電力配電
50 kVA柱上配電用変圧器

配電は電力供給の最終段階です。送電系統から個々の消費者へ電力が送られます。配電用変電所は送電系統に接続し、送電電圧を中圧（ ～ 100V）に下げます。2  kVおよび変圧器を用いて33 kVまで昇圧する。[ 1 ]一次配電線はこの中電圧電力を、顧客敷地近くにある配電用変圧器に送る。配電用変圧器は、照明、産業機器、家電製品で使用される利用電圧まで電圧を下げる。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る。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る。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。[ 2 ]

電力網の一般的なレイアウト。電圧と負荷はヨーロッパの電力網の標準的なものです（例えばカナダでは、超高電圧は735kVを意味する場合があります）。

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 ～ 35000  V [ 1 ]
  • 変圧器から電力は母線に送られ、母線は配電電力を複数の方向に分岐させます。母線は配電線に電力を分配し、そこから需要家へと電力が送られます。

都市部の配電は主に地下で行われ、場合によっては共同配管で行われる。農村部の配電は主に地上で電柱が設置されており、郊外部ではその両方が混在している。[ 1 ] 需要家に近いところでは、配電用変圧器が一次配電電力を低電圧の二次回路（米国では住宅需要家向けは通常120/240 V）に降圧する。電力はサービスドロップと電力メーターを介して需要家へ供給される。都市部のシステムでは最終回路の長さは15メートル（50フィート）未満であるが、農村部の需要家では91メートル（300フィート）を超えることもある。[ 1 ]

歴史

1870 年代後半から 1880 年代前半にかけて、屋外や広い屋内スペースで使用されるアークランプ照明が導入されました。このBrush Electric Company のシステムは 1880 年にニューヨーク市に設置されました。

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）の直流で動作した。[ 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路照明に取って代わり、白熱照明は商業用および家庭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、単一の発電所で最長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、特定のケーブルで同じ量の電力を、低い電圧の4倍の距離に送ることができます（同じ電力損失で）。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照明システムは、発電から最終使用まで低い電圧（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、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）以内のところに設置する必要がありました。

変圧器の導入

長距離送電の問題は、電力供給における技術的な障壁として認識され、照明会社によって多くの不十分な解決策が試されました。しかし、1880年代半ばに実用的な変圧器が開発され、交流電力を送電用にはるかに高い電圧に「昇圧」し、最終需要者の近くで低い電圧に降圧することが可能になりました。直流に比べて交流は送電コストがはるかに安く、規模の経済性も優れていました。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ため、交流の利用は急速に広がりました。

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換期を迎えた。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が開発した米国初の交流変圧器システムを攻撃し、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のである。[ 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、多数の既存システムを大規模なACグリッドに接続できるユニバーサルエンジニアリング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、発電、送電、配電、検針、料金請求を一つの企業が担っていました。1970年代から1980年代にかけて、各国は規制緩和と民営化を進め、電力市場が誕生しました。配電システムは引き続き規制下に置かれましたが、発電、小売、そして時には送電システムは競争市場へと移行しました。

発電と送電

Power stationTransformerElectric power transmissionTransformer
発電所から消費者のサービスドロップまでの AC電力供給の簡略図。

電力は発電所から供給され、その電位差は最大33,000ボルトに達することがあります。通常は交流が用いられます。鉄道電化システム、電話交換機、アルミニウム製錬などの産業プロセスなど、大量の直流電力を必要とする施設では、整流器を用いて公共の交流電源から直流電力を取り出したり、独自の発電システムを設けたりします。 高電圧直流は、交流システムの分離や送電量の制御に有利です。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送電線を敷設しています。[ 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生産された電力と結合されます。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、小さ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。

一次流通

一次配電電圧は相間で4kVから35kV（相中性間で2.4kVから20kV）の範囲です。[ 9 ]大規模消費者のみが配電電圧から直接電力を供給されます。ほとんどの公益事業顧客は変圧器に接続され、配電電圧を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」に下げます。

ネットワーク構成

カナダ、ノースウェスト準州のイエローナイフ近郊の変電所

配電網は、放射状システムとネットワークシステムの2種類に分けられます。[ 10 ]放射状システムは樹木状に配置され、各顧客に1つの供給源が提供されます。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集中負荷に使用されます。放射状システムは、農村部や郊外でよく使用されます。

ラジアルシステムは通常、故障や計画メンテナンスなどの問題発生時にシステムを再構成できる緊急接続を備えています。これは、スイッチを開閉することで特定のセクションを系統から分離することで実現できます。

長いフィーダーでは電圧降下（力率の歪み）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的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、その定義上、制約付きの歴史的な単目的問題です。 1975年にMerlinとBack [ 11 ] が有効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目的問題として解く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（目的として有効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 ] および非劣ソーティング遺伝的アルゴリズム[ 15 ]などのさまざまな人工知能ベースの方法が使用されました。

農村サービス

カリフォルニア州ビュート郡の田舎にある高圧電柱

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（農村電化局参照）。米国では7.2、12.47、25、34.5 kV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11 kVと33 kVが一般的であり、南アフリカでは11 kVと22 kVが一般的であり、中国では10、20、35 kVが一般的である。[ 16 ]その他の電圧が使用されることもある。

地方配電では通常、電柱と電線の数を最小限に抑えるよう努めています。都市部よりも高い電圧を使用するため、亜鉛メッキ鋼線の使用が可能になります。強度の高い鋼線を使用することで、電柱間隔を広く設定してもコストを抑えることができます。地方では、柱上変圧器は1つの顧客にしか電力を供給できない場合があります。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、遠隔地の地方部への電力供給に単線アースリターンシステム（SWER）が使用されています。

三相サービスは、大規模農業施設、石油ポンプ施設、水処理施設、その他大きな負荷（三相機器）を持つ顧客に電力を供給します。北米では、架空配電システムは三相4線式で中性線を備えています。地方の配電システムでは、単相導体と中性線が長く伸び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、中性線を接地してリターン（単線アースリターン）として使用します。

二次流通

主電源電圧と周波数の世界地図

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、大型の電動モーターを動かすのにより適しています。ヨーロッパの大型家電製品の中には、電気ストーブや衣類乾燥機など、三相電力で駆動されるものがあります。

通常、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接地接続が設けられています。顧客のシステムを接地する目的は、高電圧導体が、通常は地面より低い位置に設置されている低電圧導体に落下した場合、または配電用変圧器に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。

地域による違い

220～240ボルトシステム

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、あるいは 380 または 400 V の三相電力が使用されています。このシステムでは、主要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 230/400 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。三相サービスでは、3 本の活線と中性線が建物に接続されます。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力は通常、三相 4 線式システムで配電されています。これにより、相間電圧は400 ボルトのY 字結線サービスとなり、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150kVAから1MVAで、数百戸の近隣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1kWから2kWの平均負荷に基づいてサイズが決定され、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定されています。産業の顧客には、3相400/690ボルトも利用可能であり、または地域で発電することもできます。[ 19 ] 大規模な商業および産業の顧客は、入力が11kVから33kVの独自の配電用変圧器を所有しています。一部の大電力消費ユーザーには、110kVから220kVの送電網によって電力が供給されています。

100～120ボルトシステム

南北アメリカ大陸のほとんどの地域では、交流60Hz、家庭用では120/240ボルトの分相システム、大規模施設では三相システムを採用しています。北米の変圧器は通常、ヨーロッパの230ボルトに近い240ボルトで家庭に電力を供給しています。家庭で120ボルトを使用できるのは、分相システムのおかげです。

日本の商用周波数は50 Hzと60 Hzです。

日本の電力部門では、標準電圧は100 Vで、交流周波数は50 Hzと60 Hzの両方が使用されています。国内の一部では50 Hzが使用され、他の地域では60 Hzが使用されています。[ 20 ]これは1890年代からの名残です。東京の一部の地域電力会社は50 Hzのドイツ製機器を輸入し、大阪の地域電力会社は60 Hzの発電機を米国から導入しました。送電網は拡大し、最終的に日本全土に電力が供給されました。現在、周波数は東日本（東京、横浜、東北、北海道を含む）で50 Hz、西日本（名古屋、大阪、京都、広島、四国、九州を含む）で60 Hz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が世間の注目を集めたのは、2011年の東日本大震災と津波で東日本の電力供給能力の約3分の1が停止し、日本には共通の周波数がないため、西日本と東日本の間で電力供給を完全に共有できなかった時でした。[ 20 ]

日本には交流周波数の境界を越えて電力を送電する高圧直流（HVDC）変換所が4カ所あります。新信濃は、日本国内のバックツーバックHVDC施設であり、日本の東西電力網を結ぶ4カ所の周波数変換器のうちの1つです。他の3カ所は、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1.2GWの電力を東西間で送電できます。[ 22 ]

240ボルトシステムと120ボルトコンセント

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、分相電力を利用することで、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、オーブンやヒーターなど、高ワット数の熱出力を必要とする家電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。

現代の流通システム

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）における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 があります。

参照

参考文献

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  4. ^ Berly, J. (1880-03-24). 「ヤブロチコフ電気照明システムに関する注記」 . Journal of the Society of Telegraph Engineers . IX (32). Institution of Electrical Engineers: 143. 2009年1月7日閲覧。
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