Передача и распределение электроэнергии

Почему именно 230 В?

Начнем с того, что напряжение такой величины в розетках было не всегда, и в разных странах оно разное. Каждое государство имеет право самостоятельно устанавливать стандарты электропитания, и многие страны в свое время этим активно воспользовались. На сегодняшний день распространены два напряжения питания для конечного электрооборудования: 110…120 В и 220…240 В (Рисунок 11)

Внимательный читатель наверняка обратил внимание, что эти напряжения отличаются в два раза, и это не случайность

На самом деле, страны с низким напряжением в электросети, например, США и Япония, уже давно столкнулись с проблемой подключения мощного оборудования. Поэтому они используют двухфазную систему питания, которую можно представить в виде двух последовательно соединенных источников с напряжением 110…120 В (Рисунок 12). Маломощные потребители подключаются к нейтральному и одному из фазных проводов и питаются напряжением 110…120 B. А мощные – к двум фазным проводам, при этом напряжение питания удваивается и становится равным 220…240 В. Чтобы случайно не перепутать и не подключить оборудование к «неправильному» источнику, в этих странах для напряжения 110 В и 220 В используют разные розетки, что исключает ошибочное подключение.

Рисунок 12.	Принцип построения распределительных сетей 115/230 В.

Проследить происхождение цифры 110 В сейчас уже достаточно сложно. В самом начале коммерческого использования электричества – в первой половине XIX века – оно использовалось, в основном, для освещения. Первыми электрическими осветительными приборами были дуговые лампы, для работы которых требовалось напряжение около 45 B. Достаточно быстро было установлено, что для устойчивого горения этого осветительного прибора в цепь питания нужно устанавливать балластный резистор, падение напряжения на котором достигало 20 В. Таким образом, для работы первых ламп требовалось напряжение не ниже 65 В.

Практический опыт строительства и эксплуатации электрических систем освещения показал, что для коммерческого успеха необходимо устанавливать электростанции чуть ли не возле каждого фонаря – слишком дороги были провода и слишком мало они передавали энергии. Очень быстро специалисты стали включать по две дуговые лампы последовательно, что позволило увеличить пропускную способность проложенных кабелей практически в два раза. Так появилось напряжение 110 В (45 + 45 + 20). Со временем, чтобы компенсировать падение напряжение на проводах, его увеличили на 5…10 В, в результате чего появились напряжения 115…120 В.

Немаловажную роль в появлении напряжения 110 В, по всей видимости, сыграл Томас Эдисон – его первые лампы накаливания сразу были рассчитаны на 110 В. По непроверенным данным, ему просто нравилось это число, хотя могли быть и другие технические и экономические причины выбора именно этого напряжения. В конечном итоге, когда появились мощные потребители электроэнергии, в США, где шло наиболее бурное развитие коммерческого электричества, уже было достаточно большое количество электрооборудования и распределительных систем, рассчитанных на 110 В, и менять стандарты стало уже слишком дорого.

В странах Европы массово использовать электричество стали гораздо позже – ближе к концу XIX века. К этому времени, благодаря опыту США, уже были известны недостатки и ограничения существующих систем. Поэтому в странах Европы достаточно быстро стали внедрять оборудование, рассчитанное на удвоенное напряжение 220 В, хотя первое время – до стандартизации – в Европе также существовали системы, использующие 110 В. Кроме того, в странах Европы практически сразу стали применять переменный ток и трехфазные системы электроснабжения, что позволило избежать многих проблем, присущих системам на основе постоянного тока.

Подробное описание и основные характеристики

В электросетевом хозяйстве объектами являются различные элементы и системы, предназначенные для передачи, распределения и управления электроэнергией. Они составляют сложную инфраструктуру, которая обеспечивает надежное и эффективное функционирование электроэнергетической системы.

Основными объектами электросетевого хозяйства являются:

• Генерирующие установки – это электростанции и другие устройства, которые производят электроэнергию. Они могут работать на различных видах топлива, таких как газ, уголь, нефть, атомное ядро и возобновляемые источники энергии, включая солнечную и ветровую энергию.
• Трансформаторные подстанции – это объекты, которые преобразуют напряжение электроэнергии, чтобы обеспечить ее эффективную передачу и распределение. В них устанавливаются трансформаторы, которые позволяют повышать или понижать напряжение в соответствии с требованиями.
• Линии электропередачи – это кабели и провода, которыми передается электроэнергия от генерирующих установок к конечным потребителям. Линии электропередачи могут быть наземными или подземными, а их протяженность может достигать сотен и даже тысяч километров.
• Распределительные сети – это сети, которые передают электроэнергию от трансформаторных подстанций к местным потребителям, таким как дома, предприятия и офисы. Распределительные сети включают в себя опоры, провода, кабели и другое оборудование, которое осуществляет передачу электроэнергии на короткие расстояния.
• Устройства управления и защиты – это системы и оборудование, которые контролируют и обеспечивают безопасность работы электросетей. Они включают в себя автоматические выключатели, реле, системы мониторинга и управления, которые позволяют операторам электросетей контролировать и поддерживать стабильность и надежность работы системы.

Каждый объект электросетевого хозяйства имеет свои основные характеристики, которые определяют его функциональность и эффективность. Например, генерирующие установки имеют мощность, которая определяет объем производимой электроэнергии, а трансформаторные подстанции имеют коэффициент трансформации, который позволяет изменять напряжение.

Эти характеристики позволяют операторам электросетей эффективно планировать и управлять электроэнергетической системой, а также обеспечивать надежную и безопасную работу объектов электросетевого хозяйства.

Высокое напряжение: основные понятия

Высокое напряжение – это напряжение, которое превышает предельные значения для безопасного использования и требует особых условий и мер предосторожности при работе с ним. Номинальное напряжение – это значение напряжения, которое присваивается электрической системе или устройству и определяет его нормальную работу

Например, для обычной розетки в доме номинальное напряжение составляет 220 В

Номинальное напряжение – это значение напряжения, которое присваивается электрической системе или устройству и определяет его нормальную работу. Например, для обычной розетки в доме номинальное напряжение составляет 220 В.

Высоковольтные системы – это системы с напряжением выше номинального напряжения энергоснабжения, которое обычно принимается равным 1 киловольту (1 кВ) и выше.

Высоковольтные линии – это системы электропередачи, состоящие из высоковольтных проводов и сооружений, предназначенных для передачи электрической энергии на большие расстояния.

Изоляция – это материалы, используемые для разделения проводников от окружающей среды и других проводников, чтобы предотвратить протекание электрического тока.

Изоляционное сопротивление – это электрическое сопротивление, которое оказывает изоляция на протекающий через нее электрический ток. Чем выше значение изоляционного сопротивления, тем более эффективной является изоляция.

Проводник – это материал, способный проводить электрический ток. Обычно используются металлы, такие как медь или алюминий, в качестве проводников.

Электрический разряд – это процесс выравнивания электрического потенциала между проводниками с разными зарядами, вызывающий искровую разрядку. Это может привести к повреждению оборудования и возгоранию.

Высоковольтные трансформаторы – это электрические устройства, которые используются для повышения или понижения напряжения в системе электропередачи. Они обычно применяются для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Высокое напряжение и безопасность – работа с высоким напряжением требует соблюдения специальных мер предосторожности, таких как использование изолирующих перчаток и диэлектрических материалов, обучение и навыки в области безопасности, а также строгое следование инструкциям по работе с высоким напряжением

Высокое напряжение и шарлатаны

Мощные электрические энергосистемы должны быть высоковольтными – мы это уже выяснили, и это знание подкреплено математическими расчетами, основанными на законах физики. Однако обратное утверждение – высоковольтные системы должны быть мощными – неверно, потому что мощность, согласно формуле (1), является произведением напряжения и тока. Если ток в высоковольтной системе мал, то и мощность будет небольшой.

Примерами маломощных высоковольтных систем являются:

• газовые электрозажигалки, в которых напряжение пальчиковой батарейки (1.5 В) увеличивается до нескольких киловольт, при этом ток, потребляемый от источника питания, не превышает нескольких миллиампер, а мощность – несколько десятков милливатт;
• автомобильная система зажигания, работающая аналогично электрозажигалке – напряжение, подаваемое на свечи двигателя, достигает 30 кВ, в то время как энергия, затрачиваемая на один разряд в свече, не превышает 0.1 Дж, таким образом, общая мощность этой системы не превышает 25 Вт;
• кинескопы старых телевизоров и мониторов – на их второй анод подается напряжение 12…16 кВ (черно-белые) или 25 кВ (цветные), при этом максимальный ток анода не превышает 300 мкА (черно-белые) и 1 мА (цветные), таким образом, максимальная мощность высоковольтных источников питания кинескопов не больше 5 Вт (черно-белые) и 25 Вт (цветные).

К сожалению, существует определенный круг людей, которые от словосочетания «высокое напряжение» впадают в экстаз и принципиально не хотят видеть разницы между «большим напряжением» и «большой мощностью». Особенно много таких людей среди «исследователей» эфира, «свободных энергий», «торсионных полей» и других подобных «явлений». Я согласен, что вид неодимового магнита, проносящегося мимо катушки, обладает некоторым волшебством, а наблюдение на экране осциллографа импульсов с амплитудой несколько сотен вольт вселяет надежду что «мы на верном пути к бесплатной энергии». Но практически всегда эти люди просто принимают желаемое за действительное и, по разным причинам, не хотят разбираться в процессах, происходящих в их устройствах.

И на это можно было бы не обращать внимания, если бы не возможность «вещать на весь мир», появившуюся после развития сети Интернет. К сожалению, обладая определенной харизмой, эти люди в глазах еще более невежественных людей становятся «авторитетами» по некоторым вопросам. А это уже прямой путь к мошенничеству.

Сейчас в сети можно встретить достаточно большое количество доступных для приобретения конструкторов и готовых устройств, обещающих «бесплатное» электричество в виде импульсов высокого напряжения, «вытащенных» из 12-вольтового аккумулятора. Соглашаясь на подобные предложения, люди за реальные деньги получают, в лучшем случае, макет для демонстрации явлений, обнаруженных еще Фарадеем. Поэтому не попадайтесь на уловки мошенников и помните, что наличие высокого напряжения еще не означает наличия большой мощности – в большинстве случаев ток в подобных устройствах оказывается слишком мал для практического применения. А если даже и ток, и напряжение велики, что свидетельствует о большой мгновенной мощности, то есть еще время длительности этого состояния, определяющее количество энергии – главный параметр для определения КПД.

Мне не раз приходилось общаться с «искателями свободных энергий», в том числе и лично. Но пока еще никому из них не удалось объективно доказать факт получения «энергии из ничего» – достаточно быстро их аккумуляторы садились, а «чудо-моторы» останавливались. Но это не значит, что подобные эксперименты не нужно проводить совсем – в конце концов, именно такие упрямцы и открывают новые законы и явления. Однако для этого нужно много работать и хорошо знать уже известные и изученные вещи, а самое главное – не бояться и не лениться сомневаться в себе.

А что будет если…?

А что будет, если сейчас взять и запретить (разумеется, исключительно ради нашей безопасности), использовать высокое напряжение в розетках. Ведь может же правительство принять закон, запрещающий использование в быту напряжения выше допустимого сверхнизкого значения. Как тогда изменится наша жизнь? Рассмотрим это на примере.

Большинство электрических розеток рассчитано на ток, не превышающий 16 А. Изготовить розетки на больший ток технически можно, но работать с ними будет крайне неудобно – из-за большей площади контакта и большей силы прижима пользоваться такими розетками смогут лишь специально обученные люди с сильными руками.

При токе 16 А и напряжении 230 В максимальная мощность, которую можно получить из розетки, равна:

Эта мощность является техническим пределом для бытового оборудования, не рассчитанного на стационарное подключение. При этом длительно выдержать ток 16 А и не расплавиться могут далеко не все вилки и розетки, даже если на них нарисовано, что они на это рассчитаны. Зная это, производители оборудования стараются не создавать приборы, рассчитанные на подключение к розеткам и потребляющие ток больше 10 А. Таким образом, реальная мощность оборудования, подключаемого к розеткам, ограничена на уровне, приблизительно 2.3 кВт. Более мощное оборудование подключается к сети другими способами и по другим схемам, которые будут рассмотрены чуть позже.

А теперь уменьшим напряжение в розетке до максимально возможной безопасной величины – 50 В, которая, кстати, не дает никаких гарантий безопасности. При реальном токе 10 А, ограниченном возможностями и ценой бытовых розеток, максимальная мощность, которую можно получить из системы электропитания, будет равна:

При такой мощности чайник будет греть воду в четыре раза дольше обычного, пылесос будет собирать по три пылинки в секунду, а кондиционер сможет охладить воздух только в домике хомячка. А чтобы подключить более мощное оборудование, придется полностью переделать электропроводку, поскольку все розетки, кабели, автоматы рассчитываются на основе не напряжения, а тока, который они могут пропустить в течение длительного времени.

Сноски

1) Существуют экспериментальные проекты криогенных линий электропередачи, в которых проводники охлаждаются до температуры, при которой появляется эффект сверхпроводимости. Потери проводимости в этих системах минимальны, однако появляются дополнительные потери на охлаждение кабелей. Поэтому потери при передаче энергии будут всегда, просто их количество и вид могут быть совершенно разными.

2) В таблице указаны цены 2020 года. Реальная цена металлов на рынке постоянно изменяется, однако для понимания сути этого материала абсолютное значение цены не имеет особого значения.

3) На самом деле электрические провода уже давно не делают из чистой меди или чистого алюминия – это дорого. Сейчас применяются различные сплавы, которые уменьшают стоимость проводов, но без значительного ухудшения их электрических и эксплуатационных характеристик.

4) Этот вопрос будет рассмотрен в следующей части цикла.

5) Кабельная ЛЭП состоит из проводников и изоляции. Даже самая простая изоляция обычно способна без проблем выдержать напряжение до 400 В. Поэтому увеличение напряжения с 65 до 110 не вызвало особых технических проблем.

6) Сверхнизкое напряжение (Extra-Low Voltage, ELV) – напряжение, считающееся безопасным для человека в обычных условиях (до 50 В переменного тока и до 120 В постоянного тока)

7) Человека поражает не напряжение, а ток. Известны случаи гибели людей от электрического тока в системах с напряжением 12 В и меньше. Вопросы электробезопасности будут подробно рассмотрены в одной из следующих глав.

Какие значения считаются высоковольтными

Значение напряжения, которое считается высоковольтным, зависит от контекста и отрасли применения. Обычно, высоковольтным считается напряжение, превышающее производственное и бытовое напряжение.

Вот несколько примеров значений, которые могут считаться высоковольтными в разных областях:

• Энергетика: в энергетической отрасли высоковольтное напряжение начинается с 110 кВ. Оно используется для передачи электроэнергии по высоким напряженно-проводящим линиям.
• Электротранспорт: в электрических поездах и трамваях, высоковольтное напряжение может достигать 25 кВ и выше.
• Индустрия: в промышленности высоковольтное напряжение может начинаться с 1 кВ и использоваться для питания больших электроприводов и электромагнитных систем.

Напряжение, считающееся высоковольтным, является объектом надлежащего внимания, так как оно может представлять опасность для людей и оборудования

При работе с высоковольтными установками, необходимо соблюдать специальные меры предосторожности и использовать соответствующую защитную электроизоляцию

Заключение

Напряжение и ток, хоть они и связаны между собой, определяются разными компонентами системы электропитания: напряжение – источником, а ток – потребителем электрической энергии. Эти параметры ни в коем случае нельзя путать. По отдельности ни напряжение, ни ток не выполняют никакой полезной функции. Согласно формуле (1), даже если у нас будет миллиард миллиардов вольт, но ток будет равен нулю, толку от такой системы не будет никакого, потому что энергия потребляется электроприбором только в случае одновременного присутствия на его выводах питания и напряжения, и тока. Только в этом случае оборудованием будет выполняться полезная работа, и его использование будет иметь практический смысл.

А вот конкретные значения напряжения и тока уже определяются здравым смыслом и опытом, накопленным за два века коммерческого использования электричества. И хоть в наших розетках и присутствует опасное для жизни напряжение, его величина является технически и экономически обоснованной и ее изменение повлечет за собой изменение качества нашей жизни. Поэтому с высоким напряжением придется смириться. Но самое главное – с ним нужно научиться правильно «дружить», поскольку безопасным электричество будет только при обязательном соблюдении всех правил обращения с электропроводкой и электрическими приборами.