電力システム

電力システムとは、電力を供給、転送、および使用するために配備された電気コンポーネントのネットワークです。電力システムの例としては、広範囲の家庭や産業に電力を供給する電力網が挙げられます。電力網は、電力を供給する発電機、発電所から負荷センターに電力を運ぶ送電システム、および近隣の家庭や産業に電力を供給する 配電システムに大別できます。

小規模な電力システムは、産業、病院、商業ビル、家庭にも見られます。単線結線図は、このシステム全体を表すのに役立ちます。これらのシステムの大部分は、現代世界における大規模な電力伝送と配電の標準である三相交流電力に依存しています。航空機、電気鉄道システム、定期船、潜水艦、自動車などには、必ずしも三相交流電力に依存しない特殊な電力システムがあります。

1881年、2人の電気技師がイギリスのゴダルミングに世界初の電力システムを構築した。このシステムは2つの水車で駆動され、交流電流を生成し、250ボルトのシーメンスアーク灯7個と40ボルトの白熱灯34個に電力を供給した。^[1]しかし、ランプへの電力供給は断続的であったため、1882年にトーマス・エジソンと彼の会社であるエジソン電灯会社は、ニューヨーク市のパールストリートに初の蒸気動力発電所を開発した。パールストリート発電所は当初、59の顧客に約3,000個のランプを供給した。^{[2] [3]}この発電所は直流電流を生成し、単一電圧で動作した。直流電力は、長距離送電中に電力損失を最小限に抑えるために必要な高電圧に簡単かつ効率的に変換することができなかったため、発電機と負荷間の最大経済距離は約半マイル（800メートル）に制限された。^[4]

同年、ロンドンでルシアン・ゴラールとジョン・ディクソン・ギブスは「二次発電機」を実演した。これは実際の電力システムで使用できる最初の変圧器である。^{[5]ゴラールとギブスの変圧器の実用的価値は、1884年に}トリノで実証された。この変圧器は、交流発電機1台で40キロメートル（25マイル）の鉄道を照らすのに使用された。^[6]システムは成功したが、2人はいくつかの基本的なミスを犯した。おそらく最も深刻なのは、変圧器の一次側を直列に接続したため、点灯中のランプが、線路のさらに下にある他のランプの明るさに影響を与えたことだ。

1885年、オットー・ティトゥシュ・ブラティはカーロイ・ツィペルノフスキー、ミクサ・デリーと共同で、ゴーラールとギブスの二次発電機を完成させ、鉄心を閉じた構造にし、現在では「変圧器」と呼ばれています。^{[7] 3人の技術者は、ブダペストの国立総合博覧会で、イギリスの科学者[a]}が提案した並列交流配電システムを実装した電力システムを発表しました。このシステムでは、複数の電力変圧器の一次巻線が高圧配電線から並列に給電されます。このシステムは、1000個以上のカーボンフィラメントランプを点灯し、その年の5月から11月まで正常に動作しました。^[8]

同じく1885年に、アメリカの起業家ジョージ・ウェスティングハウスがゴーラード・ギブス変圧器の特許を取得し、シーメンス発電機とともに多数の変圧器を輸入し、技術者たちに実験をさせて商用電力システムで使えるように改良しようとさせた。1886年、ウェスティングハウスの技術者の一人ウィリアム・スタンレーが、変圧器を並列ではなく直列に接続することの問題点を独自に認識し、さらに変圧器の鉄心を完全密閉ループにすると二次巻線の電圧調整が改善されることに気づいた。 ^[9]この知識を使って、彼は1886年にマサチューセッツ州グレート・バリントンで複数の家庭や企業に電力を供給する多電圧変圧器ベースの交流電力システムを構築した。 ^[10]しかし、このシステムは主に発電の問題により信頼性が低く短命だった。^[11]しかし、そのシステムを基に、ウェスティングハウスはその年の後半にエジソン社と競合して交流変圧器システムの設置を開始することになる。 1888年、ウェスティングハウスはニコラ・テスラの多相交流誘導電動機と変圧器の設計に関する特許をライセンスした。テスラはウェスティングハウス・エレクトリック・アンド・マニュファクチャリング・カンパニーで1年間コンサルタントを務めたが、ウェスティングハウスのエンジニアが実用的な多相電動機と伝送システムを開発するまでにさらに4年を要した。^{[12] [13]}

1889年までに電力産業は繁栄し、電力会社は米国とヨーロッパで数千の電力システム（直流と交流の両方）を構築しました。これらのネットワークは事実上、電気照明の提供に専念していました。この間、トーマス・エジソンとジョージ・ウェスティングハウスの会社間の競争は、どちらの送電形式（直流または交流）が優れているかをめぐるプロパガンダキャンペーンにまで発展し、一連の出来事は「電流戦争」として知られています。 ^{[14] 1891年、ウェスティングハウスは、100馬力（75kW）の同期電動機を駆動し、電気照明も提供するように設計された最初の主要な電力システムを}コロラド州テルライドに設置しました。^[15]大西洋の反対側では、ミハイル・ドリヴォ＝ドブロヴォルスキーとチャールズ・ユージン・ランスロット・ブラウンが、フランクフルト電気技術博覧会のために、ラウフェン・アム・ネッカーからフランクフルト・アム・マインまで初の長距離（175キロメートル（109マイル））高電圧（15kV、当時の記録）三相送電線を建設し、ランプを点灯し、送水ポンプを稼働させた。^{[16] [9]米国では、エジソン・ゼネラル・エレクトリックが最大の交流ライバルである}トムソン・ヒューストン・エレクトリック・カンパニーに買収され、ゼネラル・エレクトリックが設立されたことで、交流/直流競争は終結した。1895年、長期にわたる意思決定プロセスの後、交流が送電標準として選ばれ、ウェスティングハウスがナイアガラの滝にアダムス第1発電所を建設し、ゼネラル・エレクトリックがバッファローに11kVで供給する三相交流電力システムを構築した。^[9]

電力システムの発展は19世紀以降も続いた。1936年、ニューヨーク州スケネクタディとメカニックビルの間に、水銀アークバルブを使用した最初の実験的な高電圧直流（HVDC）線が建設された。^[17] HVDCは、それ以前にも直流発電機とモーターを直列に接続することで実現されていたが（Thuryシステム）、これには重大な信頼性の問題があった。^{[18] [ 17]}一般的な電力用途に適した最初の固体金属ダイオードは、1928年にTeKaDeのエルンスト・プレッサーによって開発された。これは、アルミニウム板に塗布されたセレンの層で構成されていた。 ^[19] 1957年、ゼネラル・エレクトリックの研究グループが電力用途に適した最初のサイリスタを開発し、パワーエレクトロニクスに革命を起こした。同年、シーメンスは固体整流器を実証したが、固体デバイスがHVDCの標準となったのは1970年代初頭、GEがサイリスタベースのHVDCのトップサプライヤーの1つとして台頭したときだった。^{[20] 1979年、シーメンス、ブラウン・ボベリ・アンド・シー、AEGを含む欧州コンソーシアムは、}カボラ・バッサからヨハネスブルグまでの 記録的なHVDCリンクを実現した。このリンクは1,420キロメートル（880マイル）以上に及び、533kVで1.9GWを伝送した。^[17]

近年、情報通信技術(ICT) 分野のイノベーションが電力工学分野にまで広がったことで、多くの重要な発展がもたらされました。たとえば、コンピューターの発達により、負荷フロー調査をより効率的に実行できるようになり、電力システムの計画を大幅に改善できるようになりました。また、情報技術と通信の進歩により、電力システムのスイッチギアと発電機を効果的に遠隔制御できるようになりました。

電力は、電流と電圧という 2 つの量の積です。これら 2 つの量は、時間とともに変化することも ( AC 電力)、一定レベルに保たれることもあります ( DC 電力)。

ほとんどの冷蔵庫、エアコン、ポンプ、産業機械は交流電源を使用していますが、ほとんどのコンピュータやデジタル機器は直流電源を使用しています（電源に接続されたデジタル機器には通常、交流電源から直流電源に変換するための内部または外部電源アダプタが付いています）。交流電源は電圧の変換が容易であるという利点があり、ブラシレス機械で生成して使用することができます。直流電源はデジタルシステムでは唯一の実用的な選択肢であり、非常に高い電圧で長距離伝送する場合に経済的です（HVDCを参照）。^{[21] [22]}

交流電力の電圧を簡単に変換できることは、2つの理由で重要です。第一に、電圧が高いほど電力を長距離にわたって損失が少なく送電できます。そのため、発電が負荷から遠い電力システムでは、発電点で電力の電圧をステップアップ（増加）し、負荷の近くでステップダウン（減少）することが望ましいです。第二に、ほとんどの機器で使用されるよりも高い電圧を生成するタービンを設置する方が経済的であることが多いため、電圧を簡単に変換できることは、電圧間の不一致を簡単に管理できることを意味します。^[21]

半導体革命の産物である固体素子デバイスは、直流電力を異なる電圧に変換し、ブラシレス直流機械を構築し、交流電力と直流電力を変換することを可能にする。しかし、固体技術を利用したデバイスは従来のものよりも高価なことが多いため、交流電力は依然として広く使用されている。^[23]

すべての電力システムには、1 つ以上の電源があります。電力システムによっては、電源がシステムの外部にある場合もありますが、システム自体の一部である場合もあります。このセクションの残りの部分では、これらの内部電源について説明します。直流電力は、バッテリー、燃料電池、または太陽電池によって供給されます。交流電力は通常、ターボ発電機と呼ばれる装置の磁場内で回転するローターによって供給されます。タービンのローターを回転させる技術は多岐にわたり、化石燃料(石炭、ガス、石油など) や原子力エネルギーを使用して加熱された蒸気から、落水 (水力発電) や風 (風力発電) まであります。

ローターの回転速度と発電機の極数の組み合わせにより、発電機が生成する交流電流の周波数が決まります。単一の同期システム (たとえば、全国送電網)上のすべての発電機は、同じ速度の約数で回転し、同じ周波数の電流を生成します。システムの負荷が増加すると、発電機はその速度で回転するためにより大きなトルクを必要とし、蒸気発電所では、発電機を駆動するタービンにさらに多くの蒸気を供給する必要があります。したがって、使用される蒸気と消費される燃料は、供給される電気エネルギーの量に直接関係します。ギアレス風力タービンなどのパワーエレクトロニクスを組み込んだ発電機や、 HVDCリンクなどの非同期接続を介してグリッドにリンクされた発電機の場合は例外があり、これらは電力システムの周波数とは独立した周波数で動作できます。

交流発電機は、ポールへの給電方法に応じて、さまざまな相数の電力を生成できます。相数が多いほど、電力システムの運用効率が向上しますが、システムのインフラストラクチャ要件も増加します。^[24]電力グリッドシステムは、同じ周波数で動作する複数の発電機を接続します。最も一般的なのは、50 Hzまたは60 Hzの三相です。

電源の設計にはさまざまな考慮事項があります。これらは、次のような明白なものから、発電機が供給できる電力はどれくらいか、発電機の始動に許容できる時間はどれくらいか（発電機によっては始動に数時間かかるものもある）といったものまで多岐にわたります。電源の可用性は許容できるか（再生可能エネルギーの中には、太陽が照っているときや風が吹いているときしか利用できないものもあります）？より技術的なものまで、発電機はどのように始動すべきか（タービンの中には、速度を上げるためにモーターのように動作するものがあり、その場合は適切な始動回路が必要です）？タービンの機械的な動作速度はどれくらいで、その結果必要な極数はいくつか？どのタイプの発電機が適しているか（同期または非同期）、どのタイプのローター（かご型ローター、巻線型ローター、突極型ローター、円筒型ローター）は何か？^[25]

電力システムは、機能を果たす負荷にエネルギーを供給します。これらの負荷は、家庭用電化製品から産業機械まで多岐にわたります。ほとんどの負荷は、特定の電圧を要求し、交流機器の場合は特定の周波数と相数を必要とします。たとえば、住宅環境にある電化製品は通常、50 Hz または 60 Hz で動作する単相で、電圧は 110 ～ 260 ボルトです (国の基準によります)。例外として、大規模な集中空調システムでは、より効率的に動作するため、三相になることが多いです。すべての電気機器には、機器が消費する電力量を指定するワット数定格もあります。電力システムの負荷によって消費される正味の電力量は、常に、供給によって生成される正味の電力量から伝送中に失われる電力量を差し引いた値に等しくなければなりません。^{[26] [27]}

負荷に供給される電圧、周波数、電力量が期待どおりであることを確認することは、電力システムエンジニアリングの大きな課題の 1 つです。ただし、これは唯一の課題ではありません。負荷が有用な作業を行うために使用する電力 (有効電力と呼ばれる) に加えて、多くの交流デバイスも、交流電圧と交流電流がわずかに同期しなくなるため、追加の電力を使用します (無効電力と呼ばれる)。有効電力と同様に、無効電力はバランスが取れている必要があり (つまり、システムで生成される無効電力は消費される無効電力と等しくなければなりません)、発電機から供給できますが、多くの場合、そのような電力はコンデンサから供給する方が経済的です (詳細については、以下の「コンデンサとリアクタ」を参照してください)。^[28]

負荷に関する最後の考慮事項は、電力品質に関係しています。持続的な過電圧と低電圧（電圧調整の問題）およびシステム周波数からの持続的な偏差（周波数調整の問題）に加えて、電力システムの負荷は、さまざまな一時的な問題によって悪影響を受ける可能性があります。これには、電圧の低下、ディップ、スウェル、過渡的過電圧、ちらつき、高周波ノイズ、位相不均衡、および力率の低下が含まれます。^[29]電力品質の問題は、負荷への電力供給が理想から逸脱したときに発生します。電力品質の問題は、特殊な産業機械や病院の機器に関しては特に重要になる可能性があります。

導体は発電機から負荷へ電力を運びます。送電網では、導体は、発電所から負荷センターへ高電圧（通常69kV以上）で大量の電力を運ぶ送電システムに属するものと、負荷センターから近隣の家庭や産業へ低電圧（通常69kV未満）で少量の電力を供給する配電システムに属するものとに分類されます。^[30]

導体の選択は、コスト、送電損失、引張強度などの金属の望ましい特性などの考慮事項に基づいて行われます。銅はアルミニウムよりも抵抗率が低いため、かつてはほとんどの電力システムで導体として選ばれていました。しかし、アルミニウムは同じ電流容量に対してコストが低いため、現在では導体として選ばれることが多いです。架空線導体は、鋼鉄またはアルミニウム合金で補強されることがあります。^[31]

屋外電力システムの導体は、頭上または地中に設置される。頭上の導体は通常、空気絶縁されており、磁器、ガラス、またはポリマー絶縁体で支えられている。地下送電や 建物配線に使用されるケーブルは、架橋ポリエチレンまたはその他の柔軟な絶縁体で絶縁されている。導体は、より柔軟にして設置しやすくするために、より線にされることが多い。^[32]

導体の定格は通常、周囲温度を超えた一定の温度上昇時に流せる最大電流で決まります。導体を流れる電流が増加すると導体は熱くなります。絶縁導体の場合、定格は絶縁によって決まります。^[33]裸導体の場合、定格は導体のたわみが許容できなくなる点によって決まります。^[34]

一般的な AC 電力システムにおける負荷の大部分は誘導性であり、電流は電圧より遅れます。電圧と電流は位相がずれているため、無効電力と呼ばれる「架空の」電力形態が発生します。無効電力は測定可能な作業は行いませんが、無効電力源と負荷の間でサイクルごとにやり取りされます。この無効電力は発電機自体で供給できますが、コンデンサを介して供給する方が安価になる場合が多いため、コンデンサは誘導性負荷の近く (つまり、最も近い変電所の現場ではない場合) に配置され、電力システムの電流需要が削減されます (つまり、力率が上がります)。

リアクトルは無効電力を消費し、長い送電線の電圧を調整するために使用されます。送電線の負荷がサージインピーダンス負荷よりはるかに低い軽負荷状態では、リアクトルを切り替えることで電力システムの効率が実際に改善される可能性があります。電力システムに直列に設置されたリアクトルは電流の突入も制限するため、コンデンサの切り替えに関連する電流の突入を制限するために、小型リアクトルはほとんどの場合コンデンサと直列に設置されます。直列リアクトルは故障電流を制限するためにも使用できます。

コンデンサとリアクトルは遮断器によって切り替えられ、その結果、無効電力に大きなステップ変化が生じます。この解決策として、同期コンデンサ、静的無効電力補償装置、静的同期補償装置があります。簡単に言えば、同期コンデンサは、無効電力を生成または吸収するために自由に回転する同期モーターです。^[35]静的無効電力補償装置は、遮断器ではなくサイリスタを使用してコンデンサを切り替えることで機能し、コンデンサを1サイクル内で切り替えることができます。これにより、遮断器で切り替えるコンデンサよりもはるかに洗練された応答が得られます。静的同期補償装置は、パワーエレクトロニクスのみを使用して無効電力調整を実現することで、これをさらに一歩進めています。

パワーエレクトロニクスは、数百ワットから数百メガワットに及ぶ電力量を切り替えることができる半導体ベースのデバイスです。機能は比較的単純ですが、動作速度（通常はナノ秒単位[36] ）により、従来の技術では困難または不可能な幅広いタスクを実行できます。パワーエレクトロニクスの典型的な機能は整流、つまりACからDCへの電力の変換であるため、パワーエレクトロニクスは、壁のコンセントに差し込むアダプタ（^写真参照）またはデバイスの内部コンポーネントとして、AC電源から供給されるほぼすべてのデジタルデバイスに使用されています。高出力パワーエレクトロニクスは、HVDCと呼ばれるシステムで長距離送電するためにAC電力をDC電力に変換するためにも使用できます。HVDCが使用されるのは、同様の高電圧ACシステムよりも非常に長い距離（数百から数千キロメートル）で経済的であることが証明されているためです。HVDCは周波数に依存しないためシステムの安定性が向上するため、相互接続にも適しています。パワーエレクトロニクスは、AC 出力を生成する必要があるが、その性質上 DC 出力も生成するあらゆる電源にとって不可欠です。そのため、太陽光発電設備ではパワーエレクトロニクスが使用されます。

パワーエレクトロニクスは、より特殊な用途にも幅広く使用されています。パワーエレクトロニクスは、現代のすべての電気自動車やハイブリッド自動車の心臓部であり、モーター制御とブラシレスDCモーターの一部として使用されています。パワーエレクトロニクスは、事実上すべての現代のガソリン車にも搭載されています。これは、車のバッテリーだけで供給される電力では、車の寿命にわたって点火、エアコン、車内照明、ラジオ、ダッシュボードディスプレイを提供するのに不十分だからです。そのため、運転中にバッテリーを充電する必要がありますが、これは通常、パワーエレクトロニクスを使用して実現されます。^[37]

一部の電気鉄道システムでは直流電力も使用しており、パワーエレクトロニクスを使用して機関車にグリッド電力を供給し、機関車のモーターの速度制御にもよく使用されています。20世紀半ばには、整流器機関車が人気を博しました。これは、鉄道ネットワークからの交流電力を直流モーターで使用するためにパワーエレクトロニクスを使用して変換したものです。^[38]今日、ほとんどの電気機関車は交流電力を供給され、交流モーターを使用して走行しますが、適切なモーター制御を提供するために依然としてパワーエレクトロニクスを使用しています。整流に加えて、モーター制御とスターター回路を支援するパワーエレクトロニクスの使用により、幅広い産業機械にパワーエレクトロニクスが登場しています。パワーエレクトロニクスは現代の家庭用エアコンにも登場しており、可変速風力タービンの心臓部となっています。

電力システムには、故障時に怪我や損傷を防ぐための保護装置が組み込まれています。典型的な保護装置はヒューズです。ヒューズを流れる電流が一定のしきい値を超えると、ヒューズ素子が溶けて、生じたギャップにアークが発生し、その後アークが消えて回路が遮断されます。ヒューズはシステムの弱点として構築できるため、回路を損傷から保護するには理想的です。ただし、ヒューズには 2 つの問題があります。1 つ目は、ヒューズは機能した後、リセットできないため交換する必要があることです。ヒューズが離れた場所にある場合や予備のヒューズが手元にない場合は、不便です。2 つ目は、ヒューズは、人間や動物にとって致命的となる電流をはるかに超える電流を流すため、ほとんどの電力システムで唯一の安全装置としては通常不十分であることです。

最初の問題は、回路ブレーカー(電流を遮断した後にリセットできるデバイス)を使用することで解決されます。約 10 kW 未満の電力を使用する最新のシステムでは、小型回路ブレーカーが一般的に使用されます。これらのデバイスは、トリップを開始するメカニズム (過電流を感知して) と電流を遮断するメカニズムを 1 つのユニットに組み合わせています。小型回路ブレーカーの中には、電磁力のみに基づいて動作するものもあります。これらの小型回路ブレーカーでは、電流はソレノイドに流れ、過電流が流れると、ソレノイドの磁力によって回路ブレーカーの接点が強制的に開きます (多くの場合、トリップ メカニズムを介して間接的に)。

高出力アプリケーションでは、障害を検出してトリップを開始する保護リレーは回路遮断器とは別になっています。初期のリレーは、前の段落で述べたものと同様の電磁気原理に基づいて動作していましたが、現代のリレーは、電力システムからの読み取りに基づいてトリップするかどうかを決定するアプリケーション固有のコンピューターです。異なるリレーは、異なる保護スキームに応じてトリップを開始します。たとえば、過電流リレーは、いずれかの相の電流が特定のしきい値を超えるとトリップを開始しますが、差動リレーのセットは、それらの間の電流の合計がアースに電流が漏れている可能性があることを示すとトリップを開始します。高出力アプリケーションの回路遮断器も異なります。通常、空気だけでは、接点が強制的に開かれたときに形成されるアークを消すのに十分ではないため、さまざまな手法が使用されます。最も一般的な手法の 1 つは、接点を囲むチャンバーを、強力なアーク消弧特性を持つ無毒のガスである六フッ化硫黄(SF ₆ ) で満たしておくことです。その他の手法については、参考文献で説明されています。^[39]

2 つ目の問題、つまりほとんどの電力システムでヒューズが唯一の安全装置として機能するには不十分であるという問題は、おそらく漏電遮断装置(RCD) の使用によって最もよく解決されるでしょう。正常に機能する電気機器では、機器のアクティブ ラインに流入する電流は、機器からニュートラル ラインに流出する電流と等しくなければなりません。漏電遮断装置は、アクティブ ラインとニュートラル ラインを監視し、違いが見つかった場合にアクティブ ラインをトリップします。^[40]漏電遮断装置には、各相に別々のニュートラル ラインが必要であり、被害が発生する前に一定時間内にトリップできる必要があります。これは通常、標準的な配線で各機器にアクティブ ラインとニュートラル ラインが提供され (電源プラグには常に少なくとも 2 つのトングが付いているのはこのためです)、電圧が比較的低いほとんどの住宅用途では問題になりませんが、これらの問題により、産業などの他の用途では RCD の有効性が制限されます。RCD を設置しても、電気にさらされると命に関わることがあります。

大規模電力システムでは、監視制御およびデータ収集(SCADA) は、発電機のスイッチオン、発電機出力の制御、メンテナンスのためのシステム要素のオン/オフなどのタスクに使用されます。最初に実装された監視制御システムは、制御対象のプラントの近くの中央コンソールのランプとスイッチのパネルで構成されていました。ランプはプラントの状態に関するフィードバックを提供し (データ収集機能)、スイッチはプラントの調整を可能にしました (監視制御機能)。今日、SCADA システムははるかに洗練されており、通信システムの進歩により、プラントを制御するコンソールをプラント自体の近くにある必要がなくなりました。代わりに、プラントはデスクトップ コンピューターに類似した (または同一である) 機器で制御されるのが一般的です。コンピューターを介してこのようなプラントを制御できるため、セキュリティの必要性が高まっています。このようなシステムへのサイバー攻撃により、電力システムに重大な混乱が発生したという報告がすでにあります。^[41]

電力システムは、共通のコンポーネントを備えているにもかかわらず、設計と動作方法の両方において多種多様です。このセクションでは、一般的な電力システムの種類をいくつか紹介し、その動作について簡単に説明します。

住宅は、ほとんどの場合、住宅を通過する低電圧配電線またはケーブルから電力供給を受けます。これらの配電線は、国の基準に応じて 110 ～ 260 ボルト (相対アース間) の電圧で動作します。数十年前、小規模住宅には、専用の 2 芯サービス ケーブル (1 芯はアクティブ相用、もう 1 芯はニュートラル リターン用) を使用して単相電力が供給されていました。アクティブ ラインは、ヒューズ ボックス内のメイン分離スイッチを通過し、1 つ以上の回路に分割されて、家の中の照明や電化製品に電力を供給していました。慣例により、照明と電化製品の回路は分離されているため、電化製品の故障によって住宅の居住者が暗闇に陥ることはありません。すべての回路には、その回路に使用される電線サイズに基づいて適切なヒューズが取り付けられます。回路にはアクティブ ワイヤとニュートラル ワイヤの両方があり、照明ソケットと電源ソケットの両方が並列に接続されます。ソケットには保護アースも用意されています。これにより、機器をあらゆる金属製のケースに接続できるようになります。このケースに電気が通電した場合、アースへの接続によって RCD またはヒューズが作動し、機器を取り扱う人が将来感電するのを防ぐという理論です。アースシステムは地域によって異なりますが、英国やオーストラリアなどの国では、保護アースと中性線の両方が主遮断スイッチの前のヒューズボックスの近くで一緒にアースされ、中性線は配電変圧器に戻って再びアースされます。^[42]

住宅の配線方法は、長年にわたっていくつかの小さな変化を遂げてきました。先進国の現代の住宅電力システムが古いシステムと大きく異なる点には、次のようなものがあります。

• 利便性のため、現在ではヒューズボックスではヒューズの代わりにミニチュア回路ブレーカーがほぼ常に使用されています。これは、居住者が簡単にリセットでき、熱磁気型であれば、特定の種類の障害に迅速に対応できるためです。
• 安全上の理由から、RCDは現在、家電製品の回路に設置されることが多く、照明回路にも設置されることが増えています。
• 過去の住宅用エアコンは単相に接続された専用回路から電力を供給されていましたが、現在では一部の国では三相電力を必要とする大型の集中型エアコンが一般的になりつつあります。
• 金属製のランプホルダーをアース接続できるように、照明回路に保護アースが取り付けられるようになりました。
• 住宅用電力システムにはマイクロジェネレータ、特に太陽光発電セルが組み込まれるケースが増えています。

ショッピング センターや高層ビルなどの商業用電力システムは、住宅用システムよりも規模が大きいです。大規模な商業システムの電気設計では、通常、負荷フロー、短絡故障レベル、電圧降下について調査されます。調査の目的は、適切な機器と導体のサイズを保証し、故障が解消されたときに発生する混乱を最小限に抑えるように保護装置を調整することです。大規模な商業設備では、メインの配電盤とは別に、整然としたサブパネル システムを備え、システムの保護を強化し、電気設備をより効率的にします。

通常、暑い気候の商用電力システムに接続される最も大きな機器の 1 つは HVAC ユニットであり、このユニットに十分な電力が供給されるようにすることは、商用電力システムにおいて重要な考慮事項です。商業施設に対する規制では、住宅用システムには課されない他の要件が商用システムに課されています。たとえば、オーストラリアでは、商用システムは非常照明の規格である AS 2293 に準拠する必要があり、主電源が失われた場合でも非常照明を少なくとも 90 分間維持する必要があります。^[43]米国では、国家電気規則により、屋外の看板を照らすために、商用システムには少なくとも 1 つの 20 A 看板用コンセントを設置することが義務付けられています。^[44]建築基準法規制では、非常照明、避難、非常電源、煙制御、防火のための電気システムに特別な要件が課される場合があります。

電力システムの管理は電力システムによって異なります。住宅用電力システムや自動車の電気システムでさえ、故障するまで稼働し続けることがよくあります。航空業界では、電力システムは可用性を確保するために冗長性を使用しています。ボーイング747-400では、4つのエンジンのどれでも電力を供給でき、起動時に回路ブレーカーがチェックされます（回路ブレーカーがトリップすると故障を示します）。^{[45]大規模な電力システムでは、能動的な管理が必要です。工業プラントや採掘現場では、1つのチームが故障管理、増強、保守を担当する場合があります。一方、}電力網に関しては、管理はいくつかの専門チームに分割されています。

障害管理には、電力システムの信頼性に影響を与える問題を特定して修正するために、電力システムの動作を監視することが含まれます。^[46]障害管理は、嵐の間に倒れた導体を再び張るためにチームを派遣するなど、具体的かつ反応的なものになる場合があります。または、システムの改善に焦点を当てることもできます。たとえば、一時的な中断が頻繁に発生するシステムのセクション（植物、雷、野生動物などによって引き起こされる場合があります）に再閉路装置を設置するなどです。^[47]

障害管理に加えて、電力システムには保守や増強が必要になる場合があります。この作業中にシステムの大部分をオフラインにすることは経済的でも実用的でもありません。そのため、電力システムには多くのスイッチが組み込まれています。これらのスイッチにより、作業中のシステムの一部を分離しながら、システムの残りの部分を通電状態にすることができます。高電圧では、アイソレータと回路遮断器の 2 つのスイッチが注目されています。回路遮断器は負荷を遮断するスイッチですが、負荷がかかった状態でアイソレータを動作させると、許容できない危険なアーク放電が発生します。一般的な計画停電では、いくつかの回路遮断器がトリップし、アイソレータを切り替えてから、回路遮断器を再び閉じて、隔離されたエリアを迂回して電力を迂回させます。これにより、隔離されたエリアでの作業を完了できます。^[48]

故障管理と保守以外に、電力システムの主な難しさの 1 つは、消費される有効電力と損失の合計が有効電力と等しくなければならないことです。発電入力が一定のまま負荷が減少すると、同期発電機の回転速度が上がり、システム周波数が上昇します。負荷が増加すると逆のことが起こります。したがって、システム周波数は、主にディスパッチ可能な負荷と発電のオン/オフを切り替えることによって積極的に管理する必要があります。周波数が一定であることを確認するのは、通常、システム オペレータの仕事です。^[49]周波数が維持されていても、システム オペレータは次のことを確認することで忙しくなります。

• 電力システムシミュレーション

• IEEE 電力工学協会
• Power Engineering International Magazine の記事は、2009 年 11 月 16 日にWayback Machineにアーカイブされています。
• Power Engineering Magazine の記事は、2009 年 2 月 19 日にWayback Machineにアーカイブされました。
• アメリカ電力学会
• 電力技術者の統一ライセンスのための国立研究所