Loading article…
配電は電力供給の最終段階です。電力は送電システムから個々の消費者に送られます。配電変電所は送電システムに接続され、送電電圧を中電圧（100Vから100V）まで下げます。2 kV と 変圧器を使用して33 kVに昇圧します。[ 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変圧器に送ります。配電変圧器は、照明、産業機器、家庭用電化製品で使用される使用電圧に電圧を降圧します。多くの場合、1 つの変圧器から二次配電線を介して複数の顧客に電力が供給されます。商業顧客と住宅顧客は、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サブトランスミッション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、変電所には次の機能があります。[ 2 ]
都市部の配電は主に地下で行われ、時には共通のユーティリティダクト内を通る。農村部の配電は主に電柱のある地上で行われ、郊外の配電は混合である。[ 1 ] 顧客の近くでは、配電変圧器が一次配電電力を低電圧の二次回路に降圧し、米国では住宅顧客の場合、通常120/240 Vとなる。電力はサービスドロップと電力メーターを介して顧客に供給される。都市部のシステムでは最終回路は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）を超えることがある。 [ 1 ]
電力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。それまでは、電力は通常、使用場所で発電されていました。ヨーロッパやアメリカ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。アーク灯は、非常に高い電圧（約3,000V）の交流（AC）または直流（DC）で動作し、白熱灯は低電圧（100V）の直流で動作しました。[ 3 ]どちらもガス灯システムに取って代わり、アーク灯は広範囲の照明や街路灯に、白熱灯は商業施設や住宅のガス灯に取って代わりました。
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大7 マイル (11 km)の長さの照明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、同じ量の電力を低電圧の場合の 4 倍の距離まで送電できるようになります (電力損失は同じ)。 対照的に、 1882 年にエジソンが最初に設置した発電所のような直流屋内白熱灯システムは、発電から最終使用まで低電圧 (110 V) を使用するため、1 マイル以上離れた顧客に電力を供給するのが困難でした。低電圧はより大きな電流を意味し、送電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。
長距離送電の問題は、電力配電における技術的な障害として認識されるようになり、照明会社は多くの不十分な解決策を試みた。しかし、1880年代半ばに、交流電力をより高い電圧に昇圧して送電し、最終消費者の近くでより低い電圧に降圧できる機能的な変圧器の開発によって、大きな進歩が見られた。直流と比較して、交流は送電コストがはるかに安く、規模の経済性も大きかった。大規模な交流発電所は都市や地域全体に電力を供給できる能力を備えており、交流の利用は急速に普及した。
米国では、直流と交流の競争が1880年代後半に「電流戦争」という形で個人的なものへと発展した。トーマス・エジソンが、米国初の交流変圧器システムを開発したジョージ・ウェスティングハウスを攻撃し、長年にわたって高電圧交流システムによって引き起こされた死者を強調し、交流システムは本質的に危険であると主張したのである。[ 5 ]エジソンの宣伝活動は短命に終わり、彼の会社は1892年に交流に切り替えた。
交流は、ヨーロッパとアメリカにおける電動機の設計革新と、多数の既存システムを大規模な交流グリッドに接続できる汎用システムの開発により、電力伝送の主流となった。 [ 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つの会社が発電、送電、配電、計量、請求を行っていた。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、電力市場が誕生した。配電システムは自然独占であるため規制されたままであったが[ 8 ]、発電、小売、そして場合によっては送電システムは競争市場へと変貌した。
電力は発電所から供給され、そこでは電位差が最大 33,000 ボルトにも達することがあります。通常は交流が使用されます。鉄道電化システム、電話交換機、アルミニウム精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供給から直流を得るか、独自の発電システムを持つ場合があります。 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す。たとえば、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送電線を所有しています。[ 9 ]
発電所から発電所の開閉所へ送られ、そこで昇圧変圧器（電気変圧器）によって電圧が送電に適したレベル、44 kV から 765 kV まで昇圧されます。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発電された電力と合流します。交流発電機の場合、共通の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、わずかな許容範囲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ることで、異なる電源を組み合わせて共通の負荷に供給することもできます。電力は発電されるとすぐに消費されます。電力は光速に近い非常に高速で送電されます。
一次配電電圧は、相間電圧が 4 kV ～ 35 kV (相中性点間電圧が 2.4 kV ～ 20 kV) の範囲です[ 10 ]。大規模な消費者のみが配電電圧から直接供給されます。ほとんどの電力会社の顧客は変圧器に接続され、配電電圧が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」に降圧されます。
配電網は、放射状システムとネットワークの2種類に分けられます。[ 11 ]放射状システムは、各顧客が1つの供給源を持つツリー状に配置されています。ネットワークシステムでは、複数の供給源が並列に稼働します。スポットネットワークは、負荷が集中する場合に使用されます。放射状システムは、農村部や郊外でよく使用されます。[ 12 ]
放射状配電システムには通常、故障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部が設けられています。これは、スイッチを開閉して特定のセクションを電力網から切り離すことによって実現できます。
長距離送電線では電圧降下（力率歪み）が発生するため、コンデンサーまたは電圧調整器の設置が必要となる。
システムの要素間の機能リンクを交換する再構成は、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対策の 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、制約付きの歴史的な単一目的問題です。1975 年に Merlin と Back [ 13 ] が電力損失削減のための配電システムの再構成の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、さまざまな人工知能ベースの方法が使用されています。マイクロ遺伝的[ 14 ] 、分岐交換[ 15 ] 、粒子群最適化[ 16 ] 、非劣解ソート遺伝的アルゴリズム[ 17 ]などです。
農村電化システムでは、配電線がカバーする距離が長いため、より高い配電電圧が使用される傾向があります（農村電化局を 参照）。米国では7.2、12.47、25、および 34.5 kV の配電が一般的です。英国、オーストラリア、ニュージーランドでは11 kV と 33 kV が一般的です。南アフリカでは 11 kV と 22 kV が一般的です。中国では10、20、および 35 kV が一般的です。 [ 18 ]その他の電圧が使用されることもあります。
農村部の電力供給では、通常、電柱と電線の数を最小限に抑えるように努めています。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ことで、電柱の間隔を広くしてもコストを抑えることができます。農村部では、電柱に取り付けられた変圧器が1つの顧客のみに電力を供給する場合があります。ニュージーランド、オーストラリア、カナダのサスカチュワン州、南アフリカでは、遠隔地の農村部への電力供給に単線接地帰路方式（SWER）が使用されています。
三相サービスは、大規模な農業施設、石油ポンプ施設、浄水場、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、1本の相導体と中性線が長い配線になっている場合があります。[ 19 ] 他の国や極端に農村部では、中性線は接地線に接続され、それを帰線として使用します（単線接地帰線）。
地域によって、電力は 50 Hz または 60 Hz の周波数で供給されます。家庭用電力は単相電力として供給されます。ヨーロッパなどの一部の国では、より大きな建物向けに三相電源が提供される場合があります。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、実効電圧は 120 ボルト RMS になります。[ 20 ]三相電力は、使用するケーブルあたりの電力供給効率が高く、大型電気モーターの駆動に適しています。電気ストーブや衣類乾燥機など、ヨーロッパの大型家電製品の中には三相電力で動作するものもあります。
接地接続は通常、顧客のシステムと電力会社が所有する機器の両方に設けられています。顧客のシステムを接地する目的は、高電圧導体が地面に近い位置に設置されている低電圧導体に落下した場合、または配電変圧器内部で故障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。
世界のほとんどの地域では、住宅および軽工業サービスに50 Hz 220 または 230 V の単相、または 380 または 400 V の三相が使用されています。このシステムでは、一次配電網が地域ごとに数個の変電所に電力を供給し、各変電所からの 230/400 V の電力が、通常半径1 km 未満の地域内のエンドユーザーに直接配電されます。三相サービスでは、3 本の活線 (ホット)と中性線が建物に接続されます。総負荷が軽い家庭では、1 本の活線と中性線による単相配電が使用されます。ヨーロッパでは、産業用および家庭用の電力は通常、三相 4 線システムによって配電されます。これにより、相間電圧は400 ボルトのY 結線サービスとなり、任意の 1 つの相と中性線の間には230 ボルトの単相電圧が供給されます。英国では、典型的な都市部または郊外の低電圧変電所は通常 150 kVA から 1 MVA の定格で、数百軒の家がある地域全体に電力を供給します。変圧器は通常、世帯あたり平均 1 ～ 2 kW の負荷でサイズが決められ、サービスヒューズとケーブルは、1 つの建物がおそらくその 10 倍のピーク負荷を引き込め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400 / 690 ボルトも利用可能で、またはローカルで発電される場合もあります。[ 21 ] 大規模な商業および産業顧客は、11 kV から 33 kV の入力を持つ独自の配電変圧器を持っています。一部の高消費ユーザーは、110 kV から 220 kV の送電網から供給されます。
南北アメリカ大陸のほとんどの地域では 、60Hzの交流電源が使用されており、家庭用には120/240ボルトの分割相電源、大規模設備には三相電源が用いられています。北米の変圧器は通常、ヨーロッパの230ボルトと同様に、家庭に240ボルトの電力を供給します。家庭で120ボルトを使用できるのは、分割相電源方式のおかげです。
日本の電力部門では、標準電圧は100V で、50Hzと 60Hzの交流周波数が使用されています。国内の一部地域では 50Hzが使用され、他の地域では 60Hzが使用されています。[ 22 ]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 の地域電力会社は米国から60Hzの発電機を輸入しました。送電網は拡大し、最終的には全国に配線されました。現在、東日本（東京、横浜、東北、北海道を含む）では周波数は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。[ 23 ]
ほとんどの家庭用電化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。互換性の問題が世間の注目を集めたのは、2011年の東北地方太平洋沖地震と津波で東部の電力容量の約3分の1が停止し、日本には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することができなかった時でした。[ 22 ]
日本の交流周波数境界を越えて電力を送電する高電圧直流（HVDC）変換所は4つあります。新信濃は、日本の西側と東側の電力網を結ぶ4つの周波数変換器所のうちの1つである、背中合わせのHVDC施設です。他の3つは、東清水、南福光、佐久間ダムにあります。これらを合わせると、最大1.2 GWの電力を東または西に送電できます。[ 24 ]
現代の北米の住宅のほとんどは、変圧器から240ボルトの電力を受け取るように配線されており、単相配電方式を採用することで、120ボルトと240ボルトの両方のコンセントを設置できます。120ボルトは通常、照明や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、高出力の熱を必要とする電化製品に使用されます。また、電気自動車の充電器への電力供給にも使用されることがあります。
従来、配電システムは送電網からの電力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、太陽光発電や風力発電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再生可能エネルギー発電と高度に統合されています。[ 25 ]その結果、配電システムは送電網から徐々に独立しつつあります。これらの最新の配電網（マイクログリッドと呼ばれることもあります）における需給関係のバランスを取ることは困難であり、運用にはさまざまな経済的、技術的、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、市場シグナル、バッテリー蓄電発電所、データ分析、最適化ツールなどが含まれます。
極端な高温時の周囲温度の上昇は、送配電システムの効率を低下させる可能性があります。変圧器、地下ケーブル、架空線の電力定格は、周囲温度が高いと制限されます。[ 26 ]