電力供給

配電は電気の供給の最終段階です。電気は送電システムから個々の消費者に運ばれます。配電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​33 kVまで電圧を上げるには変圧器を使用します。^[1] 一次配電線は、この中電圧電力を顧客の敷地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、家庭用機器で使用される使用電圧まで電圧を下げます。多くの場合、複数の顧客に二次配電線を介して1つの変圧器から電力が供給されます。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ます。より大きな電力を必要とする顧客は、一次配電レベルまたは二次送電レベルに直接接続される場合があります。^[2]

送電から配電への移行は変電所で行われ、変電所は以下の機能を持つ。^[2]

• 遮断器とスイッチにより、変電所を送電網から切り離したり、配電線を切断したりすることができます。
• 変圧器は送電電圧を下げ、35kV以上、一次配電電圧まで。これらは中電圧回路であり、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、顧客に分散します。

都市部の配電は主に地下で行われ、時には共同のユーティリティダクトで行われる。農村部の配電は主に地上で電柱があり、郊外の配電はそれらの混合である。^[1] 顧客に近いところでは、配電用変圧器が一次配電電力を低電圧の二次回路（米国では住宅顧客の場合通常120/240 V）に降圧する。電力はサービスドロップと電気メーターを経由して顧客に供給される。都市システムの最終回路は15メートル（50フィート）未満であるが、農村部の顧客の場合は91メートル（300フィート）を超えることもある。^[1]

電力配電が必要になったのは、発電所で電気が発電され始めた1880年代になってからである。それまでは、電気は通常、使用される場所で発電されていた。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、照明を供給するために使用されていた。アーク照明は超高電圧（約3,000V）の交流（AC）または直流（DC）で動作し、白熱照明は低電圧（100V）の直流で動作する。^{[3]どちらも}ガス照明システムに取って代わり、アーク照明は大面積照明や街灯に取って代わり、白熱照明は商業用および住宅用のガス灯に取って代わった。

アーク照明で使用される高電圧により、単一の発電所から最長7マイル (11 km) の電灯列に電力を供給することができました。^{[4]また、電圧が2倍になるごとに、特定のケーブルは、低電圧の場合よりも同じ量の電力を4倍の距離に送電できます (同じ電力損失)。対照的に、1882年に設置された}エジソンの最初の発電所などの直流屋内白熱灯照明システムは、発電から最終使用まで低電圧 (110 V) を使用していたため、1マイル以上離れた顧客に電力を供給することが困難でした。低電圧はより高い電流を意味し、伝送には太い銅ケーブルが必要でした。実際には、エジソンの直流発電所は、さらに太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) 以内に設置する必要がありました。

長距離に電気を送るという問題は、電力供給の技術的な障害として認識され、照明会社によって多くの不十分な解決策がテストされました。しかし、1880 年代半ばに、機能的な変圧器が開発され、AC 電力を送電用にはるかに高い電圧に「昇圧」し、エンド ユーザーの近くで低い電圧に降圧できるようになり、画期的な進歩を遂げました。直流に比べて、AC は送電コストがはるかに安く、規模の経済性も大きく、大規模な AC 発電所は都市や地域全体に電力を供給できるため、AC の使用が急速に広まりました。

米国では、直流と交流の競争は1880年代後半に「電流戦争」という形で個人的な転機を迎えた。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米国初の交流変圧器システムの開発を攻撃し、長年にわたる高電圧交流システムによる死亡事故を強調し、交流システムは本質的に危険であると主張した。^[5]エジソンの宣伝キャンペーンは長くは続かず、彼の会社は1892年に交流に切り替えた。

欧州と米国における電動モーターの設計革新と、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エンジニアリングされたユニバーサルシステムの開発により、ACは電力伝送の主流となりました。 ^{[6] [7]}

20 世紀前半、多くの地域で電力産業は垂直統合されており、1 つの企業が発電、送電、配電、計測、課金を行っていました。1970 年代から 1980 年代にかけて、各国は規制緩和と民営化のプロセスを開始し、電力市場が誕生しました。配電システムは引き続き規制されますが、発電、小売、そして時には送電システムは競争市場へと変化しました。

電力は発電所から供給され、その電位差は33,000ボルトにも達する。通常は交流が使用される。鉄道電化システム、電話交換機、アルミニウム製錬などの工業プロセスなど、大量の直流電力を使用するユーザーは、整流器を使用して公共の交流電源から直流を取り出すか、独自の発電システムを持っている。 高電圧直流は、交流システムを分離したり、送電量を制御したりするのに有利である。例えば、ハイドロ・ケベックはジェームズ湾地域からボストンまで直流線を敷設している。^[8]

発電所から電力は発電所の開閉所に送られ、そこで昇圧変圧器によって電圧が 44 kV から 765 kV へと送電に適したレベルに上げられます。送電システムに入ると、各発電所からの電気は他の場所で生産された電気と結合されます。交流発電機の場合、共通ネットワークに接続されたすべての発電ユニットは同期され、わずかな許容誤差内で同じ周波数で動作する必要があります。あるいは、回転機や直流変換システムなどの外部電力変換器を介在させれば、異なる電源を組み合わせて共通負荷に供給することもできます。電気は生成されるとすぐに消費されます。光速に近い非常に高速で送信されます。

一次配電電圧は相間で4kVから35kV（相対中性線間で2.4kVから20kV）の範囲です。^[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。ほとんどの公益事業顧客は変圧器に接続されており、配電電圧は照明や屋内配線システムで使用される低電圧の「利用電圧」、「供給電圧」、または「主電源電圧」に下げられます。

配電網は放射状とネットワークの2種類に分けられます。^[10]放射状システムは木のように配置されており、各顧客には1つの供給源があります。ネットワークシステムでは、複数の供給源が並行して稼働しています。スポットネットワークは集中負荷に使用されます。放射状システムは、田舎や郊外でよく使用されます。

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によって実行できます。

長いフィーダーでは電圧降下（力率歪み）が発生するため、コンデンサまたは電圧レギュレータを設置する必要があります。

システムの要素間の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改善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、定義上、制約を伴う歴史的な単一目的問題です。1975 年に Merlin と Back ^{[11] が} アクティブ電力損失削減のための配電システムの再構成というアイデアを導入して以来、今日まで、多くの研究者が再構成問題を単一目的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 (目的としてアクティブ電力損失と信頼性指標を含む) を提案しています。この目的のために、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] および非優越ソート遺伝的アルゴリズムなど、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。^[15]

農村電化システムでは、配電線の距離が長いため、より高い配電電圧を使用する傾向がある（農村電化局を参照）。米国では7.2、12.47、25、34.5kVの配電が一般的であり、英国、オーストラリア、ニュージーランドでは11kVと33kVが一般的であり、南アフリカでは11kVと22kVが一般的であり、中国では10、20、35kVが一般的である。^[16]他の電圧が使用されることもある。

地方のサービスでは通常、柱と電線の数を最小限に抑えるようになっています。都市部の配電よりも高い電圧を使用するため、亜鉛メッキ鋼線を使用できます。丈夫な鋼線を使用すると、柱の間隔を広くしてもコストがかかりません。地方では、柱上変圧器は 1 つの顧客にしか対応できません。ニュージーランド、オーストラリア、サスカチュワン州、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、遠隔地の地方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、水処理施設、または大きな負荷（三相機器）を持つその他の顧客に電力を供給します。北米では、架空配電システムは、中性線付きの三相4線式である場合があります。農村部の配電システムでは、単相導体と中性線が長く配線されている場合があります。^[17] 他の国や極端に田舎の地域では、中性線を地面に接続して、それをリターンとして使用します（単線アースリターン）。

電気は、地域によって50Hzまたは60Hzの周波数で供給されます。家庭の顧客には単相電力として供給されます。ヨーロッパなど一部の国では、大規模な建物に三相供給が利用できる場合があります。オシロスコープで見ると、北米の家庭用電力供給は正弦波のように見え、-170ボルトから170ボルトの間を振動し、実効電圧は120ボルトRMSになります。^[18] 三相電力は、使用されるケーブルあたりの供給電力の点でより効率的であり、大型の電気モーターを動かすのにより適しています。電気ストーブや衣類乾燥機など、一部の大型ヨーロッパ家電製品は三相電力で駆動される場合があります。

通常、接地接続は、顧客のシステムだけでなく、電力会社が所有する機器にも提供されます。顧客のシステムを接地に接続する目的は、高電圧導体が、通常は地面より低い位置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。接地システムには、TT、TN-S、TN-CS、または TN-C があります。

世界のほとんどの国では、住宅や軽工業向けに 50 Hz 220 または 230 V 単相、または 400 V 三相が使用されています。このシステムでは、一次配電網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 電力は、通常半径 1 km 未満の地域のエンド ユーザーに直接配電されます。3 本の活線 (ホット)と中性線が建物に接続され、三相サービスが提供されます。1 本の活線と中性線を使用した単相配電は、総負荷が軽い家庭で使用されます。ヨーロッパでは、産業用および家庭用の電気は通常、三相 4 線式システムで配電されます。これにより、相間電圧はY 字型サービスで400 ボルト 、任意の 1 つの相と中性線の間では単相電圧が230 ボルトになります。英国では、典型的な都市部または郊外の低電圧変電所の定格は通常 150 kVA から 1 MVA で、数百軒の住宅がある地域全体に電力を供給しています。変圧器は通常、1 世帯あたり 1 ～ 2 kW の平均負荷に合わせてサイズが決められており、サービスヒューズとケーブルは、1 つの住宅でおそらくこの 10 倍のピーク負荷を引き出せるようにサイズが決められています。産業顧客向けには、3 相690 / 400 ボルトも利用可能で、または現地で発電することもできます。^[19] 大規模な産業顧客は、入力が 11 kV ～ 220 kV の独自の変圧器を所有しています。

南北アメリカ大陸の大半では、60 Hz の交流が使用されており、国内では 120/240 ボルトの分相システム、大規模な設備では三相が使用されています。北米の変圧器は通常、ヨーロッパの 230 ボルトと同様に、240 ボルトで家庭に電力を供給します。分相により、家庭で 120 ボルトを使用することができます。

日本の電力部門では、標準電圧は100Vで、交流周波数は50Hzと60Hzの両方が使用されています。国によっては50Hzを使用しているところもあれば、60Hzを使用しているところもあります。 ^[20]これは1890年代の名残です。東京の一部の地域電力会社は50Hzのドイツ製機器を輸入し、大阪の地域電力会社は60Hzの発電機を米国から導入しました。送電網は拡大し、最終的には国全体が有線化されました。今日、周波数は東日本（東京、横浜、東北、北海道を含む）では50Hz、西日本（名古屋、大阪、京都、広島、四国、九州を含む）では60Hzです。^[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。この非互換性の問題は、2011年の東北地方の地震と津波で東部の電力容量の約3分の1が失われ、国内に共通の周波数がないため、西部の電力を東部と完全に共有できなかったときに世間の注目を集めました。^[20]

日本には交流周波数の境界を越えて電力を移動させる高電圧直流（HVDC）変換所が4つある。新信濃は日本国内の連続HVDC施設で、日本の西部と東部の電力網を結ぶ4つの周波数変換器のうちの1つである。他の3つは東清水、南福光、佐久間ダムにある。これらを合わせると、最大1.2GWの電力を東西に移動させることができる。^[22]

現代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、分相電力を使用することで、120 ボルトのコンセントと 240 ボルトのコンセントの両方を備えることができます。120 ボルトは、通常、照明とほとんどの壁コンセントに使用されます。240 ボルト回路は、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に電力を供給するために使用される場合もあります。

伝統的に、配電システムは、送電網からの電気を顧客間で共有する単純な配電線としてのみ機能していました。今日の配電システムは、太陽エネルギーや風力エネルギーなどの分散型発電リソースによって、電力システムの配電レベルでの再生可能エネルギー発電と密接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独立しつつあります。これらの現代の配電網（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ことは非常に困難であり、運用するにはさまざまな技術的および運用上の手段を使用する必要があります。そのようなツールには、バッテリーストレージ発電所、データ分析、最適化ツールなど が含まれます。

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Wikiversityには電力配電に関する学習リソースがあります

• IEEE 電力工学協会
• IEEE 電力工学協会 配電小委員会
• 米国エネルギー省電力配電ウェブサイト