Sähköverkostojärjestelmien luokittelu

Typinen sähköverkko jaetaan kolmeen pääkomponenttiin: tuotantoon, siirtoon ja jakeluun. Sähkö tuotetaan voimaloissa, jotka sijaitsevat usein kaukana kulutuskeskuksista. Tämän vuoksi siirtolinjoja käytetään sähkön toimittamiseen pitkiä matkoja.

Siirtotappiojen vähentämiseksi siirtolinjoissa käytetään korkeaa jännitettä, ja jännite alennetaan kulutuskeskuksessa. Jakelujärjestelmä toimittaa tämän sähkön loppukuluttajiin.

Sähköjakelujärjestelmien tyypit

Jakelujärjestelmä voidaan luokitella useiden kriteerien perusteella:

• Tarjontan luonne:

• Vaihtovirtajakelujärjestelmä: Useimmat kuluttajat tarvitsevat vaihtovirtaa, mikä tekee siitä standardia tuotannossa, siirrossa ja jakaessa. Vaihtovirtajännitettä voidaan helposti säätää muuntimilla, mikä mahdollistaa tehokkaan jännitteen nostamisen ja alentamisen.

• Suoravirtajakelujärjestelmä: Vähemmän yleistä, mutta käytetään tiettyihin sovelluksiin.

• Yhdistämistapa:

• Radiaalisysteemi

• Renkasysteemi

• Yhdistetty systeemi

• Rakenne:

• Ilmakulkuinen systeemi

• Maanalainen systeemi

Luokittelu tarjontan luonnon mukaan

Sähkö on olemassa kahdessa muodossa: vaihtovirrana (AC) ja suoravirrana (DC). Jakelujärjestelmä vastaa näitä tyyppejä. Vaihtovirtajakelujärjestelmä on edelleen jaettu jännitetasojen mukaan:

• Ensisijainen jakelujärjestelmä: Toimii korkeammalla jännitteellä (esim. 3,3 kV, 6,6 kV, 11 kV) kolmivaiheisella kolmisuunnaisella konfiguraatiolla. Se tarjoaa paljon kuluttajia, kuten teollisuutta tai kauppakeskuksia, ja muuntimet lähellä paikkoja alentavat jännitettä käyttökelpoiseen tasoon.

• Toissijainen jakelujärjestelmä: Toimittaa sähköä alhaisemmassa, kuluttajaystävällisessä jännitteessä.

Ensisijaisen jakelujärjestelmän tyypillinen asettelu on kuvattu alla, näyttäen sen roolin korkean jännitteen toimittamisessa ennen lopullista jännitteen muuntamista.

Toissijainen jakelujärjestelmä toimittaa sähköä käyttöjännitteellä. Se alkaa silloin, kun ensisijainen jakelujärjestelmä päättyy – yleensä muuntimessa, joka laskee 11 kV:n 415 V:ksi suoraan pienille kuluttajille.

Tässä vaiheessa useimmat muuntimet ovat deltayhdistettyjä primäärikytkentöjä ja tassuyhdistettyjä sekundaarikytkentöjä, mikä tarjoaa maanjäristeen neutraaliterminalin. Tämä konfiguraatio mahdollistaa toissijaisen jakelujärjestelmän käyttämisen kolmivaiheisena nelisuuntaisena kytkentänä.

• Yksivaiheinen tarjonta: Saadaan yhdistämällä mikä tahansa vaihe neutraaliterminaliin, tuottaen 230 V:tä tai 120 V:tä (maakohtaisesti). Tätä käytetään yleisesti asuntoihin ja pieniin kauppoihin.

• Kolmivaiheinen tarjonta: Käytetään pienille teollisuudelle, vehnämyllylle ja samankaltaisille kuluttajille, jotka yhdistävät R, Y, B vaiheiden terminaalit ja neutraalin (N) kolmivaiheiseen virtaan.

Toissijaisen jakelujärjestelmän asettelu on kuvattu alla, osoittaen, miten jännite on mukautettu loppukäyttäjien tarpeisiin.

Suoravirtajakelujärjestelmä

Vaikka useimmat sähköjärjestelmän kuormat ovat vaihtovirtapohjaisia, tietyt sovellukset vaativat suoravirtaa, mikä edellyttää suoravirtajakelujärjestelmän käyttöä. Tällaisissa tapauksissa tuotettu vaihtovirta muutetaan suoravirraksi suorituslaitteilla tai pyörämuuntimilla. Suoravirtaa tarvitaan esimerkiksi veturijärjestelmissä, suoravirtamoottoreissa, akkujen lataamisessa ja elektroniikassa.

Suoravirtajakelujärjestelmä luokitellaan johtokonfiguraation mukaan:

Kaksijohtoinen suoravirtajakelujärjestelmä

Tämä järjestelmä käyttää kahta johtoa: yhtä positiivisella potentiaalilla (live-johto) ja toista negatiivisella tai nollapotentialilla. Kuormat (kuten lamput tai moottorit) yhdistetään rinnakkaan kahden johto välillä, mikä sopii laitteille, joilla on kaksi terminaalia. Alla on kuvattu tämän asettelun skemaattinen kuva.

Kolmijohtoinen suoravirtajakelujärjestelmä

Kolmijohtoinen suoravirtajakelujärjestelmä

Tämä järjestelmä käyttää kolmea johtoa: kaksi live-johtoa ja yksi neutraalijohto, tarjoten avaimena kaksi jännitetasoa. Oletetaan, että live-johtot ovat +V ja -V, neutraali nollapotentialilla. Yhdistämällä kuorma yhden live-johto ja neutraali saadaan V voltia, yhdistämällä molemmat live-johtot saadaan 2V voltia.

Tämä konfiguraatio mahdollistaa korkean jännitteen kuormien yhdistämisen live-johtojen välillä ja matalan jännitteen kuormien yhdistämisen live-johto ja neutraali välillä. Kolmijohtoisen suoravirtajakelujärjestelmän yhdistelykaavio on kuvattu alla.

Jakelujärjestelmän luokittelu yhdistämismenetelmän mukaan

Jakelujärjestelmä luokitellaan kolmeen tyyppiin yhdistämismenetelmän mukaan:

• Radiaalisysteemi

• Renkasysteemi

• Yhdistetty jakelujärjestelmä

Radiaalisysteemi

Radiaalisysteemissä erilliset syöttölinjat toimittavat sähköä alueelle alusta, ja sähkö virtaa yksisuuntaisesti syöttölindistä jakelijalle. Tämä suunnitelma on yksinkertainen ja helppo toteuttaa, vaativa vähemmän alkuperäistä investointia verrattuna muihin järjestelmiin.

Sen sijaan luotettavuus on huomattavasti rajoitettu: yhden syöttölindin epäonnistuminen voi sulkea koko sen tarjoaman järjestelmän. Jännitetason hallinta kärsii myös kuluttajilta, jotka ovat kaukana syöttölindistä, sillä kuorman vaihtelut aiheuttavat merkittävämpiä jännitteen vaihteluja. Näistä syistä radiaalisysteemit käytetään yleensä vain lyhyen etäisyyden jakeluun lähellä syöttölindistä sijaitseviin kuormiin. Radiaalisysteemin yhden linjan kaavio on kuvattu alla.

Renkasysteemi

Renkasysteemissä jakelumuuntimet yhdistetään suljetun silmukan konfiguraatiossa, jota tarjotaan alustasta yhdestä päästä. Tämä suunnitelma varmistaa, että jokaisella muuntimella on kaksi erillistä reittiä alustaan, parantamalla monipuolisuutta ja luotettavuutta. Renkasysteemin yhden linjan kaavio on kuvattu alla.

Tämä konfiguraatio voidaan verrata kahden rinnakkaan yhdistetyn syöttölindin. Esimerkiksi, jos vika ilmenee B ja C välillä, B ja C välinen osa eristetään järjestelmästä, ja alusta voidaan toimittaa sähkö kahdella vaihtoehtoisella reitillä.

Tämä suunnitelma parantaa järjestelmän luotettavuutta, vähentää jännitteen vaihteluja kuluttajan päässä ja varmistaa, että jokainen silmukan osa kuljettaa vähemmän virtaa – siten vaativan vähemmän johtomateriaalia verrattuna radiaalisysteemiin.

Yhdistetty jakelujärjestelmä

Yhdistetty jakelujärjestelmä on silmukka, jota tarjotaan useista alustoista eri pisteissä, josta se on saanut nimen "ruudukkojakelujärjestelmä". Yhden linjan kaavio tästä järjestelmästä on kuvattu alla.

Kuvaajan mukaan silmukka ABCDEFGHA tarjotaan kahdesta alustasta A ja E pisteissä. Tämä konfiguraatio parantaa huomattavasti järjestelmän luotettavuutta verrattuna renkasysteemiin ja radiaalisysteemiin.

Vaikka yhdistetty järjestelmä tarjoaa paremman sähkölaadun ja tehokkuuden – jopa vähentäen varasijaintiversiota – sen suunnittelussa on monimutkaisempaa ja vaatii suurempaa alkuperäistä investointia useiden alustojen tarpeeseen.

Jakelujärjestelmien luokittelu rakenteen mukaan
Maanalainen jakelujärjestelmä

Kuten nimi antaa ymmärtää, tämä järjestelmä sijoittaa johtimet kaduilla tai jalkakäytävillä. Vaikka se on turvallisempi kuin ilmakulkuiset järjestelmät, se aiheuttaa korkeat alkuperäiset kustannukset, koska sen tarve kaivamaan, putkistamaan, manholeihin ja erikoiskabeleihin. Maanalaiset kabelet ovat vähemmän alttiina virheille ja tarjoavat esteettisiä etuja (näkymättömyys), mutta virheiden havaitseminen ja korjaaminen on vaikeaa. Niiden elinkaari ylittää 50 vuotta.

Ilmakulkuiset jakelujärjestelmät

Johtimet asennetaan puu-, beton- tai teräspuuhin tässä perinteisessä asettelussa. Vaikka ne ovat alttiimpia virheille ja turvallisuusriskille kuin maanalaiset järjestelmät, niillä on alhaisemmat alkuperäiset kustannukset ja suurempi joustavuus kuorman laajentumiselle. Ilma toimii eristämateriaalina, mikä poistaa erityisten kabeleiden tarpeen ja mahdollistaa korkeamman virran kuljetuksen. Asennus, virheiden havaitseminen ja korjaaminen on suoraviivaista, pitäen ylläpitokustannukset alhaisina – vaikka se saattaa häiritä viestintäjärjestelmiä. Sen hyödyllinen elinkaari ylittää 25 vuotta.