США стало 117 В, но многие регионы отставали даже в 1960-х годах. В 1954 году Американский национальный институт стандартов (ANSI) опубликовал C84.1 «Американский национальный стандарт для систем электроэнергии и оборудования – Номинальные напряжения (60 Герц)». Этот стандарт установил номинальную систему 120 вольт и два диапазона для колебаний рабочего и номинального напряжения. Сегодня практически все американские дома и предприятия имеют доступ к 120 и 240 В при частоте 60 Гц. Оба напряжения доступны на трех проводах (две «фазные» линии противоположной фазы и одна «нейтральная» линия). В 1899 году Берлинская электростанция Berliner Elektrizitäts Werke (BEW) решила значительно увеличить свою распределительную мощность, перейдя на номинальное распределение 220 В, воспользовавшись возможностью более высокого напряжения, обеспечиваемого недавно разработанными металлическими лампами накаливания. Компания смогла компенсировать затраты на переоборудование оборудования потребителей за счет экономии на стоимости распределительных проводников. Это стало моделью для распределения электроэнергии в Германии и остальной Европе, и система 220 В стала распространенной. В Северной Америке сохранялась практика использования напряжения около 110 В для ламп. В первое десятилетие после внедрения переменного тока в США (с начала 1880-х годов до примерно 1893 года) использовались различные частоты, при этом каждый поставщик электроэнергии устанавливал свои собственные, поэтому ни одна из них не стала преобладающей. Наиболее распространенной частотой была 133⅓ Гц. Скорость вращения индукционных генераторов и двигателей, эффективность трансформаторов и мерцание углеродных дуговых ламп играли роль в выборе частоты. Около 1893 года компании Westinghouse Electric Company в США и AEG в Германии решили стандартизировать свое генерационное оборудование на частотах 60 Гц и 50 Гц соответственно, что в конечном итоге привело к тому, что большая часть мира стала получать электроэнергию на одной из этих двух частот. Сегодня большинство систем 60 Гц обеспечивают номинальное напряжение 120/240 В, а большинство систем 50 Гц — номинальное напряжение 230 В. Значительные исключения составляют Бразилия, где существует синхронизированная сеть 60 Гц с напряжениями 127 В и 220 В в качестве стандартов в разных регионах, и Япония, где используются две частоты: 50 Гц для Восточной Японии и 60 Гц для Западной Японии.

The world's first public electricity supply was a water wheel driven system constructed in the small English town of Godalming in 1881. It was an alternating current (AC) system using a Siemens alternator supplying power for both street lights and consumers at two voltages, 250 V for arc lamps, and 40 V for incandescent lamps. The world's first large scale central plant—Thomas Edison's steam powered station at Holborn Viaduct in London—started operation in January 1882, providing direct current (DC) at 110 V. The Holborn Viaduct station was used as a proof of concept for the construction of the much larger Pearl Street Station in New York, the world's first permanent commercial central power plant. The Pearl Street Station also provided DC at 110 V, considered to be a "safe" voltage for consumers, beginning 4 September 1882. AC systems started appearing in the US in the mid 1880s, using higher distribution voltage stepped down via transformers to the same 110 V customer utilization voltage that Edison used. In 1883 Edison patented a three–wire distribution system to allow DC generation plants to serve a wider radius of customers to save on copper costs. By connecting two groups of 110 V lamps in series more load could be served by the same size conductors run with 220 V between them; a neutral conductor carried any imbalance of current between the two sub circuits. AC circuits adopted the same form during the war of the currents, allowing lamps to be run at around 110 V and major appliances to be connected to 220 V. Nominal voltages gradually crept upward to 112 V and 115 V, or even 117 V. After World War II the standard voltage in the U. S. became 117 V, but many areas lagged behind even into the 1960s. In 1954, the American National Standards Institute (ANSI) published C84.1 “American National Standard for Electric Power Systems and Equipment – Voltage Ratings (60 Hertz)”. This standard established 120 volt nominal system and two ranges for service voltage and utilization voltage variations. Today, virtually all American homes and businesses have access to 120 and 240 V at 60 Hz. Both voltages are available on the three wires (two "hot" legs of opposite phase and one "neutral" leg). In 1899, the Berliner Elektrizitäts Werke (BEW), a Berlin electrical utility, decided to greatly increase its distribution capacity by switching to 220 V nominal distribution, taking advantage of the higher voltage capability of newly developed metal filament lamps. The company was able to offset the cost of converting the customer's equipment by the resulting saving in distribution conductors cost. This became the model for electrical distribution in Germany and the rest of Europe and the 220 V system became common. North American practice remained with voltages near 110 V for lamps. In the first decade after the introduction of alternating current in the US (from the early 1880s to about 1893) a variety of different frequencies were used, with each electric provider setting their own, so that no single one prevailed. The most common frequency was 133⅓ Hz. The rotation speed of induction generators and motors, the efficiency of transformers, and flickering of carbon arc lamps all played a role in frequency setting. Around 1893 the Westinghouse Electric Company in the United States and AEG in Germany decided to standardize their generation equipment on 60 Hz and 50 Hz respectively, eventually leading to most of the world being supplied at one of these two frequencies. Today most 60 Hz systems deliver nominal 120/240 V, and most 50 Hz nominally 230 V. The significant exceptions are in Brazil, which has a synchronized 60 Hz grid with both 127 V and 220 V as standard voltages in different regions, and Japan, which has two frequencies: 50 Hz for East Japan and 60 Hz for West Japan.

Регулирование напряжения

Для поддержания напряжения в точке подключения потребителя в допустимом диапазоне, электрораспределительные компании используют регулирующее оборудование на электрических подстанциях или вдоль линии электропередачи. На подстанции понижающий трансформатор оснащается автоматическим переключателем ответвлений под нагрузкой, позволяющим ступенчато регулировать коэффициент преобразования между напряжением передачи и напряжением распределения. Для протяженных (несколько километров) сельских линий распределения автоматические регуляторы напряжения могут быть установлены на опорах линии. Это автотрансформаторы, также оснащенные переключателями ответвлений под нагрузкой для регулировки коэффициента преобразования в зависимости от наблюдаемых изменений напряжения. На каждом трансформаторе понижения напряжения в точке подключения потребителя имеется до пяти ответвлений, обеспечивающих определенный диапазон регулировки, обычно ±5% от номинального напряжения. Поскольку эти ответвления не управляются автоматически, они используются только для регулировки долгосрочного среднего напряжения в точке подключения, а не для регулирования напряжения, которое видит потребитель электроэнергии.

Качество энергии

Стабильность напряжения и частоты, подаваемой потребителям, различается в разных странах и регионах. "Качество электроэнергии" – это термин, описывающий степень отклонения от номинального напряжения и частоты питания. Кратковременные скачки и провалы напряжения негативно влияют на чувствительное электронное оборудование, такое как компьютеры и жидкокристаллические дисплеи. Долговременные перерывы в электроснабжении, пониженное напряжение и полное отключение электроэнергии, а также низкая надежность электроснабжения в целом, обычно увеличивают затраты для потребителей, которым может потребоваться инвестировать в источники бесперебойного питания или резервные генераторные установки для обеспечения электроэнергией в случае недоступности или непригодности электроснабжения от сети. Нестабильное электроснабжение может стать серьезным экономическим препятствием для предприятий и государственных служб, зависящих от электрического оборудования, освещения, систем климат-контроля и компьютеров. Даже в самых качественных энергосистемах возможны сбои или необходимость обслуживания. Поэтому компании, правительства и другие организации часто устанавливают резервные генераторы на важных объектах, чтобы гарантировать наличие электроэнергии даже при отключении электроснабжения. На качество электроэнергии также могут влиять искажения формы волны тока или напряжения в виде гармоник основной (сетевой) частоты или негармонических (интермодуляционных) искажений, например, вызванных электромагнитными помехами. В отличие от них, гармонические искажения обычно вызываются условиями работы нагрузки или генератора. В многофазных системах электроснабжения могут возникать искажения фазового сдвига, вызванные несбалансированными нагрузками.