主電源

各国の電力供給を受けている人口の割合（2017年時点）を示す世界地図。電化の程度を示す指標：[ 1 ]
  80～100%
  60～80%
  40～60%
  20～40%
  0～20%

主電源、商用電源、系統電源、家庭用電源、壁コンセント、家庭用電流[ 2 ]、またはカナダの一部地域では水力発電は、汎用交流（AC）電力供給です。これは、世界中の多くの地域で電力網を通じて家庭や企業に供給される電力形態です。人々はこの電気を壁のコンセントに差し込むことで、日用品（家電製品、テレビ、ランプなど）に電力を供給しています。

電力の電圧と周波数は地域によって異なります。世界の多くの地域では、電圧（公称）230ボルト、周波数50Hzが使用されています。北米では、最も一般的な組み合わせは120ボルト、周波数60Hzです。他にも、例えば230ボルト、周波数60Hzの組み合わせがあります。旅行者が使用する携帯用電気機器は、外国の電気製品によって動作しなくなったり、損傷したりする可能性があります。地域によってプラグとソケットが互換性がない場合、電圧と周波数の要件が異なる電気機器を誤って使用してしまうリスクがある程度軽減されます。

用語

壁のコンセント（主電源）に接続されたテーブルランプ

アメリカでは、建物が受け取る電気は電気サービスと呼ばれ、コンセントから出てくる電気は120や240などの電圧で表されます。[ 3 ]三相のように相の数で表すこともあります。[ 4 ]

英国では、主電源は一般に「the mains」と呼ばれます。

カナダの電力の半分以上は水力発電であり、一部の地域では主電源がしばしば「ハイドロ」と呼ばれます。これは、ハイドロ・ケベック、BCハイドロ、マニトバ・ハイドロ、ハイドロ・ワン（オンタリオ州）、ニューファンドランド・ラブラドール・ハイドロなど、現在および過去の電力会社の名前にも反映されています。[ 5 ]

電力システム

世界中で、家庭用および軽商用の電気機器や照明器具の稼働には、多種多様な主電源システムが利用されています。これらのシステムの主な特徴は以下のとおりです。

これらのパラメータはすべて地域によって異なります。電圧は通常100～ 240Vの範囲です （常に実効電圧で表されます）。一般的に使用される周波数は50Hz と60Hzです。20世紀初頭には二相システムが使用されていましたが、今日では単相または三相電力が最も一般的に使用されています。大規模な工業プラントや海外の軍事基地などの海外領土では、周辺地域とは異なる標準電圧または周波数が使用されている場合があります。一部の都市部では、周辺の田舎とは異なる標準が使用されている場合があります（リビアなど）。事実上無政府状態にある地域では、中央電力会社が存在せず、互換性のない民間電源から電力が供給されている場合があります。

かつては、周波数が25Hzから133Hz、電圧が100Vから250Vの、電圧と商用周波数のさまざまな組み合わせが使用されていました。公共電力システムでは直流（DC）は交流（AC）に置き換えられましたが、特に一部の都市部では20世紀末までDCが使用されていました。IEC 60038に記載されている230V/50Hzと120V/60Hzの現代的な組み合わせは、 20世紀の最初の数十年間には適用されておらず、現在でも広く普及していません。三相電力を使用する産業プラントでは、大型機器（および異なるソケットとプラグ）用に異なる高電圧が設置されていますが、ここで説明する一般的な電圧は、照明やポータブル機器で今でも使用されています。

電気の一般的な用途

電気は照明、暖房、冷房、電動モーター、電子機器に使用されます。米国エネルギー情報局（EIA）は、以下のデータを公表しています。

2021年の米国住宅部門の主要用途別電力消費量[ 6 ]

最終用途 ペタジュール（テラワット時） 合計 に占める割合
宇宙冷却 850 (235) 15%
空間暖房 750 (207) 14%
給湯 630 (176) 12%
冷凍 310 (87) 6%
衣類乾燥機 230 (64) 4%
点灯 210 (59) 4%
テレビおよび関連機器1200 (56) 4%
コンピュータおよび関連機器2130 (36) 2%
炉ファンとボイラー循環ポンプ 86 (24) 2%
冷凍庫 72 (20) 1%
料理 58 (16) 1%
洗濯機3台40 (11) 1%
食器洗い機329 (8) 1%
その他の用途41,900 (520) 34%
総消費量 5,470 (1,519) 100%
1テレビ、セットトップ ボックス、ホーム シアター システム、DVD プレーヤー、ビデオ ゲーム コンソールが含まれます。
2デスクトップ コンピュータ、ラップトップ コンピュータ、モニター、ネットワーク機器が含まれます。
3給湯機能は含まれません。
4小型電気機器、発熱体、屋外照明、屋外グリル、プールおよびスパ用ヒーター、予備発電機、および上記に記載されていないモーターが含まれます。電気自動車の充電は含まれません。

コンピュータやテレビなどの電子機器は、通常、AC-DCコンバータまたはACアダプターを使用して電源を供給します。これらのコンバータは、多くの場合、幅広い電圧範囲と一般的な電源周波数の両方で動作可能です。その他のACアプリケーションでは、入力範囲がはるかに制限されているのが一般的です。

建物の配線

標準 アース線中性線 活線/フェーズ1線 活線/第2相線（オプション） 活線/相3線（オプション）
英国とヨーロッパ 緑/黄色 青 茶色 黒 グレー
英国（旧） 緑/黄色 黒 赤 黄色 青
アメリカ合衆国 緑 白 黒 赤 青
オーストラリア 緑/黄色 黒 赤 白 青

ポータブル機器は単相電力を使用し、各コンセントには2つまたは3つの有線接点があります。2本の線（ニュートラル線と活線）が機器を動作させるための電流を流します。[ 7 ] [ 8 ] 3本目の線は、必ずしも存在するとは限りませんが、機器ケースの導電部をアースに接続します。これにより、通電中の内部部品が誤ってケースに接触した場合の感電からユーザーを保護します。

北欧および中央ヨーロッパでは、住宅用電力供給は一般的に400Vの三相電力で、単相と中性線間の電圧は230Vです。住宅配線は三相回路と単相回路が混在する場合もありますが、英国では住宅用三相電力供給はまれです。キッチンストーブ、給湯器、薪割り機などの家庭用電動工具などの高出力家電製品は、 400Vの三相電力供給から供給される場合があります。

小型のポータブル電気機器は、プラグを先端に持つフレキシブルケーブルを介して電源に接続され、プラグは固定されたコンセント（ソケット）に差し込まれます。大型の家庭用電気機器や産業用機器は、建物の固定配線に恒久的に配線されている場合があります。例えば、北米の住宅では、窓に設置された独立型エアコンは壁のコンセントに接続されますが、全館空調の場合は恒久的に配線されます。大電流、高電圧、または三相電力を扱う産業用機器には、 大型のプラグとソケットの組み合わせが使用されます。

安全システム

回路ブレーカーとヒューズは、ラインと中性線またはアース線の間のショート、または定格を超える電流の流入（過負荷保護）を検出して、過熱や火災を防止するために使用されます。これらの保護装置は通常、建物内の中央パネル（最も一般的なのは配電盤またはコンシューマー ユニット）に取り付けられますが、配線システムによっては、ソケットまたはプラグ内に保護装置が組み込まれている場合もあります。漏電遮断器や機器漏電遮断器とも呼ばれる漏電遮断器は、接地故障（中性線とライン以外の線（アース線や人体など）を流れる電流）を検出するために使用されます。接地故障が検出されると、この装置はすぐに回路を遮断します。

「アース線」と「アース線」という用語は、地域によって使い分けられており、大地に接続する電線、またはアースの代わりに放電を受け止める導体を指します。[ 9 ]アース線は、ショートや感電を防ぐために、空気や地面などの導電性のない別の安全な物体に電気を送るための安全機能として設置されます。[ 10 ]

電圧レベル

国レベルに簡略化された主電源電圧と周波数の世界地図

世界の人口のほとんど（ヨーロッパ、アフリカ、アジア、オーストラリア、ニュージーランド、南米の大部分）は、230 Vの6%以内の電源を使用しています。英国[ 11 ]では、ほとんどの変圧器が実際にはまだ240 Vに設定されているという事実に対応するため、公称電源電圧は230 V +10%/-6%です。230 V規格は普及しており、アダプタを使用するか、機器のプラグを特定の国の規格に変更することで、世界のほとんどの地域で230 V機器を使用できます。

米国とカナダは120ボルト±6％の電圧を使用しています。日本、台湾、サウジアラビア、北米、中米、南米北部の一部では100ボルトから127ボルトの電圧が使用されています。しかし、日本のほとんどの家庭は、米国と同様に分相電源を使用しており、同時に逆位相を使用することで200ボルトを供給できます。ブラジルは、60 Hzで127ボルトと220ボルトの両方のシステムを備え、プラグとソケットの互換性も許可している点で珍しいです。[ 12 ]サウジアラビアとメキシコは混合電圧システムです。両国とも住宅と軽商業ビルでは127ボルトを使用し、商業および工業用途では60 Hzで220ボルトを使用しています。サウジアラビア政府は2010年8月に、国全体を230/400ボルトの60 Hzシステムに移行する計画を承認しました。[ 13 ]

電圧の測定

供給点電圧（電力会社とユーザー間の相互接続点における公称電圧）と機器の電圧定格（使用電圧または負荷電圧）を区別する必要があります。通常、使用電圧は公称システム電圧より3～5%低くなります。例えば、公称208Vの供給システムは、銘板に「200V」と表示されているモーターに接続されます。これは、機器と供給間の電圧降下を考慮した値です。この記事で説明する電圧は公称供給電圧であり、これらのシステムで使用される機器の銘板電圧は若干低くなります。配電システムの電圧はほぼ正弦波です。電圧はピークツーピークではなく、実効値（RMS）電圧で表されます。電圧許容値は定常動作時のものです。瞬間的な重負荷や配電網のスイッチング動作により、許容範囲から一時的に逸脱する可能性があり、また、嵐などの異常事態により、さらに大きな過渡変動が発生する可能性があります。一般的に、多くの供給源を持つ大規模ネットワークから得られる電力供給は、おそらく 1 つの発電機しかない孤立したコミュニティに供給される電力供給よりも安定しています。

電圧の選択

供給電圧の選択は、電力配電システムの最適化というよりも、歴史的な理由によるところが大きい。ある電圧が使用され、その電圧を使用する機器が普及すると、電圧の変更は抜本的で費用のかかる対策となる。230V配電システムでは、電流、ひいては抵抗損失が低いため、120Vシステムよりも一定量の電力を供給するのに必要な導体材料が少なくなる。大型の暖房器具は、230Vで同じ出力定格を得るためにより細い導体を使用できるが、家庭用電化製品で接続するコンセントの容量を最大限まで使用するものはほとんどない。携帯型またはポータブル機器の最小電線サイズは、通常、導体の機械的強度によって制限される。

米国など、公称 120 V を使用する多くの地域では、大型機器への電力供給に3 線式の分割相240 V システムを使用しています。このシステムでは、240 V 電源にセンタータップ付きの中性線があり、2 つの 120 V 電源を提供します。これらの電源は、2 本の線間に接続された負荷にも 240 V を供給できます。3 相システムは、さまざまな電圧の組み合わせを実現できるように接続でき、異なるクラスの機器での使用に適しています。単相負荷と三相負荷の両方に電気システムが供給される場合、そのシステムには、線間電圧と中性線間電圧を示すために、120/208 V や 230/400 V などの両方の電圧のラベルが付けられることがあります。大型負荷は、より高い電圧用に接続されます。油井ポンプなどの特殊用途のシステムでは、最大 830 V までの他の 3 相電圧が使用されることがあります。大型産業用モーター（例えば250馬力または150kW以上）は中電圧で動作する場合があります。60Hzシステムでは中電圧機器の標準電圧は2,400/4,160Vですが、50Hzシステムでは3,300Vが一般的な標準電圧です。

標準化

1987年まで、ドイツ、オーストリア、スイスを含むヨーロッパの大部分の地域では、主電源電圧は220 ± 22Vであるのに対し、英国では240 ± 14.4 V。規格ISO IEC 60038:1983は、新しい標準欧州電圧を次のように定義しました。230 ± 23 V。1987年以降、段階的に230+13.8 −23 Vが導入されました。2009年以降、電圧は230 ± 23 V。 [ 14 ] [ 15 ]中央ヨーロッパおよび英国のシステムでは、220 Vと240 Vの両方が230 Vの下限許容範囲（230 V ± 6%）内に収まるため、電圧の変更は不要でした。通常、230 V ± 3%の電圧が維持されます。英国の一部の地域では、レガシーの理由からまだ250ボルトが使用されていますが、これも230ボルトの10%の許容範囲に収まります。実際には、これにより、少なくとも既存の供給変圧器が交換されるまでは、各国は同じ電圧（220 Vまたは240 V）を供給できました。これらの国で使用される機器（フィラメント電球を除く）は、指定された範囲内のどの電圧でも受け入れるように設計されている。

オーストラリアは2000年に、公称電圧を+10%/-6%の許容誤差で230Vに変更しました。[ 16 ]これは、従来の240V規格であるAS 2926-1987に取って代わりました。この許容誤差は、2022年にAS IEC 60038:2022の発行により±10%に拡大されました。[ 17 ]機器で利用可能な利用電圧は、顧客の設備内での電圧降下により、この範囲を下回る場合があります。英国と同様に、240Vは許容範囲内であり、「240ボルト」はオーストラリア英語とイギリス英語で主電源（mains）の同義語です。

アメリカ合衆国[ 18 ] [ 19 ]およびカナダ[ 20 ]では、国家規格において電源の公称電圧は120 Vとし、114 V～126 V（RMS）（-5%～+5%）の範囲を許容することが定められています。歴史的に、北米では110 V、115 V、117 Vが様々な時代や場所で使用されていました。主電源は110 Vと呼ばれることもありますが、公称電圧は120 Vです。

日本では、家庭への電力供給は100Vと200Vです。本州の東部と北部（東京を含む）と北海道の周波数は50Hzですが、本州西部（名古屋、大阪、広島を含む）、四国、九州、沖縄は60Hzです。2つの地域の境界には、2つの送電系統間で電力を相互接続する4つの連続した高圧直流（HVDC）変電所があります。これらは、新信濃、佐久間ダム、南福光、東清水周波数変換所です。この差を吸収するために、日本で販売されている周波数に敏感な家電製品は、多くの場合、2つの周波数間で切り替えることができます。

歴史

220 V用50 Hz ±5 Hz振動リード電源周波数計

世界初の公共電力供給は、 1881年にイギリスの小さな町ゴダルミングに建設された水車駆動システムでした。これはシーメンス社製の交流発電機を使用した交流（AC）システムで、街灯と消費者の両方に、アークランプ用の250Vと白熱電球用の40Vの2つの電圧で電力を供給していました。[ 21 ]

世界初の大規模中央発電所は、トーマス・エジソンがロンドンのホルボーン・バイアダクトに建設した蒸気発電所で、1882年1月に稼働を開始し、直流（DC）110Vを供給しました。[ 22 ]ホルボーン・バイアダクト発電所は、ニューヨークにある、はるかに大規模なパール・ストリート発電所（世界初の恒久的な商用中央発電所）の建設に向けた概念実証として利用されました。パール・ストリート発電所は、1882年9月4日から、消費者にとって「安全な」電圧と考えられていた110Vの直流電力を供給しました。[ 23 ]

米国では 1880 年代半ばに交流システムが登場し始め、変圧器でエジソンが使用していたのと同じ 110 V の顧客利用電圧に降圧された高電圧の配電システムが使用されていました。1883 年にエジソンは 3 線式配電システムの特許を取得し、銅のコストを節約して DC 発電所がより広範囲の顧客にサービスを提供できるようにしました。110 V のランプを 2 組直列に接続することにより、間に 220 V をかけた同じサイズの導体でより多くの負荷に対応できるようになりました。中性線が 2 つのサブ回路間の電流の不均衡を運びました。交流回路は電流戦争中に同じ形式を採用し、ランプを約 110 V で動作させ、主要な機器を 220 V に接続できました。公称電圧は徐々に 112 V、115 V、さらには 117 V まで上昇しました1954年、米国規格協会（ANSI）はC84.1「電力システム及び機器に関する米国規格 - 電圧定格（60ヘルツ）」を発行しました。この規格は、120ボルトの公称システムと、サービス電圧と利用電圧の変動範囲を2つ規定しました。[ 24 ]今日、事実上すべてのアメリカの家庭と企業は、60ヘルツで120ボルトと240ボルトの電力を利用できます。どちらの電圧も3本の電線（逆位相の2本の「ホット」レッグと1本の「ニュートラル」レッグ）で供給されます。

1899年、ベルリンの電力会社ベルリナー・エレクトリツィーツ・ヴェルケ（BEW）は、新開発の金属フィラメント電球の高電圧化を活用し、公称電圧を220Vに切り替え、配電容量を大幅に増強することを決定しました。同社は、配電線コストの削減により、顧客の機器の変換コストを相殺することができました。これがドイツおよびヨーロッパの他の地域における配電のモデルとなり、220Vシステムが普及しました。北米では、電球の電圧は110V前後で推移しました。[ 25 ]

アメリカで交流が導入されてから最初の10年間（1880年代初頭から1893年頃まで）、様々な周波数が使用されていました。各電力会社が独自の周波数を設定したため、単一の周波数が普及することはありませんでした。最も一般的な周波数は133でした。+1 ⁄ 3  Hz。誘導発電機とモーターの回転速度、変圧器の効率、カーボンアークランプのちらつきはすべて、周波数設定に影響を与えました。1893年頃、米国のウェスティングハウス・エレクトリック・カンパニーとドイツのAEGは、発電設備をそれぞれ60 Hzと50 Hzに標準化することを決定し、最終的に世界中のほとんどの地域でこれら2つの周波数のいずれかが供給されるようになりました。今日では、ほとんどの60 Hzシステムは公称120/240 Vを供給し、ほとんどの50 Hzシステムは公称230 Vを供給しています。大きな例外はブラジルで、ブラジルでは127 Vと220 Vの両方が標準電圧として異なる地域で使用されている同期60 Hzグリッドがあり、 [ 12 ]日本には東日本が50 Hz、西日本が60 Hzの 2つの周波数があります。

電圧調整

顧客のサービスにおける電圧を許容範囲内に維持するために、配電会社は変電所または配電線に沿って調整機器を使用しています。変電所では、降圧変圧器に自動負荷時タップ切換器が備わっており、送電電圧と配電電圧の比率を段階的に調整できます。長い（数キロメートル）田舎の配電回路では、自動電圧調整器が配電線の柱上に取り付けられることがあります。これらも単巻変圧器であり、観測された電圧変化に応じて比率を調整する負荷時タップ切換器を備えています。各顧客のサービスでは、降圧変圧器に最大5つのタップがあり、通常は公称電圧の±5%の範囲で調整できます。これらのタップは自動的に制御されないため、サービスの長期平均電圧を調整するためだけに使用され、公益事業の顧客が見る電圧を調整するためには使用されません。

電力品質

顧客に供給される電圧と周波数の安定性は、国や地域によって異なります。「電力品質」とは、公称供給電圧と周波数からの偏差の度合いを表す用語です。短期的なサージやドロップアウトは、コンピュータやフラットパネルディスプレイなどの精密電子機器に影響を与えます。長期的な停電、電圧低下、ブラックアウト、そして供給の信頼性の低さは、一般的に顧客のコスト増加につながります。顧客は、公益事業からの供給が利用できない、あるいは使用できない状況に備えて、無停電電源装置（ UPS）や予備発電機への投資を余儀なくされる可能性があります。不安定な電力供給は、電気機器、照明、空調、コンピュータに依存する企業や公共サービスにとって深刻な経済的ハンディキャップとなる可能性があります。最高品質の電力システムであっても、故障したり、メンテナンスが必要になったりする可能性があります。そのため、企業、政府機関、その他の組織は、停電やブラックアウトが発生した場合でも電力供給を確保するために、精密施設に予備発電機を設置することがあります。

電力品質は、電流または電圧波形の歪み（基本周波数（電源周波数）の高調波、あるいは電磁干渉によって引き起こされるような非高調波（相互）変調歪み）によっても影響を受ける可能性があります。一方、高調波歪みは通常、負荷または発電機の状態によって引き起こされます。多相電力では、不均衡な負荷によって位相シフト歪みが発生する可能性があります。

参照

参考文献

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